高寒地区隧道洞口段水沟防冻结措施探讨

Engineering Technology and Application| 工程技术与应用 | ·67·2017年6月高寒地区隧道洞口段水沟防冻结措施探讨邵长雨（中铁六局集团有限公司，北京 100067）摘 要：文章以内蒙古集包线某隧道为例，从隧道洞口水沟冻结产生原因、处理方法、处理效果等方面，介绍了位于高寒地区隧道洞口段水沟采用单一保温措施存在排水冻结的问题及处理措施。

通过在水沟原有保温措施的基础上，增加了自控温电伴热系统的加温措施，从而有效解决了隧道洞口段水沟冬季排水冻结问题。

实践证明，所采用的处理措施在高寒地区隧道洞口段水沟方冻结处理方面实施效果良好。

关键词：隧道水沟；冻结；预防；电伴热系统中图分类号：U45 文献标志码：A 文章编号：2096-2789（2017）06-0067-02位于高寒地区的富水隧道工程，通常由于隧道所处地理位置的日常气温较低，以及在隧道口部位风速较大，受冬季极端天气的影响，洞口段两侧排水沟极有可能发生冻结，导致隧道渗水不能顺利排出，而最终溢出水沟，进入道床，并形成冻结，影响行车安全，带来巨大的安全隐患。

因此，预防高寒地区隧道洞口段水沟排水冻结问题，是高寒地区隧道施工需要注意的一个重要事项。

文章结合集包线集宁隧道两侧水沟洞口段采取的保温措施进行简要介绍，以供参考。

1 工程简介京包铁路集宁至包头段增建第二双线工程某隧道工程，位于内蒙古自治区乌兰察布市集宁区，既有古营盘车站和葫芦车站之间，设计为两座并行单线隧道，左线长5875m，右线长6070m，为长达隧道。

左线隧道纵坡为人字坡，进口516m、4400m分别位于5.2‰、3‰单面上坡，出口959m位于3.0‰的单面下坡；右线隧道纵坡为人字坡，进口610m、5240m位于5.0‰、3‰单面上坡，出口220m位于3‰的单面下坡上，隧道最大埋深83m。

隧道所处位置气候属于中温带亚干旱气候区，春季干旱多风，沙尘频发；夏季短促而温热，昼热夜凉，日温差大；秋季较短，降温较快；冬季寒冷漫长。

阴雨风雪冰雹天气多变，霜冻时间长。

最冷月平均气温-13℃，最热月平均气温19.5℃，年平均气温4.3℃，多年平均降水量363.6mm；年平均蒸发量1988.5mm；瞬时最大风速33.0m/s，风向西南西；最大积雪厚度22cm；土壤最大季节冻结深度184cm。

该区地下水补给以大气降水为主，季节性强。

风化构造裂隙发育，接受大气降水的补给直接迅速，为地下水的赋存均提供了良好的条件。

本区地下水运移、排泄缓慢，隧道建成后将形成新的人工径流排泄系统，届时隧道通过区的地下水将涌入隧道，形成新人工排泄环境。

隧道进出口段两侧水沟1000m范围内设计为保温水沟，水沟内采用双层盖板，中间设40cm厚、30cm宽的聚氨酯保温材料，水沟侧壁厚9cm。

2 水沟冻结及处理某隧道于2011年12月份完成无碴道床施工。

由于2012年集宁地区气温极低，最低温度达到-32°，加上水沟内水流缓慢，导致从2012年1月份开始，该隧道进口段的水沟内流水产生冻结现象。

并且冻结厚度逐渐增加，水沟盖板及保温材料冻结在一起，盖板顶部冰块厚度达20cm，水沟不能发挥排水功能，最终水沟内的水逐渐漫出水沟盖板后流进道床与隧道侧沟之间的凹槽，并淹没道床，蔓延至道床顶面后造成水沟及道床大面积结冰，冰体卧在道床板上，部分钢轨及钢枕也覆盖冰层，结冰长度延伸至洞内约360m。

为了避免对道床造成冻涨破坏而影响行车，需要对水沟及道床上的结冰进行清理。

由于隧道内已经施工无碴轨道，普通大型轮式机械无法通行，并且结冰清理工作不能破坏水沟及无碴道床，不能使用大型机械设备。

因此洞内所有工作完全靠人工配合小型机械完成，运输工具为自制的轨道小平车，清理的冰块及其他杂物用小车运输至洞口外集中堆放，再由自卸汽车外运至指定的地点，凿除冰块时要尽可能的减少对水沟电缆槽及其盖板、保温材料的破坏。

不同部位的结冰清理方法如下：①道床与电缆槽之间的结冰采用风镐破碎，因为隧道内没有施工电源，采用小型内燃空压机作为动力；②道床顶面的结冰，较厚的地方，采用人工凿除，贴近道床面的，采用高压锅炉加热的蒸汽融化结冰，避免对道床及轨枕造成破坏；③水沟及电缆槽上的结冰，较厚地方采用风镐凿除，贴近盖板的，采用人工凿除；④保温材料处结冰，采用高压锅炉加热的蒸汽融化结冰，再将保温材料及3#盖板取出；⑤凿除水沟内的结冰，采用风镐破碎。

3 洞口段水沟预防冻结处理措施在我国，高寒地区隧道洞口段排水沟主要采用以下几种类型：中心深埋水沟、保温水沟、采暖水沟，以及保温水沟和采暖水沟相结合。

该隧道洞口段1000m范围内采用的是单一保温水沟类型，由于目前隧道内无碴道床已经施工完毕，并且面临开通运营，因此中心深埋水沟无法采用。

为保证冬季隧道洞口段水沟内的水顺利排出，避免再次发生冻结现象，甲方专门组织设计、监理、施工单位及相关外部专家现场踏勘后，召开专题会议，讨论如何解决该隧道洞口水沟内流水在冬季极端天气下冻结问题。

结合隧道的现状，以及其他高寒地区隧道水沟排水的经验，会上经过各方讨论，最终达成一致意见，制定了处理方案，即加大洞口50m范围内水沟底纵向坡度，并采用保温水沟与采暖式水沟相结合的方式，即在原设计保温基础上在水沟底增加自控温伴热电缆系统，由设计院编制《关于某隧道进口排水的补充设计》。

具体如下：①水沟内结冰清理完毕后，两侧水沟洞口50m范围内采用风镐凿除沟底部分混凝土，加大沟底坡度，并通过洞口保温暗管顺接至洞口检查井；②由具有相应资质的施工队伍在两侧水沟底安装自调控防冻结GM-2XT电伴热系统，每侧水沟各安装一根加热电缆，安装范围为洞口向隧道内1km范围；③电伴热系统安装完成并经过多次调试，确保没有问题后，方可依次安装下部盖板、保温材料及上部盖板，避免返工。

4 自控温电伴热系统工作原理及特点4.1 电伴热系统的应用由于电伴热温度梯度小，热稳定时间较长，适合长期使用，其所需的热量（电功率）大大低于电加热。

因此将电伴热作为一种有效的管道保温及防冻方案，在石油、DOI:10.19537/ki.2096-2789.2017.06.029| 工程技术与应用 | Engineering Technology and Application ·68·2017年6月化工、机械等企业开始采用电伴热产品，电伴热在我国工业中的应用越来越广泛。

近年来在隧道施工领域电伴热技术也逐渐被应用，就是隧道主动加热保温技术。

随着我国国力增强，铁路事业的不断发展，电伴热系统也开始应用在预防高寒地区的隧道水沟冬季结冰措施中。

4.2 系统组成隧道水沟电伴热系统由自调控伴热电缆GM-2XT 、防水防腐护套、金属屏蔽层、电源接线盒、尾端接线盒、固定卡子、配电箱等构成。

4.3 发热电缆性能要求发热电缆性能要求：①电缆线选用抗高温、抗腐蚀的多股镀镍铜丝；②绝缘层为聚氯乙烯弹性体，绝缘材料有良好的机械物理性能，绝缘性≥2M Ω；③屏蔽层为镀锡铜丝网，具有良好的可塑性；④护套层采用含氟聚合物绝缘防腐外套。

4.4 工作原理电伴热是沿水沟长度方向上的均匀放热，它不同于在一个点或小面积上热负荷高度集中的电伴热，整个温度控制过程是由材料本身自动调节完成的，控制温度不会过高或过低。

电伴热带接通电源后，电流由一根线芯另一根线芯而形成回路。

电能使导电材料升温，当芯带温度升至某设定值之后，其温度不再升高，同时电伴热带向温度较低的被加热体系传热。

GM-2XT 型自控温伴热电缆用于水沟的防冻保温，将一根伴热电缆铺设于水沟底部，一端与温控器相连，以控制自控温电伴热电缆的防冻运行，当温控器探测到水中温度低于所设定的温度时，温控器即自动接通电源，自控温电伴热电缆开始运行，当温控器探测到水沟温度高于所设定的温度时，温控器即自动断开电源，使自控温电伴热带在最经济合理的状态下运行并防止水沟流水冻结。

4.5 水沟电伴热电缆系统工作特点水沟电伴热电缆系统工作特点：①安全：防水防腐蚀，伴热管线温度均匀，不会过热，安全可靠；②自动：自动限温、适时启动和关闭；③经济合理：成本非常经济，使用寿命长；④环保：无污染，热效率高；⑤简单：结构简单、施工方便、维护工作量小。

4.6 工法的关键技术发热电缆的安装：由电源连接处开始安装，电缆端头应甩在连接电源处（先不接电），水沟至电源之间的电缆用金属软管连接。

铺设单根伴热电缆时，按水沟长度方向铺设，平顺地紧贴在水沟底部，并固定。

在线路的第一供电点和尾端各预留1m 长的伴热电缆。

每个回路的伴热电缆安装完毕，再确认整个回路长度满足设计要求后，才可剪短伴热电缆。

发热电缆控制箱的安装：①结合配电室所在位置安装在边墙二衬上；②不影响其它电气设备的安装；③安装位置高度应方便观察及维修。

检查及调试：整个系统安装完毕要进行全面系统的调试，确保系统正常安全工作。

检查伴热电缆外观是否完好无损，其后将全部回路的空气保护开关断开，用摇表检测每个回路并作好记录。

通电前，要测量电源线是否接通，伴热电缆是否接通，检查电伴热温度传感器是否连接正常，温度调节器是否连接正常等。

观察三个伴热工作周期，记录每个周期时间。

在寒冷环境温度下，要观察电伴热工作情况及周期。

5 水沟排水防冻结效果该隧道进口段水沟自从2012年2月份安装自控温伴热电缆后，夜间温度一直在-20℃左右，期间也有几天温度低于-30℃，但是水沟没有发生冻结现象。

并且隧道从开通运营至今，水沟也未再发生冻结现象，说明采取的措施是成功的，采用保温+采暖措施可以有效的防止高寒地区隧道水沟内的流水因天气原因而导致冻结。

6 结论通过处理高寒地区隧道水沟冻结病害的体会，对高寒地区隧道水沟保温措施提出以下建议。

（1）高寒地区隧道防冻问题的关键是做好排水，水沟保温段尤其是隧道洞口段要做好保温措施，避免局部冻结延伸，造成大的病害。

保温水沟施工时应注意，做好防寒材料的防潮处理，因防寒材料的导热系数随温度增加而增大；在构造上最大限度的减弱水沟内空气的对流作用，以减少由于对流而产生的热损失。

（2）近些年气候反常的原因，高寒地区隧道水沟出现结冰现象而导致排水不畅，水从水沟溢出进入道床结冰带来了行车安全隐患，同时处理冻结病害，造成了不小的经济损失。

高寒地区隧道水沟应建立可靠的预防流水冻结措施，综合考虑，两侧水沟采用单一的保温措施不能保证冬季结冰现象的发生，防寒保暖采用保温水沟被动防寒和主动保暖两种相结合的方式，即在采取了保温措施的水沟内安装电伴热系统，就可有效解决洞口段水沟冻结问题。

参考文献：[1]伴热带线路施工及验收规范[S].GB 50168-92.[2]胡利娜.电伴热系统在隧道中的应用[J].山西电子技术,2013,(3).[3]孙文昊.寒区特长公路隧道抗防冻对策研究[D].西南交通大学,2005.[4]李炎锋,冯明.华北地区低流速水管防冻研究[J].北京工业大学学报,2005,31(2):169-173.[5]张剑.高寒地区铁路隧道防冻排水设计探讨[J].铁道建筑,2014,(10).作者简介：邵长雨（1980-），男，工程师，研究方向：隧道工程。