喬建剛，鄭少華，何志偉，王榮鑫

（天津市政工程設計研究總院有限公司，天津300392）

近年來，隨著我國公路事業(yè)長足發(fā)展，公路隧道里程呈加速增長趨勢，越來越多的寒區(qū)隧道進入工程建設序列[1]。相比溫熱地區(qū)，寒區(qū)隧道需要特別注意凍害防治，尤其是隧道排水引起的凍害[2～3]。寒區(qū)隧道中心排水溝出水口如不進行防凍處治，冬季時地下水將沿出水口逐漸向洞內凍結，導致排水系統(tǒng)失效，引發(fā)凍害；甚至在路面和襯砌背后發(fā)生冰凍，危及行車及結構安全。本文對一座寒區(qū)隧道中心水溝排水及防凍措施方案進行比選和優(yōu)化，為寒區(qū)隧道中心排水溝排水和保溫設計提出一種滲井排水的設計思路。

1 工程概況

加定（青甘界）—海晏（西海）公路石羊嶺隧道左右線為分離雙洞，長度分別為1 826、1 796 m，為長隧道；隧道測設線間距約30 m。隧道縱斷面設計采用單向坡，縱坡為2.950%。

項目處于青藏高原東北部，屬于高原半干旱大陸性氣候，總體氣候特征為寒長暑短、多風少雨、無霜期短，具有春季干旱多風、夏季涼爽、秋季較短、冬季漫長、蒸發(fā)強烈、日溫差大、雨熱同期的氣候特點。最冷為1月，平均氣溫-10.1～-15.3 ℃，季節(jié)性凍土最大凍深約1.5 m。多年平均年降水量為404.6～506.5 mm，年最大降雨量563.8～695.9 mm，降水主要集中在6—9月。

隧道屬侵蝕構造中切割中山陡坡地貌，勘察期間屬干溝，為典型的山間河流，流量隨季節(jié)變化明顯，具有陡漲陡落、雨漲晴消的特征，大氣降水順山坡向溝底匯集最終流向大通河。場地地下水主要有第四系松散層孔隙潛水、基巖風化帶網狀裂隙水兩種類型?？辈炱陂g采用裘布依公式、降水入滲系數(shù)法等多種方法對隧道涌水量進行了估算，綜合分析該隧道正常涌水量1 200～1 500 m3/d。

2 隧道排水及防凍系統(tǒng)方案

2.1 隧道洞內排水系統(tǒng)

隧道暗洞復合襯砌排水系統(tǒng)由防水板、環(huán)向排水管、縱向排水管、橫向引水管與中心排水溝組成。為便于排水，根據(jù)隧址區(qū)的最大凍土深度并考慮到降低隧道排水系統(tǒng)凍結堵塞的風險，洞內在小樁號側500 m 范圍內、仰拱以下設置中心深埋排水溝；其余段落仰拱以上設置淺埋中心排水溝。中心排水溝采用?60 cm預制鋼筋混凝土排水管。見圖1。

圖1 中心排水溝斷面

2.2 隧道洞外排水及防凍系統(tǒng)

目前國內相對較為通用的高寒地區(qū)隧道中心排水溝洞外防凍措施是在洞外出水口處設置一防凍保溫包頭并在防凍保溫包頭外設置一處陡坎，使地下水經防凍保溫包頭流出中心排水溝后，流經陡坎以下再凍結。見圖2。

圖2 隧道中心水溝保溫包頭

小樁號洞口距現(xiàn)狀崗青公路較近，中心排水溝若采用上述常規(guī)防凍保溫措施，引出的地下水冬季有可能漫流至崗青公路路面并凍結，影響行車安全。針對該外圍條件，設計階段進行了多方案比選和優(yōu)化。

2.2.1 方案一延長中心水溝

考慮將中心排水溝出洞口延長，采用頂管方式穿越崗青公路后再排出地面，避免隧道內引出的地下水漫流至崗青公路。見圖3。

圖3 方案一平面布置

深埋中心排水溝埋深在最大凍深線以下，管底高程在地面以下2 m，穿越崗青公路后地勢平坦，難以盡快將中心水溝引出地面，也難以在出水口保溫包頭后設置陡坎。

2.2.2 方案二隧道滲井排水

中心排水溝的地下水排出隧道后并不出露地面，轉而通過滲井回灌至地下。見圖4。

圖4 方案二平面布置

由于排出的地下水為山體地表徑流入滲水或者基巖裂隙水，是未經污染的清水，從地下水源保護的角度，重新回灌至地下是可行的[4]。

1）回灌含水層的選擇。由于滲透系數(shù)的不同，將地層分割為了多個含水層和隔水層。滲井濾層設置深度不同，可以選擇將水流回灌入預設的不同含水層。

小樁號洞口地層結構由上至下依次為厚度6 m的⑥2粉土層、厚度2 m 的⑥4稍密卵石層、厚度23 m 的⑥5中密卵石層、⑩2中風化片巖層?？辈炱陂g中風化片巖層未打穿，穩(wěn)定地下水在⑥4和⑥5層之間。⑥2粉土層和下臥巖層⑩2中風化片巖為隔水層，⑥4稍密卵石層和⑥5中密卵石層為含水層。根據(jù)各地層滲透系數(shù)等參數(shù)情況，宜將地下水回灌層設置在⑥4稍密卵石層和⑥5中密卵石層。見表1。

表1 各土層滲透系數(shù) m/s

2）滲井參數(shù)方案設計。

式中：Qs為位于含水層內的單位長度滲井流量，m3/s；hj為井內水深，m；hd為地下水位高于井底的高度，m；R為影響半徑，可根據(jù)抽水試驗確定或根據(jù)經驗公式R= 3 000S計算，S為抽水降深，即地下水位與井內水位的高差，對于滲水井S=hj-hd，m；r0為滲井半徑，m；kh為含水層材料的滲透系數(shù)，m/s。

考慮⑥4稍密卵石層相對⑥5中密卵石層較薄，為計算方便、偏安全，均按照⑥5中密卵石層的滲透系數(shù)進行計算。根據(jù)勘察資料及隧道貫通后實測涌水量情況校正，隧道的單日最大涌水量1 500 m3/d。

若設置一直徑1 m 的滲井，要滿足最大流量1 500 m3/d，井深需要28 m，井底深度入⑥5中密卵石層20 m。見圖5。

圖5 滲井結構

2.2.3 方案比選

方案一出洞口需增加約200 m 長、?600 mm 鋼筋混凝土排水管，其中包含一段下穿既有公路頂管；方案二需增加一?1 000 mm、深28 m 的滲井。方案一需在既有崗青公路下方進行頂管施工，對既有公路存在一定擾動，穿越崗青公路后地勢平坦，難以在出水口保溫包頭后設置陡坎，冬季水流會由保溫包頭外部逐漸凍結入排水溝內部，導致隧道排水系統(tǒng)失效；方案二隧道排出的地下水經由深埋中心排水溝流入滲井內，全程位于最大凍結深度以下，避免了水流凍結的隱患。

針對本工程，方案二較傳統(tǒng)的寒區(qū)隧道排水方案工程量顯著降低，防凍保溫效果更可靠。

3 對滲井排水方案的優(yōu)化

滲井在公路領域應用較為廣泛[5～8]，在隧道排水工程中鮮有應用。采用的各土層滲透系數(shù)等參數(shù)為勘察階段勘察鉆孔得出數(shù)據(jù)，在滲井實施前，需要在井位上專門施作一處鉆孔進行抽水試驗，根據(jù)抽水試驗得出的滲透系數(shù)對滲井尺寸參數(shù)進行修正。為使排水方案的可靠性更高，在滲井下游施作一處設置保溫包頭的排水管，保證滲井內溢流的情況下，排水和保溫設施仍然有效。見圖6。

圖6 滲井結構優(yōu)化方案

4 結論

1）針對鄰近公路、地勢限制的寒區(qū)隧道，滲井排水方案在經濟性、適用性、可靠性等方面更具優(yōu)勢。

2）隧道排水為經由環(huán)向排水管、縱向排水管、中心排水溝等一系列周密排水系統(tǒng)搜集的隧道洞身基巖裂隙水、地表下滲水等，總體上均為地下水，本文提出的隧道滲井排水方案，實際上將隧道排水系統(tǒng)搜集的地下水又回灌入地下；因此，該方案也可借鑒到非寒區(qū)隧道，譬如對地下水資源進行保護的地區(qū)。

3）隧道滲井排水方案對地層的滲透系數(shù)、周邊地形地貌、隧道涌水量等參數(shù)相對敏感，應結合工程實例具體分析。

4）提出的寒區(qū)隧道排水方案滲井直徑1 m、深28 m，井徑和井深比較大，井內反濾材料回填施工量也比較大，本文未對滲井形式、結構及滲井填料做深入研究，這是今后類似方案的改進方向。

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