车宝华 周小涵

(1.中铁二十三局集团第二工程有限公司，内蒙古 齐齐哈尔 161000;2.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031;3.中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北 武汉 430050)

寒区铁路隧道受到寒冷气候的影响，容易发生周期性的冻融循环，加载卸载作用将对隧道主体结构尤其是洞口结构造成严重破坏，极易造成隧道衬砌挂冰、道床积冰、底鼓等病害，严重危及行车安全［1］。水是隧道发生冻害的基本条件，中心深埋水沟在东北寒区隧道的建设中被广泛应用，其主要作用是及时排出隧道结构周边积水，从根本上避免冻害。都强［2］结合现场施工，系统总结了隧道深埋水沟施工工序及施工控制技术，并指出加快深埋水沟施工速度，减少对隧道拱墙初期支护的影响，是确保施工安全的重点。杨昌贤等［3］指出，选用适于低温且柔韧性、抗压性能好的防水板材料，隧道全长或者洞口段一定范围内设置处于冻结线以外的中心深埋水沟和环向盲沟有利于寒区隧道的防冻。王先义等［4］对防寒泄水洞的施工特点以及和主洞的相互影响进行了计算和分析，得到了最佳施工进尺。本文选择隧道工程中较为棘手的浅埋偏压问题，应用有限元方法计算了浅埋偏压隧道中心深埋水沟的受力特性，分析了中心深埋水沟的开挖对隧道整体变形的影响。结合东北寒区铁路隧道实际施工情况，对中心深埋水沟施工过程中的重点和难点问题进行了总结。

1 中心深埋水沟计算模型

1.1 工程概况

以某寒区铁路隧道为例，计算断面处于浅埋偏压段，由于浅埋偏压段隧道代表了较大的施工难度，所以本算例有代表性。隧道洞身多位于英安斑岩、安山岩中风化带，覆土部分多位于硬塑粉质粘土等地层，地下水主要为基岩裂隙水，赋存于风化层中，受大气降水补给，也存在部分浅埋段地层水量较大。根据历史气候数据显示，该地区历年年平均气温为3.4 ℃，历年最冷月平均气温为－18.1 ℃，按对铁路工程影响的气候分区，属严寒地区。主风向为东西向，最大积雪深度47 cm，土壤最大冻结深度241 cm，历年平均年降水量558 mm。中心深埋水沟位于隧道轨面线以下4 m。

按照隧道施工步骤，分隧道洞身开挖、施作初衬、中心深埋水沟开挖和施作二衬等几个步骤，应用有限元计算软件进行分步计算，总结其受力规律，材料参数表如表1 所示。隧道模型中，采用实际地面线，隧道底部范围采用4 倍洞身高度，计算模型见图1。

表1 隧道结构材料参数表

1.2 结果分析

对隧道洞室开挖—初支—中心深埋水沟开挖—回填支护全过程进行计算。取变形最大的阶段，即中心深埋水沟开挖后的变形与其开挖之前的变形进行对比。计算结果云图如图2 和图3 所示。

图1 隧道计算模型网格划分

图2 隧道中心深埋水沟开挖前后水平变形云图

图3 隧道中心深埋水沟开挖前后竖向变形云图

分析计算结果可知，中心深埋水沟的开挖对浅埋偏压隧道整体的变形有较大影响。其中，最大水平位移由开挖前的1.61 ×10－3m 变为2.06 ×10－3m，增大28%;最大竖向位移由开挖前的6.13 ×10－4m 变为1.02 ×10－3m，增大66%，影响显著。虽然在本例计算中，由于中心深埋水沟的开挖导致的变形量仍然在规范容许范围内，但由于其施工的难度和施工时间的不可控性，施工单位在具体施作中心深埋水沟的过程中仍需要提高警惕。

2 施工关键技术

中心深埋水沟需置于最大冻结线以下，在较差地层施工时，初期支护仰拱无法及时封闭，易导致初期支护变形过大甚至开裂;在较好地层施工时，需采用爆破手段，容易引起初期支护拱墙失稳［5］。同时，中心深埋水沟的开挖确实有使隧道结构变形过大的风险。所以，总结东北寒区铁路隧道施工技术，根据相关工程经验，在新建铁路建设中:长度小于2 km 的隧道，隧道通长中心水沟采用中心深埋水沟;长度大于2 km 的隧道，当隧道为人字坡时，进出口1 000 m 范围段采用中心深埋水沟，当隧道为单面坡时，距低洞口1 000 m 范围段采用中心深埋水沟，其余段采用一般中心排水沟。其中的关键技术有:1)深埋水沟排水位须位于冻结线以下，深埋水沟坡度与对应位置线路坡度一致。中心深埋水沟壁厚应加大，且在其管壁上预留泄水孔，水沟外要用土工布包裹。排水横沟采用配筋圆管，壁厚也应加大。2)中心深埋水沟通过排水横沟与环、纵向盲管连接，横沟坡度不小于3%。3)排水横沟与隧道结构底板或仰拱之间采用C20 混凝土回填。4)施工中，保证中心深埋水沟、排水横沟的回填不破坏保温，且保证其渗水性，防止石屑、泥沙渗入水沟引起水沟淤积。5)排水管接头采用钢丝网水泥砂浆抹带接口。回填碎石，应回填密实，优先选用卵石回填。6)开挖过程中严格分步开挖，并严格控制施工时间，不能使初支长时间处于悬空状态，而使变形增大。7)在坚硬岩石段，施工中对爆破严格控制，避免造成中心深埋水沟扩挖。

3 结语

1)由本文有限元计算结果可知，中心深埋水沟的开挖对浅埋偏压隧道整体的变形有较大影响。其中，最大水平位移增大28%，最大竖向位移增大66%，影响显著。2)为了保证中心深埋水沟施工的安全性，应注意以下几点:保证中心水沟的深度、坡度和长度，保证其回填的保温性和渗水性;施工中防止石屑、泥沙渗入水沟引起水沟淤积;开挖过程中严格分步开挖，并严格控制施工时间，不能使初支长时间处于悬空状态，而使变形增大;坚硬岩石段，对爆破严格控制，避免造成中心深埋水沟扩挖。

［1］夏 勇，马志富.严寒地区隧道防排水改进措施探讨［J］.铁道标准设计，2012(S1):27-29.

［2］都 强.严寒地区隧道深埋水沟施工技术［J］.铁道建筑，2014(10):59-61.

［3］杨昌贤，夏 勇.浅谈严寒地区隧道防排水设计［J］.中国高新技术企业，2012(1):60-62.

［4］王先义，徐小涛.对寒区隧道防寒泄水洞的一些探讨［J］.水利与建筑工程学报，2013(6):127-130.

［5］朱国伟.寒冷及严寒地区铁路隧道防排水设计探讨［J］.铁道工程学报，2013(1):49-53.