淺談寒帶地區(qū)隧道積水和冰害成因以及導(dǎo)排水系統(tǒng)防凍保溫措施

鄒東明

（呼倫貝爾市公路管理，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 165450）

呼倫貝爾區(qū)域內(nèi)的大興安嶺段為長(zhǎng)年凍土帶。興安嶺隧道，最高海拔972.6 m，年平均氣溫-2.8 ℃。冬季最低溫度-40 ℃左右，最大凍結(jié)深度為3.0 m，隆冬季節(jié)長(zhǎng)達(dá)8 個(gè)月，晝夜溫差常年保持在15～25 ℃以上。因此，凍害現(xiàn)象極其嚴(yán)重。隧道導(dǎo)排水系統(tǒng)極易產(chǎn)生凍結(jié)現(xiàn)象，進(jìn)而產(chǎn)生積水或結(jié)冰情況，嚴(yán)重危害隧道交通通行安全和隧道安全。下面，就寒帶地區(qū)隧道的積水和冰害成因及整治方法進(jìn)行淺析。

1 寒帶地區(qū)隧道積水和冰害產(chǎn)生原因及危害

1.1 寒帶地區(qū)隧道積水和冰害產(chǎn)生原因

主要原因有以下幾個(gè)：①在冬季和早春、晚秋季節(jié)，由于隧道內(nèi)溫度極低，導(dǎo)致導(dǎo)排水管道凍結(jié)，部分或全部喪失導(dǎo)排水功能，產(chǎn)生大量積水或部分結(jié)冰。②隧道使用年限較長(zhǎng)時(shí)，由于山體地質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，致使圍巖發(fā)生變化。將導(dǎo)致襯砌裂縫和仰拱裂縫。另外，施工中產(chǎn)生的施工縫、伸縮縫、沉降縫和蜂窩等，往往會(huì)導(dǎo)致滲漏。③滲漏水的整治方面，采用導(dǎo)排水方式，而導(dǎo)引水槽的增加又提高了管道凍結(jié)的概率，增加了積水和結(jié)冰問(wèn)題的出現(xiàn)。

1.2 積水和冰害對(duì)隧道交通通行安全和隧道安全的危害

具體危害分為以下幾方面：①在早春、晚秋季節(jié)，由于路面積水濕滑，導(dǎo)致車輛剎車距離加長(zhǎng)，易發(fā)生側(cè)滑，進(jìn)而發(fā)生交通事故。②隧道內(nèi)濕度明顯加大，導(dǎo)致早晚易產(chǎn)生霧氣，致使司機(jī)視線變差，極易發(fā)生交通事故；同時(shí)，也會(huì)加劇各種設(shè)備的腐蝕。③冬季和早春、晚秋季節(jié)，拱頂形成冰掛，襯砌側(cè)墻形成冰柱，路面結(jié)冰或形成冰包，極易發(fā)生交通安全事故；同時(shí)，結(jié)冰將導(dǎo)致排水更加困難，形成惡性循環(huán)。④一旦積水未及時(shí)排除，囤積或大面積擴(kuò)散，將導(dǎo)致仰拱混凝土中鋼筋的浸蝕，導(dǎo)致強(qiáng)度下降；混凝土結(jié)構(gòu)裂縫、蜂窩、施工縫、工藝縫等滲漏水受凍結(jié)冰膨脹后產(chǎn)生凍脹破壞。這兩種破壞都會(huì)導(dǎo)致襯砌砼體局部喪失功能，對(duì)結(jié)構(gòu)的整體性產(chǎn)生破壞，降低了混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性。⑤由于導(dǎo)排水管“掛蠟”或凍結(jié)，造成管道流量下降、流速降低，導(dǎo)致雜質(zhì)沉淀和淤積，增加管道的疏通維護(hù)成本。

2 寒帶隧道積水和冰害的整治辦法

2.1 隧道積水和冰害的整治辦法

整治辦法有以下兩種：①消除滲漏水的來(lái)源，即進(jìn)行封堵；②保證導(dǎo)排水系統(tǒng)通暢，使?jié)B漏水及時(shí)、順利排出隧道。

滲漏水的封堵，工程施工復(fù)雜，工期較長(zhǎng)，費(fèi)用較高，對(duì)隧道交通通行的影響較大，難以做到一勞永逸。因此，隧道滲漏水的整治原則是：封堵為主，導(dǎo)排為輔。可見，導(dǎo)排水系統(tǒng)的通暢，是解決隧道積水和冰害的重要前提。為使導(dǎo)排水管道在冬季和早春、晚秋的低溫下不結(jié)冰，保證管道的通暢，需要對(duì)導(dǎo)排水系統(tǒng)進(jìn)行加熱保溫防凍處理。

2.2 導(dǎo)排水系統(tǒng)進(jìn)行加熱保溫的方法

管道加熱保溫的方法有伴熱管、夾套管和電熱帶三種方式：①伴熱管方式。伴熱管簡(jiǎn)稱伴管，在需要加熱保溫的管道旁，加裝管中充滿熱介質(zhì)的管道，達(dá)到伴隨加熱保溫的功效。②夾套伴熱管伴熱方式。夾套伴熱管即在工藝管道的外面安裝一套管，類似管套式換熱器進(jìn)行伴熱。③電伴熱方式。電伴熱帶安裝在工藝管道外部，利用電阻體發(fā)熱來(lái)補(bǔ)充工藝管道的散熱損失。

2.3 三種伴熱方式的特點(diǎn)

三種伴熱方式的特點(diǎn)為：①伴熱管方式伴熱。對(duì)象是工藝管道或工藝設(shè)備，它的介質(zhì)是低壓蒸汽或熱介質(zhì)。采用此種方式伴熱，需要配置蒸汽采暖鍋爐或介質(zhì)加熱配套設(shè)施，有安裝伴熱管道的工藝空間。導(dǎo)排水系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)，伴熱系統(tǒng)施工復(fù)雜，工期長(zhǎng)、費(fèi)用高。②夾套管方式伴熱。在石油化工、化纖等裝置中應(yīng)用較為廣泛，它由內(nèi)管（主管輸送的介質(zhì)為工藝物料）和外管（介質(zhì)為蒸汽、熱水或聯(lián)苯熱載體等）組成。由此可見此種方式伴熱需要有伴熱管相同的設(shè)施和施工要求，最低-20 ℃的工作溫度，無(wú)法滿足冬季極寒的工作環(huán)境。③電伴熱帶方式伴熱。電伴熱用于未采暖的管道的加熱防凍，從節(jié)能安全性考慮，高維持溫度為65 ℃，高表面溫度為85 ℃。適用于普通區(qū)和腐蝕區(qū)，足以滿足導(dǎo)排水系統(tǒng)保持5～8 ℃不凍所需要的能耗，保證管道內(nèi)的液體流動(dòng)暢通。采用此種方式伴熱的優(yōu)點(diǎn)為安裝簡(jiǎn)便，可以任意階段或在一定范圍內(nèi)接長(zhǎng)使用；無(wú)需特別的設(shè)計(jì)，無(wú)需特殊工具，沒(méi)有施工難度；檢查和維護(hù)較便利；伴熱管線溫度均勻不會(huì)過(guò)熱，安全可靠；智能化水平較高，可自動(dòng)調(diào)溫、限溫，節(jié)約能源；安全性較高，無(wú)環(huán)境污染，防水、防腐蝕；適用于遠(yuǎn)離供電設(shè)施的管線伴熱。

2.4 熱源的要求及熱源材料的選擇

2.4.1 熱源的要求

熱源的要求有以下幾點(diǎn)：①具備較好的安全性、防水性、耐腐蝕性、抗震動(dòng)性。②能夠自動(dòng)調(diào)溫，降低能耗。③使用壽命長(zhǎng)、效費(fèi)高。壽命周期內(nèi)的維護(hù)費(fèi)用較低。④安裝施工適應(yīng)性好，檢查維護(hù)性強(qiáng)。

2.4.2 熱源材料的選擇

可見，電熱伴帶是給導(dǎo)排水管道加熱保溫的理想器材。自限式電伴熱帶——由各種專用管道電伴熱帶，配套的電源接線盒、中間接線盒、終端接線盒、溫度控制器和電伴熱控制箱、耐熱膠帶、鋁箔膠帶、以及保溫材料整套構(gòu)成。

其工作方式為：自控溫電伴熱帶可以各種方式纏繞于管道外部，或置于管道內(nèi)部，外鋪設(shè)保溫材料。自控溫電伴熱帶一端與溫控器相連以控制電伴熱帶的運(yùn)行。當(dāng)溫度傳感器探測(cè)到管道溫度低于所設(shè)定的溫度時(shí)，溫控器接通電源，電伴熱帶開始運(yùn)行；當(dāng)溫度傳感器探測(cè)到管道溫度高于所設(shè)定的溫度時(shí)，溫控器斷開電源。使電伴熱帶經(jīng)濟(jì)合理運(yùn)行并滿足介質(zhì)溫度要求。

3 電熱伴帶的使用方法

3.1 電熱伴帶型號(hào)和技術(shù)參數(shù)的確定

電熱伴帶的加熱保溫溫度必須達(dá)到：①導(dǎo)流管、盲溝排水管和集水溝、排水溝中的水的溫度必須保證不“掛蠟”、不結(jié)冰；②溫度不宜過(guò)高，以減少水分揮發(fā)量，降低隧道內(nèi)濕度，防止隧道內(nèi)在早、晚形成水霧，更要防止冬季形成“霧凇”；③盡可能地節(jié)約電能。

通過(guò)多次模擬實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)將管壁處水的溫度限制在5～8 ℃為宜。確定電熱伴帶的加熱溫度為45～50 ℃。根據(jù)技術(shù)參數(shù)，選定自限式電伴熱帶型號(hào)為DXW/DWK。

3.2 電伴熱帶的敷設(shè)方案

3.2.1 用內(nèi)置于導(dǎo)排水管道和槽溝內(nèi)部的方法進(jìn)行敷設(shè)

用內(nèi)置于導(dǎo)排水管道和槽溝內(nèi)部的方法進(jìn)行敷設(shè)有四個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①不用拆卸已鋪設(shè)好的導(dǎo)排水管道；②不占用管道外纏繞空間，減少開鑿導(dǎo)排水槽的工程量；③減少熱損失，節(jié)約電能；④管道保溫層的敷置工藝降低了難度。

3.2.2 采用雙路備份保險(xiǎn)補(bǔ)償實(shí)施敷設(shè)方案

對(duì)各種等比例，相同材料的導(dǎo)、排水管道的單元模擬件進(jìn)行了模擬驗(yàn)證?？紤]到安全，最后確定采用雙路備份保險(xiǎn)補(bǔ)償實(shí)施敷設(shè)方案——整個(gè)系統(tǒng)敷設(shè)并行雙線路，增加了加熱系統(tǒng)的冗余度。平時(shí)使用単線路值班加熱，一旦出現(xiàn)下列狀況，則立即啟用備份線路：①值班線路發(fā)生損毀狀況；②值班線路工作不穩(wěn)定，利用備份線路進(jìn)行平衡補(bǔ)償；③極寒天氣狀況出現(xiàn)，導(dǎo)致值班線路功率不高，利用備份線路增強(qiáng)加熱能力。

4 導(dǎo)排水管道的保溫處理

4.1 導(dǎo)排水管道進(jìn)行保溫處理的必要性

導(dǎo)排水管道必須進(jìn)行保溫處理，以便達(dá)到以下目的：①提高保溫效能，盡可能降低能耗；②防止冷熱交接區(qū)直接作用于管壁，導(dǎo)致不同材料的導(dǎo)、排水管伸縮不均，產(chǎn)生變形應(yīng)力，使管道接頭密封產(chǎn)生裂紋，造成二次滲漏水，并加快老化；③盡量使管與溝槽之間不產(chǎn)生冷熱交換區(qū)冷凝水，從而杜絕產(chǎn)生二次凍害現(xiàn)象。

4.2 管道保溫材料和參數(shù)

由于導(dǎo)排水管道的保溫材料要在潮濕，甚至有滲漏水的環(huán)境下使用，因此，其吸水率應(yīng)越低越好?？梢赃x擇硅酸鎂鋁制品、硅酸鋁卷毯、巖棉-硅酸鋁復(fù)合卷氈、硅酸鈣板、聚氨酯發(fā)泡劑。聚氨酯發(fā)泡劑主要用于保溫材料的接縫處。保溫材料填充空間極窄，無(wú)法裹敷住保溫層的位置。

5 技術(shù)保障措施

要在整個(gè)導(dǎo)排水系統(tǒng)定點(diǎn)安裝測(cè)溫傳感系統(tǒng)，以便隨時(shí)監(jiān)測(cè)導(dǎo)排水系統(tǒng)各管道內(nèi)的水溫。防止發(fā)生電伴熱帶斷路，造成冰害現(xiàn)象。同時(shí)，利于查找故障點(diǎn)，便于搶修。在電伴熱帶的回路中定點(diǎn)安裝漏電保護(hù)器，防止出現(xiàn)電路短路現(xiàn)象，提高安全系數(shù)，利于查找故障點(diǎn)。加熱系統(tǒng)運(yùn)行期間，必須安排專人24 h 值班；每年夏季，在電伴熱帶系統(tǒng)停止工作期間。由專人負(fù)責(zé)檢查電伴熱帶的損耗情況，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處置。

本文對(duì)寒帶地區(qū)隧道積水和冰害形成的原因，以及對(duì)隧道交通通行安全和隧道安全造成的危害、導(dǎo)排水系統(tǒng)加熱保溫防凍的措施和積累的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了淺析。