张旭珍(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安　710043)



关角隧道排水设施冻害原因分析及处理方案研究

张旭珍
(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安710043)

摘要:关角隧道地处青藏高原，属于严寒地区，隧道开通运营后洞口排水沟就出现了冻害，对行车安全构成了严重威胁。本文详细介绍了关角隧道排水沟冻害情况，分析了其产生的原因，对加热、截流、加强洞内保温措施三种处理方案进行了比选，选择了水沟加热方案。实践证明，严寒地区隧道洞口段排水沟内采取电伴热带加热防止水沟冻害的措施行之有效，可在类似工程设计中推广应用。

关键词:严寒地区隧道水沟冻害电伴热带

随着交通事业的快速发展，我国北方严寒地区出现了大量的交通隧道。调查资料显示，目前已经开通运营的寒区交通隧道中，有80%以上都存在各种各样的冻害现象。隧道内排水沟的冻害问题作为寒区隧道的病害之一，严重影响了隧道结构及行车安全。1989年建成的甘肃七道梁公路隧道，由于冬季气候寒冷，排水沟冻结而使隧道排水不畅，造成衬砌背后产生冻胀现象，诱发衬砌混凝土开裂、隧道渗漏、路面结冰，虽经多次整治，但无法根除冻害［1］。东北巴新铁路阿贵庙山隧道刚完成铺轨就出现了由于水沟冻结导致道床积水结冰而影响正常通车的情况［2］。内蒙古集包二线八苏木隧道开通运营不久洞口1 200 m范围内的水沟即出现了冻结现象，局部地段水溢出水沟盖板后导致道床结冰，严重影响了行车安全［3］。本文以关角隧道为例，分析水沟冻害产生的原因，探讨最佳处理方案。

1　工程概况

青藏铁路西宁—格尔木增建二线的控制性工程关角隧道为目前我国最长的铁路隧道，也是世界最长的高原铁路隧道，全长32.69 km，为两座平行的单线隧道，线间距40 m。隧道进口位于青海省天峻县天棚车站附近，洞口里程DK280 + 505，轨面标高3 380.26 m，极端最低气温－35.8℃，最冷月平均气温为－13.5℃，年平均气温－0.5℃，最大冻结深度为299 cm。根据设计规范［4-5］结合既有关角隧道水沟冻害情况，洞口2 000 m范围内的排水沟铺设了保温材料(图1)，洞外采用了保温暗管的排水方案。开工后由于隧道涌水量发生了很大的变化，进口端正常涌水量达到了238 954 m3/d，导致隧道水沟无法满足正常排水的需要。为此，在Ⅱ线隧道右侧距Ⅱ线线路中线25 m处设置了一座长8 060 m的泄水洞，分别在2号斜井和3号斜井井底附近设置了联络排水通道，将Ⅰ，Ⅱ线隧道水沟内的流水直接导入泄水洞，以减小洞口段水沟的排水压力。洞外距洞口25 m处在Ⅰ，Ⅱ线线路道床下设置一矩形排水涵洞，洞内水沟及泄水洞的流水均排入矩形涵洞内，再通过长1 370 m的排水暗管将水直接排入布哈河内［6］。

图1　保温水沟

2　冻害情况

关角隧道于2014年12月28日开通运营，2015年1月1日德令哈工务段发现隧道Ⅰ，Ⅱ线进口段水沟内均出现了不同程度的结冰现象(图2)。起初调查发现Ⅱ线隧道距洞口约90 m范围水沟结冰，Ⅰ线隧道距洞口约110 m范围水沟结冰，均是左侧水沟较右侧水沟严重。后随着运营时间的逐步加长和持续的低温天气，结冰的范围不断向洞内延伸。最终调查后发现，Ⅰ线隧道左侧水沟自洞口至DK282 + 000段(1 495 m)结冰比较严重，DK282 + 000—DK282 + 900段(900 m)结冰比较轻微;Ⅰ线隧道右侧水沟自洞口至DK281 + 700段(1 195 m)结冰比较严重，DK281 + 700—DK282 + 900段(1 200 m)结冰比较轻微。Ⅱ线隧道两侧水沟自洞口至DyK281 + 300段(795 m)出现了结冰，最为严重段落为DyK280 + 570—DyK280 + 603段，水沟内的水已漫至道床上并出现了结冰现象(图3)，冰面距轨顶40 mm。水沟冻害平面示意如图4。

图2　水沟结冰

图3　道床结冰

图4　水沟冻害平面示意

3　原因分析

3.1气温的骤变

关角隧道进口段道床发现结冰时间为2015年1月1日，由于隧道进口至2号斜井联络排水通道间的水沟内水量很小，从水沟开始结冰到完全堵塞后外溢至道床需要一定的时间。2014年12月18日关角地区的气温降至了－34℃，接近极端最低气温。气温的骤变导致了水沟结冰，然后在持续低温环境下，水沟内的结冰一直积累，直到水沟全部堵塞后漫至道床面结冰。

3.2洞口位置

关角隧道进口端洞口处于一缓坡处，地形开阔，洞口朝向东北方向(背阴)，冬季日照时间较短。加之关角地区冬季的主导风向为北风，在长时间寒风的灌入下，隧道洞口至洞内一定范围内的温度在很长一段时间处于0℃以下［7］。

3.3水沟水量过小

关角隧道进口段有10 km地段处于富水地段，涌水量大，为了保证运营安全，在进口段设置了长8 060 m的泄水洞，将大部分水导入泄水洞排走，洞口段水沟内的水量减小，流速降低，加大了水沟结冰的概率。

3.4保温材料施工不规范

关角隧道洞口2 000 m范围内排水沟双层盖板间铺设绝热用挤塑聚苯乙烯泡沫塑料(XPS)板做为保温材料，保温板要求上下两层间的对接缝必须错开，且不能将碎块拼接在一起。现场调查时发现很多地方采用了保温板的边角料(图5)，降低了保温效果。

图5　水沟保温板

3.5水沟质量缺陷

从现场对冻害地段的水沟调查发现，大部分段落水沟底部高低不平、垃圾较多，导致水沟雍水，流速降低，加大了水沟冻害的发生概率。

3.6列车活塞风的影响

关角隧道开通运营后，列车速度达到了120 km/h，列车高速进洞时将洞外的寒冷空气带入洞内，使洞内寒冷空气影响长度增大且连续。现场试验资料显示，距洞口800 m处正常气温为－7℃，列车通过5 min后测试的气温为－9℃。

4　处理方案

4.1水沟加热方案

目前国内外的严寒地区已有在隧道水沟内设置电伴热带，通过加热升高水沟内的温度，防止水沟结冰的案例。我国东北的巴新铁路阿贵庙山隧道、内蒙古集包二线八苏木隧道、兰新高铁大坂山隧道及国外挪威的部分隧道均在水沟内安装了电伴热带［8-9］。该方案实施简单、效果明显，在线路运营的情况下，可以利用天窗时间进行施工，对行车安全不会构成威胁。

4.2水沟截流方案

关角隧道DK280 + 505—DK280 + 910段位于第四系冲积细砂地层。施工揭示，该地层不含地下水，不存在地下水向隧道排泄的情况。隧道进口段水沟内的水主要是DK280 + 910—DK285 + 010(2号斜井交叉口)范围内的地下水。故该方案拟在DK280 + 910处Ⅰ，Ⅱ线隧道的仰拱下方设置排水通道，将两线隧道水沟内的水全部排入排水通道后再排入泄水洞内。但该方案存在以下缺点:

1)从目前的病害范围来看，Ⅰ线隧道水沟结冰比较严重的范围长达1 500 m，DK280 + 910处于水沟结冰严重地段，如果在该处设置排水通道，还是无法解决水沟结冰的难题。

2)在运营隧道的下方施工，可能会造成无砟轨道的开裂或少量下沉，有可能影响正常行车。

3)隧道水沟与排水横通道的连接不严密，会导致隧道水慢慢渗入细砂地层，长时间后可能会导致隧道少量下沉，影响行车安全。

4.3加强洞内保温措施方案

隧道的洞内排水沟按保温水沟要求重新施作，保温水沟顶面、电缆槽的侧面和顶面采用15 cm厚的高硬度保温板覆盖，保温板之间的缝隙采用聚氨酯发泡胶进行填充和固定［10］。该方案不但增加了工务部门正常维修的难度和费用，同时又无法保证保温效果。

4.4采用方案

鉴于关角隧道已开通运营，从多方面综合考虑后认为，水沟加热方案为最佳方案。

5　水沟加热方案设计

5.1方案1

进口段水沟结冰影响范围为Ⅰ线隧道2 400 m，Ⅱ线隧道800 m。为了彻底根治，Ⅰ线隧道2 410 m、Ⅱ线隧道870 m范围内均布置MIC-2-380-35型功率为35 W/m的电伴热带。洞口100 m范围内布置3根电伴热带，其中1根直接进入检查井并在井壁上盘绕，为检查井起到保温的作用，其余2根延长至检查井内即可。其余地段每条水沟内均按照2根布置。该方案Ⅰ线隧道采用电伴热带10 020 m，功率为350.7 kW，Ⅱ线隧道采用电伴热带3 860 m，功率为135.1 kW，Ⅰ，Ⅱ线共采用电伴热带13 880 m，总功率为485.8 kW。

5.2方案2

隧道进口段水沟发生冻害的主要原因之一是水沟内水量小、流速低。虽然Ⅰ线隧道水沟结冰影响段落长达2 400 m，除左侧水沟距洞口1 500 m范围、右侧水沟距洞口1 200 m范围内水沟结冰比较严重外，其余地段水沟内结冰比较轻微(部分中间段落无结冰现象)。为节省工程投资和后期维修费用，Ⅰ线隧道1 530 m，Ⅱ线隧道870 m范围内布置电伴热带，通过电伴热带融冰，确保行车安全。待气温回升后，通过调节水沟内的水量，加大流速来消除水沟结冰。电伴热带为MIC-2-380-35型，功率35 W/m。洞口100 m范围内布置3根电伴热带，其中1根直接进入检查井并在井壁上盘绕，为检查井起到保温的作用，其余2根延长至检查井内即可。其余地段每条水沟内均按照2根布置。该方案Ⅰ线隧道采用电伴热带6 500 m，功率为227.5 kW，Ⅱ线隧道采用电伴热带3 860 m，功率为135.1 kW，Ⅰ，Ⅱ线共采用电伴热带10 360 m，总功率为362.6 kW。

5.3方案比选

从现场调查的冻害分布段落及冻害严重程度可以看出，隧道水沟出现冻害的主要原因是由于排水沟内水量太小、流速过低，洞口水沟结冰堵塞后向洞内延伸后导致的，两个方案都可以彻底整治。但方案2采用了电伴热带和水量调节相结合的措施，降低了能源消耗，如果每年加热周期按照3个月、每天加热时间按照8 h考虑，仅电费一项每年就可节省约13万元，效果比较显著，故采用了方案2。

6　效果分析

隧道进口段水沟冻害抢险完成后立刻在水沟内安装了电伴热带。后期的观测数据显示，水沟内的温度一直保持在0℃以上，保温效果做得比较好的地段水沟内的温度达到了9℃，水沟未再出现结冰现象，达到了预期的目的。

7　结语

1)经过现场实际跟踪观测以及数据采集、分析显示，隧道水沟安装电伴热带是一种安全可靠的措施，不仅使排水沟冬季得以恒温通流，而且为铁路安全运行提供了保障。

2)从目前国内采用电伴热带的隧道来看，基本上都是隧道水沟出现冻害后在迫不得已的情况下采用的，配套电源很难解决，增加了施工的难度。建议在位于严寒地区的隧道中，设计阶段就将电伴热带纳入，避免在运营阶段出现冻害后再被动进行整治。

3)隧道水沟内安装电伴热带时建议同时安装上自动控温装置，该装置可根据水沟内的温度自动开启和关闭电伴热带，不但杜绝了水沟冻害的发生，而且节约了能源，降低了维修人员的劳动强度和维修费用。

参考文献

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［10］王飞，谢洪新，张胜.高海拔寒区隧道保温材料的选型分析［J］.铁道建筑，2012(7):54-57.

(责任审编葛全红)

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

作者简介:张旭珍(1976—)，男，高级工程师。

基金项目:铁道部科技研究开发计划(2008G030-A)

收稿日期:2015-06-10;修回日期:2015-12-31

文章编号:1003-1995(2016)03-0086-04

中图分类号:U453.6

文献标识码:A

DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2016.03.21