摘要：近年来，我国铁路工程的建设规模不断扩大，其中在寒区及严寒地区修建的铁路隧道工程特别是高速铁路隧道工程的数量和长度也在随之急剧增加，铁路隧道防排水系统的防寒设计和施工是该地区隧道工程修建过程中面临的重点和难点。文章以严寒地区大量的既有线和拟建铁路隧道工程为研究对象，通过对其广泛存在的多种冻害情况进行认真的对比、分析和研究，将寒区及严寒地区隧道工程防排水技术的成果予以归纳和总结，同时也为今后这一类型课题的进一步深入研究提出合理化建议。
关键词：严寒；隧道工程；防排水
前言：随着隧道工程技术的进步，严寒地区隧道防排水技术水平也在不断提升，我们以大量总结严寒地区隧道防寒工程经验为基础，结合工程实践，不断改进与完善新建隧道特别是高速铁路隧道防排水的研究思路。本文重点从气象条件、温度变化梯度、地层加固、结构的防排水系统等方面进行分析和研究。
1.寒区及严寒地区既有铁路隧道工程防排水现状
1.1寒区及严寒地区既有铁路隧道工程防排水状况
统计资料显示，严寒地区20世纪50年代之前修建的铁路隧道工程中，由于这些隧道修建时间较长，绝大多数均存在冻害情况。其中在严寒地区就有约45%的铁路隧道存在冻害，约占这一区域隧道总长度的40%。
上述类型区域多属于季节性冻土，冬季冻结，夏季融化，多年冻土较少遇见。在这种环境状况下出现的常见隧道冻害现象主要有挂冰、冰椎、冰塞、冰楔、围岩冻胀、衬砌混凝土冻融破坏、衬砌冷缩开裂等，除混凝土冻融引起劣化外，还有因衬砌背后围岩冻结引起的隧道变异，这是隧道冻害的基本特征，也是一个十分重要的问题。
隧道漏水或结冰，造成衬砌混凝土劣化和变异，降低通信信号、电力等设备和钢轨及扣件等的耐久性。漏水会使衬砌背后的土砂流失，而在衬砌背后形成空洞，并进一步产生偏压、路基下陷等。而在寒冷地区，结冰更加剧了对列车运行安全的威胁，对线路维修人员的行走和作业都造成一定的困难。同时，衬砌背后围岩的冻结会造成衬砌的破坏。
1.2寒区及严寒地区铁路隧道工程防排水技术的研究方向
气象条件与温度变化梯度研究：气温、风向、气压等气候参数直接影响隧道防排水防冻措施，在工程设计中，隧道设计所依据的气象资料是根据有气象记载的气象站资料，与实际工程所处点的工程条件可能有一定差异，比如东北地区某隧道，气象资料最冷月平均气温为-12.69℃，极端最低气温为-33℃，施工过程中，施工单位观测的最低气温远低于-33℃。
因此，设计中需要考虑到这种差异，建议在勘察阶段对隧道洞口的风向、气温等气象资料进行个别收集或者根据附近气象点资料进行气象资料取值的专门研究。
运营隧道内温度变化梯度目前没有规范性指导意见，《铁路工程设计技术手册（隧道）》[1]中认为采取保温措施的水沟可仅在两端洞口150～400m范围采用保温措施。《寒冷地区铁路隧道防止冻害的基本措施》中指出，隧道内结冰发生区域（距洞口）为1800m。
工务部门认为，隧道内发生冻结现象的范围在距离洞口1～2km内，滨绥线杜草隧道3.9km（双洞单线）和滨洲线兴安岭隧道3.1km（双洞单线），全隧道冬节都有挂冰现象，全隧道均修建了中心深埋水沟[2]。
同时，随着隧道断面不断增大，隧道内通过的列车速度不断提高，隧道内外空气热交换进一步加剧，隧道内温度梯度变化情况研究也是十分必要的。
2.防水设计研究
2.1地层加固研究与结构防排水系统研究
隧道衬砌结构背后存水后，如果不能及时排出洞外，冬季结冰是难以避免的，岩石隧道本身几乎无冻胀性的，有冻胀性的地层一般是黏性土和细颗粒土，而且其冻胀性随含水量的增大而增强。隧道洞口地层往往是各类土层或岩石经严重风化形成的土层，本身具有一定的冻胀性。
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因此，研究冻胀性的地层的加固效果，改善其密实性，降低其透水，减小隧道周围冻融对隧道结构耐久性的影响，是严寒地区防冻的重要措施。
目前，寒冷及严寒地区铁路隧道结构与温和地区的隧道结构基本没有区别，隧道结构仍采用“防、排、截、堵结合”的原则，如温度很低的严寒地区防寒段的保温侧沟在冬季基本被冻死，但隧道结构在水沟部位还是采用泄水孔从隧道周围的围岩向隧道内侧沟排水，因此有必要研究严寒地区隧道不设泄水孔的结构设计。
隧道结构自身的抗渗与防冻措施也是有必要研究的，根据东北地区既有铁路隧道调查结果，洞口段衬砌开裂现象十分普遍，一方面是当时的模筑衬砌施工造成衬砌混凝土不均匀而导致开裂，另一方面与衬砌经受温度变化混凝土收缩所致。
温度变形缝的设置可以减小温度收缩，但对低温情况下变形缝防水也带来一定的考验，这些问题也是值得研究的[3]。
2.2洞内防水设计
确立衬砌结构自防水为根本，主体结构的抗渗等级为P10。当隧道地处最冷月平均气温低于-15℃的地区时，隧道二次衬砌混凝土等级提高一级。隧道拱墙初期支护和二次衬砌之间防水采用EVA或ECB防水板，防水板厚度不小于1.5mm，无纺布密度为不小于350g/m2。长隧道地下水发育，必要时采用径向注浆方式加固隧道周圈地层，把地下水阻隔于地层最大冻结深度以外，防止地下水冻涨引起隧道结构受损；施工缝变形缝防水：当隧道地处严寒地区时，长度小于2km的隧道纵向每隔30～60m设置温度变形缝一道；长度大于2km的隧道，两端洞口气温影响范围内每隔30～60m设置温度变形缝一道。为保障施工缝及变形缝防水的可维护要求，保温段施工缝及变形缝的防水加设可维护注浆管。
2.3洞内排水设计
当-5℃＜t≤-3℃时，洞口段设长度不小于100m的保温水沟。
当-10℃＜t≤-5℃时，洞口段设长度不小于500m的保温水沟。
当-15℃＜t≤-10℃时，洞口段设长度不小于300m的中心深埋水沟或防寒泄水洞，设置长度不小于100m的保温盲沟，设置长度不小于1000m的保温水沟，设置中心深埋水沟或防寒泄水洞段，洞内水沟侧壁不再设置泄水孔。
当t≤-15℃时，洞口段设长度不小于500m的中心深埋水沟或防寒泄水洞，设置长度不小于500m的保温盲沟，设置长度不小于2000m的保温水沟，设置中心深埋水沟或防寒泄水洞段，洞内水沟侧壁不再设置泄水孔。
另外除了考虑上述原则及相应措施，还应从隧道防、排水工程的可维护性的角度着手进一步完善和改进，为了保障寒冷及严寒地区隧道运营期间防排水的易于维护要求，建议采用以下方法：
在设置中心深埋水沟和防寒泄水洞的段落，每隔30m设置一座检查井，检查井宜结合避车洞设置。
施工缝及变形缝处埋设可维护注浆管，保证防水效果。双侧保温水沟的保温材料采用20～25cm长条状保温材料。出水口表面用沥青刷涂，冬季可用稻草覆盖。
3.结语
隧道的防排水施工技术是隧道正常使用的一项必备措施，尤其在严寒地区，为了确保隧道内的畅通，就必须在这项技术上加大研究，同时加强开发力度。隧道的防排水处理也是衡量隧道工程质量和品质的一个重要指标，同时也是确保行车和维修人员安全的重要保障，对于这类技术不仅要使用，还要不断完善，在保证施工质量的前提下，争取提高隧道施工工程的品质，在现有的基础上更好地为人们服务。
参考文献：
[1]吕康成，崔凌秋.隧道防排水工程指南[M].北京：人民交通出版社，2007（1）：336-338.
[2]吴永全.隧道防排水技术与施工探讨阻[J].北方交通，2015（12）：533-534.
[3]张小华.公路隧道防排水问题研究[J].交通世界，2016（2）：66-67.
论文作者:李习春
论文发表刊物:《基层建设》2019年第7期
论文发表时间:2019/6/25
标签：隧道论文; 严寒论文; 水沟论文; 地区论文; 洞口论文; 工程论文; 冻害论文; 《基层建设》2019年第7期论文;