張旭珍(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安　710043)

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關角隧道排水設施凍害原因分析及處理方案研究

張旭珍
(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安710043)

摘要:關角隧道地處青藏高原，屬于嚴寒地區(qū)，隧道開通運營后洞口排水溝就出現了凍害，對行車安全構成了嚴重威脅。本文詳細介紹了關角隧道排水溝凍害情況，分析了其產生的原因，對加熱、截流、加強洞內保溫措施三種處理方案進行了比選，選擇了水溝加熱方案。實踐證明，嚴寒地區(qū)隧道洞口段排水溝內采取電伴熱帶加熱防止水溝凍害的措施行之有效，可在類似工程設計中推廣應用。

關鍵詞:嚴寒地區(qū)隧道水溝凍害電伴熱帶

隨著交通事業(yè)的快速發(fā)展，我國北方嚴寒地區(qū)出現了大量的交通隧道。調查資料顯示，目前已經開通運營的寒區(qū)交通隧道中，有80%以上都存在各種各樣的凍害現象。隧道內排水溝的凍害問題作為寒區(qū)隧道的病害之一，嚴重影響了隧道結構及行車安全。1989年建成的甘肅七道梁公路隧道，由于冬季氣候寒冷，排水溝凍結而使隧道排水不暢，造成襯砌背后產生凍脹現象，誘發(fā)襯砌混凝土開裂、隧道滲漏、路面結冰，雖經多次整治，但無法根除凍害［1］。東北巴新鐵路阿貴廟山隧道剛完成鋪軌就出現了由于水溝凍結導致道床積水結冰而影響正常通車的情況［2］。內蒙古集包二線八蘇木隧道開通運營不久洞口1 200 m范圍內的水溝即出現了凍結現象，局部地段水溢出水溝蓋板后導致道床結冰，嚴重影響了行車安全［3］。本文以關角隧道為例，分析水溝凍害產生的原因，探討最佳處理方案。

1　工程概況

青藏鐵路西寧—格爾木增建二線的控制性工程關角隧道為目前我國最長的鐵路隧道，也是世界最長的高原鐵路隧道，全長32.69 km，為兩座平行的單線隧道，線間距40 m。隧道進口位于青海省天峻縣天棚車站附近，洞口里程DK280 + 505，軌面標高3 380.26 m，極端最低氣溫－35.8℃，最冷月平均氣溫為－13.5℃，年平均氣溫－0.5℃，最大凍結深度為299 cm。根據設計規(guī)范［4-5］結合既有關角隧道水溝凍害情況，洞口2 000 m范圍內的排水溝鋪設了保溫材料(圖1)，洞外采用了保溫暗管的排水方案。開工后由于隧道涌水量發(fā)生了很大的變化，進口端正常涌水量達到了238 954 m3/d，導致隧道水溝無法滿足正常排水的需要。為此，在Ⅱ線隧道右側距Ⅱ線線路中線25 m處設置了一座長8 060 m的泄水洞，分別在2號斜井和3號斜井井底附近設置了聯(lián)絡排水通道，將Ⅰ，Ⅱ線隧道水溝內的流水直接導入泄水洞，以減小洞口段水溝的排水壓力。洞外距洞口25 m處在Ⅰ，Ⅱ線線路道床下設置一矩形排水涵洞，洞內水溝及泄水洞的流水均排入矩形涵洞內，再通過長1 370 m的排水暗管將水直接排入布哈河內［6］。

圖1　保溫水溝

2　凍害情況

關角隧道于2014年12月28日開通運營，2015年1月1日德令哈工務段發(fā)現隧道Ⅰ，Ⅱ線進口段水溝內均出現了不同程度的結冰現象(圖2)。起初調查發(fā)現Ⅱ線隧道距洞口約90 m范圍水溝結冰，Ⅰ線隧道距洞口約110 m范圍水溝結冰，均是左側水溝較右側水溝嚴重。后隨著運營時間的逐步加長和持續(xù)的低溫天氣，結冰的范圍不斷向洞內延伸。最終調查后發(fā)現，Ⅰ線隧道左側水溝自洞口至DK282 + 000段(1 495 m)結冰比較嚴重，DK282 + 000—DK282 + 900段(900 m)結冰比較輕微;Ⅰ線隧道右側水溝自洞口至DK281 + 700段(1 195 m)結冰比較嚴重，DK281 + 700—DK282 + 900段(1 200 m)結冰比較輕微。Ⅱ線隧道兩側水溝自洞口至DyK281 + 300段(795 m)出現了結冰，最為嚴重段落為DyK280 + 570—DyK280 + 603段，水溝內的水已漫至道床上并出現了結冰現象(圖3)，冰面距軌頂40 mm。水溝凍害平面示意如圖4。

圖2　水溝結冰

圖3　道床結冰

圖4　水溝凍害平面示意

3　原因分析

3.1氣溫的驟變

關角隧道進口段道床發(fā)現結冰時間為2015年1月1日，由于隧道進口至2號斜井聯(lián)絡排水通道間的水溝內水量很小，從水溝開始結冰到完全堵塞后外溢至道床需要一定的時間。2014年12月18日關角地區(qū)的氣溫降至了－34℃，接近極端最低氣溫。氣溫的驟變導致了水溝結冰，然后在持續(xù)低溫環(huán)境下，水溝內的結冰一直積累，直到水溝全部堵塞后漫至道床面結冰。

3.2洞口位置

關角隧道進口端洞口處于一緩坡處，地形開闊，洞口朝向東北方向(背陰)，冬季日照時間較短。加之關角地區(qū)冬季的主導風向為北風，在長時間寒風的灌入下，隧道洞口至洞內一定范圍內的溫度在很長一段時間處于0℃以下［7］。

3.3水溝水量過小

關角隧道進口段有10 km地段處于富水地段，涌水量大，為了保證運營安全，在進口段設置了長8 060 m的泄水洞，將大部分水導入泄水洞排走，洞口段水溝內的水量減小，流速降低，加大了水溝結冰的概率。

3.4保溫材料施工不規(guī)范

關角隧道洞口2 000 m范圍內排水溝雙層蓋板間鋪設絕熱用擠塑聚苯乙烯泡沫塑料(XPS)板做為保溫材料，保溫板要求上下兩層間的對接縫必須錯開，且不能將碎塊拼接在一起?，F場調查時發(fā)現很多地方采用了保溫板的邊角料(圖5)，降低了保溫效果。

圖5　水溝保溫板

3.5水溝質量缺陷

從現場對凍害地段的水溝調查發(fā)現，大部分段落水溝底部高低不平、垃圾較多，導致水溝雍水，流速降低，加大了水溝凍害的發(fā)生概率。

3.6列車活塞風的影響

關角隧道開通運營后，列車速度達到了120 km/h，列車高速進洞時將洞外的寒冷空氣帶入洞內，使洞內寒冷空氣影響長度增大且連續(xù)?，F場試驗資料顯示，距洞口800 m處正常氣溫為－7℃，列車通過5 min后測試的氣溫為－9℃。

4　處理方案

4.1水溝加熱方案

目前國內外的嚴寒地區(qū)已有在隧道水溝內設置電伴熱帶，通過加熱升高水溝內的溫度，防止水溝結冰的案例。我國東北的巴新鐵路阿貴廟山隧道、內蒙古集包二線八蘇木隧道、蘭新高鐵大坂山隧道及國外挪威的部分隧道均在水溝內安裝了電伴熱帶［8-9］。該方案實施簡單、效果明顯，在線路運營的情況下，可以利用天窗時間進行施工，對行車安全不會構成威脅。

4.2水溝截流方案

關角隧道DK280 + 505—DK280 + 910段位于第四系沖積細砂地層。施工揭示，該地層不含地下水，不存在地下水向隧道排泄的情況。隧道進口段水溝內的水主要是DK280 + 910—DK285 + 010(2號斜井交叉口)范圍內的地下水。故該方案擬在DK280 + 910處Ⅰ，Ⅱ線隧道的仰拱下方設置排水通道，將兩線隧道水溝內的水全部排入排水通道后再排入泄水洞內。但該方案存在以下缺點:

1)從目前的病害范圍來看，Ⅰ線隧道水溝結冰比較嚴重的范圍長達1 500 m，DK280 + 910處于水溝結冰嚴重地段，如果在該處設置排水通道，還是無法解決水溝結冰的難題。

2)在運營隧道的下方施工，可能會造成無砟軌道的開裂或少量下沉，有可能影響正常行車。

3)隧道水溝與排水橫通道的連接不嚴密，會導致隧道水慢慢滲入細砂地層，長時間后可能會導致隧道少量下沉，影響行車安全。

4.3加強洞內保溫措施方案

隧道的洞內排水溝按保溫水溝要求重新施作，保溫水溝頂面、電纜槽的側面和頂面采用15 cm厚的高硬度保溫板覆蓋，保溫板之間的縫隙采用聚氨酯發(fā)泡膠進行填充和固定［10］。該方案不但增加了工務部門正常維修的難度和費用，同時又無法保證保溫效果。

4.4采用方案

鑒于關角隧道已開通運營，從多方面綜合考慮后認為，水溝加熱方案為最佳方案。

5　水溝加熱方案設計

5.1方案1

進口段水溝結冰影響范圍為Ⅰ線隧道2 400 m，Ⅱ線隧道800 m。為了徹底根治，Ⅰ線隧道2 410 m、Ⅱ線隧道870 m范圍內均布置MIC-2-380-35型功率為35 W/m的電伴熱帶。洞口100 m范圍內布置3根電伴熱帶，其中1根直接進入檢查井并在井壁上盤繞，為檢查井起到保溫的作用，其余2根延長至檢查井內即可。其余地段每條水溝內均按照2根布置。該方案Ⅰ線隧道采用電伴熱帶10 020 m，功率為350.7 kW，Ⅱ線隧道采用電伴熱帶3 860 m，功率為135.1 kW，Ⅰ，Ⅱ線共采用電伴熱帶13 880 m，總功率為485.8 kW。

5.2方案2

隧道進口段水溝發(fā)生凍害的主要原因之一是水溝內水量小、流速低。雖然Ⅰ線隧道水溝結冰影響段落長達2 400 m，除左側水溝距洞口1 500 m范圍、右側水溝距洞口1 200 m范圍內水溝結冰比較嚴重外，其余地段水溝內結冰比較輕微(部分中間段落無結冰現象)。為節(jié)省工程投資和后期維修費用，Ⅰ線隧道1 530 m，Ⅱ線隧道870 m范圍內布置電伴熱帶，通過電伴熱帶融冰，確保行車安全。待氣溫回升后，通過調節(jié)水溝內的水量，加大流速來消除水溝結冰。電伴熱帶為MIC-2-380-35型，功率35 W/m。洞口100 m范圍內布置3根電伴熱帶，其中1根直接進入檢查井并在井壁上盤繞，為檢查井起到保溫的作用，其余2根延長至檢查井內即可。其余地段每條水溝內均按照2根布置。該方案Ⅰ線隧道采用電伴熱帶6 500 m，功率為227.5 kW，Ⅱ線隧道采用電伴熱帶3 860 m，功率為135.1 kW，Ⅰ，Ⅱ線共采用電伴熱帶10 360 m，總功率為362.6 kW。

5.3方案比選

從現場調查的凍害分布段落及凍害嚴重程度可以看出，隧道水溝出現凍害的主要原因是由于排水溝內水量太小、流速過低，洞口水溝結冰堵塞后向洞內延伸后導致的，兩個方案都可以徹底整治。但方案2采用了電伴熱帶和水量調節(jié)相結合的措施，降低了能源消耗，如果每年加熱周期按照3個月、每天加熱時間按照8 h考慮，僅電費一項每年就可節(jié)省約13萬元，效果比較顯著，故采用了方案2。

6　效果分析

隧道進口段水溝凍害搶險完成后立刻在水溝內安裝了電伴熱帶。后期的觀測數據顯示，水溝內的溫度一直保持在0℃以上，保溫效果做得比較好的地段水溝內的溫度達到了9℃，水溝未再出現結冰現象，達到了預期的目的。

7　結語

1)經過現場實際跟蹤觀測以及數據采集、分析顯示，隧道水溝安裝電伴熱帶是一種安全可靠的措施，不僅使排水溝冬季得以恒溫通流，而且為鐵路安全運行提供了保障。

2)從目前國內采用電伴熱帶的隧道來看，基本上都是隧道水溝出現凍害后在迫不得已的情況下采用的，配套電源很難解決，增加了施工的難度。建議在位于嚴寒地區(qū)的隧道中，設計階段就將電伴熱帶納入，避免在運營階段出現凍害后再被動進行整治。

3)隧道水溝內安裝電伴熱帶時建議同時安裝上自動控溫裝置，該裝置可根據水溝內的溫度自動開啟和關閉電伴熱帶，不但杜絕了水溝凍害的發(fā)生，而且節(jié)約了能源，降低了維修人員的勞動強度和維修費用。

參考文獻

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(責任審編葛全紅)

Study on Freezing Damage of Drainage Facility Cause and Treatment Scheme for Guanjiao Tunnel

ZHANG Xuzhen

(China Railway First Survey＆Design Institute Group Co.，Ltd.，Xi'an Shaanxi 710043，China)

Abstract:Guanjiao tunnel located in Qinghai－T ibet Plateau，which is a severe cold region.T he freezing damage appeared in tunnel entrance drainage ditch after tunnel operation and posed a serious threat to traffic safety.T his paper introduced the freezing damage of drainage ditch in Guanjiao tunnel，analyzed the causes，compared the three treatment schemes including ditches heating，ditches closure，strengthening the ditches insulation，and selected the ditches heating scheme.T he practice proved that the electric tracing ribbon was an effective way to prevent freezing damage of drainage ditch at tunnel entrance in severe cold region，which could be applied in similar project design.

Key words:Severe cold area;T unnel;Freezing damage of drainage ditch;Electric tracing ribbon

作者簡介:張旭珍(1976—)，男，高級工程師。

基金項目:鐵道部科技研究開發(fā)計劃(2008G030-A)

收稿日期:2015-06-10;修回日期:2015-12-31

文章編號:1003-1995(2016)03-0086-04

中圖分類號:U453.6

文獻標識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2016.03.21