高海拔寒區(qū)單線隧道排水系統(tǒng)防寒設(shè)計研究＊

王曉輝

（蘭新鐵路甘青有限公司，甘肅 蘭州 730000）

1 引言

隨著我國西北地區(qū)交通運輸基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)投入逐步加大，然而高海拔寒區(qū)的鐵路隧道的凍害問題仍很突出。分析隧道凍害的主要原因，幾乎所有的凍害問題都與隧道的排水體系密切相關(guān)[1-5]。高海拔寒區(qū)的隧道設(shè)計方法對防排水系統(tǒng)的抗凍極為重要，亟需對高海拔寒區(qū)的隧道工程建設(shè)開展專項防排水防寒設(shè)計研究。

近年來，我國對高海拔寒區(qū)隧道排水系統(tǒng)的研究逐步深入。1999 年，中鐵十六局集團的翟大勤等[6]針對當(dāng)時海拔排名亞洲第一的大坂山隧道的設(shè)計和施工中的防排水問題做了專題研究，提出了復(fù)合式防水體系，排水系統(tǒng)由土工布縱橫纖維網(wǎng)格PE230S、排水板溝槽、片石盲溝、豎向泄水孔和正洞下方的防寒泄水洞組成。2001 年，鐵道部專家組[7]第一次開發(fā)并應(yīng)用防寒泄水洞技術(shù)。在低溫狀態(tài)下富水環(huán)境極易發(fā)生凍脹破壞，該項目的設(shè)計者提出在主洞的底部5 m 處先開挖一條斷面較小的隧道，在拱腰和拱頂部位預(yù)留泄水孔，與上部主洞結(jié)構(gòu)預(yù)留的排水體系相連接，貫通形成完整的排水系統(tǒng)。由于防寒泄水洞與排水溝相比斷面較大，洞口還有保溫措施，能夠保證長年不解凍，能及時地將主洞的排水系統(tǒng)的滲漏水排出洞外，避免了主洞襯砌結(jié)構(gòu)背后不積水，這樣就能及時將地下水對隧道二襯形成的壓力消減。2009 年，重慶交通大學(xué)的張亞興[8]對嘎隆拉隧道做了防排水和抗防凍技術(shù)措施的研究，為嘎隆拉隧道防排水系統(tǒng)設(shè)計提出了防寒泄水洞方案和縱向中心深埋水溝方案。目前，高海拔寒區(qū)隧道排水系統(tǒng)設(shè)計也主要是采取這兩種方案。

本研究以敦格鐵路塞什騰隧道為工程背景，在調(diào)研多種寒區(qū)隧道排水系統(tǒng)方案的基礎(chǔ)上，分析這些方案的排水效果和在高海拔寒區(qū)的適應(yīng)性，研究該鐵路隧道排水系統(tǒng)的防寒設(shè)計。

2 工程概況

敦格鐵路塞什騰隧道位于青海省塞什騰山的中段，團結(jié)村的西南側(cè)，距離高泉煤礦約1.5 km。起訖里程為DK309+058～DK316+314，長7 256 m。

隧道經(jīng)過范圍地層巖性主要有：第四系上更新統(tǒng)洪積細(xì)角礫土，奧陶系上統(tǒng)片理化蝕變安山巖，震旦系中統(tǒng)片巖、大理巖夾片巖，華力西期花崗巖及斷層角礫巖。本區(qū)屬于塞什騰山褶帶，地質(zhì)構(gòu)造活動強烈，地質(zhì)情況復(fù)雜，巖漿活動復(fù)雜多變，斷層、褶皺構(gòu)造較為發(fā)育，具有長期、多次、反復(fù)活動的特點，整體形態(tài)呈一反“S”型構(gòu)造。隧道在DK310+000～DK310+220（220 m）、DK311+210～DK311+450（240 m）和DK314+050～DK314+400（350 m）段落，隧道受f11、f12、f13 斷層影響，巖體破碎，節(jié)理發(fā)育。預(yù)測隧道正常涌水量Q＝787m3/d，最大涌水量2361m3/d。

隧道所在區(qū)屬于典型的高原大陸性荒漠氣候區(qū)，有高寒缺氧、干旱溫涼、少雨多風(fēng)、氣溫日差較大、四季不分明、冬季漫長的特點。年平均氣溫1.9 ℃，最冷月平均氣溫為-13.1 ℃；極端最低氣溫-34.2 ℃；年平均降水量82.6 mm、年最大降水量164.9 mm；年平均蒸發(fā)量1 806.0 mm，年最大蒸發(fā)量2 343.7 mm；最大風(fēng)速24.3 m/s；最大積雪厚度10 cm，最大凍結(jié)深度200 cm。隧道所在區(qū)域?qū)儆诘湫偷母吆０魏畢^(qū)。

3 保溫防寒排水措施設(shè)計

充分考慮塞什騰隧道的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)情況，塞什騰隧道采用復(fù)合排水系統(tǒng)的方式設(shè)計。（1）全隧道采用雙側(cè)雙層蓋板保溫水溝，兩端洞口各1200 m范圍在保溫水溝兩層蓋板間填充袋裝瀝青玻璃棉保溫。（2）低端洞口設(shè)置600 m 的防寒泄水洞+600 m的深埋中心水溝，使洞內(nèi)水及時排出洞外。（3）隧道設(shè)置深埋中心水溝地段環(huán)向盲溝直接引入中心水溝，避免洞外水流入洞內(nèi)，產(chǎn)生凍害。該設(shè)計方法突出重點防寒區(qū)域，施工方便，防寒措施有效。

3.1 深埋中心水溝設(shè)計

深埋中心水溝所在段落為DK315+114～DK315+714（600 m），穿越地層主要為華力西期花崗巖（γ4），顏色主要為淺肉紅色，長石主要為鉀長石，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，中粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造的完整性極差；中粗粒結(jié)構(gòu)，片狀構(gòu)造，密閉性的節(jié)理裂隙特發(fā)育，由于風(fēng)化作用，表層的花崗巖片理化現(xiàn)象明顯，局部甚至可見鱗片狀剝落。風(fēng)化層厚度較大，山體多呈渾圓狀。強風(fēng)化層：Ⅳ級軟石，σ0=400 kPa。弱風(fēng)化：Ⅴ級次堅石，σ0=800 kPa。圍巖級別為Ⅲ、Ⅳ級。無不良地質(zhì)和特殊巖土。

根據(jù)工程經(jīng)驗3 m 以下即可達(dá)到抗凍效果[9-10]，該隧道深埋中心水溝埋置于軌面以下3.75 m，能夠滿足基本的設(shè)計要求。另外深埋中心水溝上方設(shè)置2 m 寬的PU 聚氨酯保溫層，有效提高了中心水溝的抗寒能力。設(shè)置深埋中心水溝地段環(huán)向盲溝直接引入中心水溝，盲溝間距5 m。洞外設(shè)深埋保溫暗管引排地下水，并設(shè)置了保溫出水口。不同圍巖級別深埋中心水溝設(shè)置如圖1 所示。

圖1 塞什騰隧道深埋中心水溝（單位：cm）

3.2 泄水洞設(shè)計

3.2.1 泄水洞支護參數(shù)設(shè)計

泄水洞所在段落為DK315+714～DK316+314（600 m），地質(zhì)情況同DK315+114～DK315+714 段，隧道中線左側(cè)10 m 處設(shè)置防寒泄水洞。間隔210 m設(shè)置16 m 穿越鐵路的橫向泄水洞，隧道中線處內(nèi)軌頂面距橫向泄水洞仰拱填充線為6 m，設(shè)5%的縱坡，與正洞位置關(guān)系如圖2、圖3 所示。隧道洞內(nèi)泄水洞段落設(shè)置大避車洞里程兩側(cè)水溝底并排預(yù)埋兩根鑄鐵管，將側(cè)溝水引入泄水洞。

圖2 塞什騰隧道泄水洞與正洞示意圖（單位：cm）

圖3 塞什騰隧道泄水洞平面布置圖

泄水洞襯砌斷面詳如圖4、圖5 所示，支護參數(shù) 詳見表1、表2。

圖4 塞什騰隧道縱向泄水洞襯砌斷面圖（單位：cm）

圖5 塞什騰隧道橫向泄水洞襯砌斷面圖（單位：cm）

表1 縱向泄水洞支護參數(shù)表

表2 橫向泄水洞支護參數(shù)

3.2.2 泄水洞結(jié)構(gòu)安全計算

（1）計算模式及作用荷載。采用“荷載—結(jié)構(gòu)”模式，作用在襯砌上的荷載有地層壓力、結(jié)構(gòu)自重，不計水壓力、偶然荷載等其他荷載。

（2）基本假定。假定襯砌為小變形彈性梁，襯砌為離散足夠多個等厚度直桿梁單元，用布置于各節(jié)點上的彈簧單元來模擬圍巖與襯砌的相互約束；假定彈簧不承受拉力，即不計圍巖與襯砌間的粘結(jié)力；彈簧受壓時的反力即為圍巖對襯砌的彈性抗力。

3 計算結(jié)果

計算中考慮初期支護的作用，取作用在襯砌上的荷載為計算土壓力的70%，計算結(jié)果見表3。

表3 不同圍巖級別襯砌最不利位置的安全系數(shù)

根據(jù)計算結(jié)果可知，在Ⅲ級、Ⅳ級圍巖中，襯砌最不利位置安全系數(shù)均大于2.4，滿足襯砌結(jié)構(gòu)安全性要求；在Ⅴ級圍巖中襯砌最不利位置安全系數(shù)小于2.4，考慮改置為墻腳，設(shè)計中采用構(gòu)造筋加強，可以滿足襯砌結(jié)構(gòu)安全要求。

4 保溫水溝及保溫出水口設(shè)置

全隧道采用雙側(cè)雙層蓋板保溫水溝，低端洞口設(shè)檢查井、保溫暗管。水流經(jīng)洞內(nèi)保溫水溝流入中心水溝，再流向泄水洞，通過洞外深埋保溫暗管排走，保溫暗管出口設(shè)置保溫出水口，保溫出水口結(jié)合現(xiàn)場地形宜設(shè)置在背風(fēng)向陽處，確保冬季不結(jié)冰。雙層蓋板保溫水溝如圖6 所示。

圖6 塞什騰隧道保溫水溝詳圖

5 結(jié)論

縱觀已建成的國內(nèi)外高海拔寒區(qū)隧道，洞口段設(shè)置防寒泄水洞的做法，保溫效果明顯，可以起到很好的防寒、排水作用。洞口段設(shè)置中心深埋水溝的做法，工程造價增加不多，保溫效果也較明顯，但在單線鐵路隧道內(nèi)，特別是洞口地質(zhì)條件差、凍結(jié)深度大且富水地層中，深埋中心水溝施工難度大。高海拔寒區(qū)單線隧道洞身段設(shè)置保溫水溝、洞口段采用中心水溝+泄水洞的防寒、排水做法，在洞口地質(zhì)條件差的情況下，既可保障施工安全，也可以節(jié)省工程投資，對以后修建高海拔寒區(qū)單線隧道具有直接的借鑒作用和參考價值。