嚴(yán)寒地區(qū)隧道防排水改進(jìn)措施探討

夏 勇，馬志富

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

1 概述

國內(nèi)外大量鐵路隧道建設(shè)和運(yùn)營的實(shí)踐表明，在寒冷地區(qū)，尤其地下水比較發(fā)育時(shí)，隧道常常會(huì)發(fā)生凍害，直接威脅到隧道結(jié)構(gòu)及運(yùn)營行車的安全，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。在寒冷地區(qū)修建隧道工程，與一般地區(qū)相比，難點(diǎn)眾多，最主要的問題是寒區(qū)隧道一般要受到季節(jié)性凍融、凍脹作用影響，這種周期性的加載卸載作用將對(duì)隧道主體結(jié)構(gòu)尤其洞口結(jié)構(gòu)造成破壞，且極易造成隧道襯砌掛冰、道床積冰、底鼓等病害，嚴(yán)重危及行車安全。

根據(jù)哈爾濱鐵路局工務(wù)部門統(tǒng)計(jì)，哈局范圍內(nèi)90%的隧道發(fā)生過凍害。其中大、小興安嶺中的林區(qū)鐵路隧道大多處于多年凍土層中，建設(shè)時(shí)由于缺乏經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致一系列凍害發(fā)生，甚至在建時(shí)期發(fā)生凍害，造成邊建邊整治的局面。東北范圍的翠嶺2號(hào)隧道、西羅奇1號(hào)隧道和西羅奇2號(hào)隧道、西北地區(qū)的奎先隧道、七道梁隧道等也均發(fā)生過很典型的凍害。新疆的玉希莫勒蓋隧道甚至沒有運(yùn)營幾年就因?yàn)閮龊υ谒淼纼?nèi)形成冰塞而報(bào)廢。

2 嚴(yán)寒地區(qū)隧道防排水模式

2.1 嚴(yán)寒地區(qū)排水方式

嚴(yán)寒地區(qū)主排水溝保溫排水方式見表1。

2.2 嚴(yán)寒地區(qū)防排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(1)中心深埋水溝:襯砌周圈水通過深埋盲管引至橫向?qū)?，橫向?qū)茉僖林行纳盥袼疁希す芗皺M向?qū)芫柰夥胖羶鼋Y(jié)線以外，確保管內(nèi)水不凍結(jié)。中心深埋水溝采取正洞洞內(nèi)明挖法施工。

表1 嚴(yán)寒地區(qū)主排水溝保溫排水方式

(2)防寒泄水洞:襯砌周圈水通過深埋盲管引至橫向?qū)?，橫向?qū)茉僖练篮顾?，盲管及橫向?qū)芫柰夥胖羶鼋Y(jié)線以外。防寒泄水洞采取暗挖法施工。

3 深埋保溫排水設(shè)施實(shí)施中存在的問題

3.1 深埋盲管

3.1.1 環(huán)向盲管

(1)環(huán)向深埋盲管位于初支背后一定深度，每8～12 m設(shè)置1道，需拉槽施工，如圍巖較好，施工中需爆破開挖，易導(dǎo)致超挖，很難達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

(2)環(huán)向深埋盲管由于僅局部外放，無法單獨(dú)施作超前支護(hù)，且由于其外放施工需截?cái)嘁话銛嗝娴某爸ёo(hù)結(jié)構(gòu)，施工安全風(fēng)險(xiǎn)較大。

3.1.2 縱向盲管

縱向盲管外放時(shí)和拱墻格柵鋼架沖突，格柵鋼架難以及時(shí)封閉施工，施工安全風(fēng)險(xiǎn)較大。

3.2 中心深埋水溝

中心深埋水溝施工影響隧道兩側(cè)拱腳的穩(wěn)定性，當(dāng)水溝埋深較深，隧道斷面跨度較小時(shí)影響更為明顯。且中心深埋水溝需采取爆破開挖時(shí)，易引起超挖。

3.3 橫向?qū)?/h3>

橫向?qū)苊?～12 m設(shè)置1道，埋置于凍結(jié)線以下，需拉槽施工，如圍巖較好，施工中需爆破開挖，易導(dǎo)致超挖，對(duì)隧道兩側(cè)拱腳穩(wěn)定性造成極大安全隱患。

3.4 保溫厚度

根據(jù)《鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(隧道)》中要求，深埋盲管、中心深埋水溝、橫向?qū)芫鶓?yīng)設(shè)置于凍結(jié)線以外，在設(shè)計(jì)中提供的本地凍結(jié)深度是針對(duì)當(dāng)?shù)仞ね恋貙拥?，但由于混凝土結(jié)構(gòu)、巖石、土的導(dǎo)熱系數(shù)并不一致，混凝土結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱系數(shù)比較高，實(shí)際凍結(jié)深度遠(yuǎn)大于當(dāng)?shù)貎鼋Y(jié)深度，如外放不足，則導(dǎo)致周圈水凍脹現(xiàn)象。

4 隔熱保溫層保溫措施

4.1 設(shè)置保溫層代替深埋盲管

在寒冷地區(qū)的冬季，冷空氣與圍巖的熱交換是產(chǎn)生凍害的主要原因之一，設(shè)置保溫板可以起到隔熱保溫的作用，減小凍融圈的范圍，保證襯砌背后排水通暢，保溫板可放置于隧道斷面內(nèi)緣或初支二襯之間，當(dāng)放置于斷面內(nèi)緣時(shí)，需要考慮防火要求，且當(dāng)列車行進(jìn)速度較快時(shí)，活塞風(fēng)影響保溫層的穩(wěn)定性，從目前國內(nèi)在建或已建寒區(qū)鐵路隧道來看，隧道保溫層基本以放置于初支二襯之間為主。

4.1.1 保溫層材料的選擇

保溫隔熱材料是指對(duì)熱流具有顯著阻抗性的材料或材料復(fù)合體。隔熱保溫材料的品種很多，目前市面上存在的主要隔熱保溫材料及性能見表2。

表2 主要隔熱保溫材料性能參數(shù)

從保溫性能上來說，酚醛泡沫及聚氨酯保溫板導(dǎo)熱系數(shù)最低，保溫性能最好，價(jià)格最高，目前國內(nèi)在建或已建寒區(qū)鐵路隧道保溫板基本采用聚氨酯保溫板作為隔熱層。但從現(xiàn)場實(shí)際操作來看，由于隧道為圓弧形狀，聚氨酯保溫板一般為直板狀，較脆，針對(duì)隧道斷面特點(diǎn)需單獨(dú)加工。由于隧道初期支護(hù)很難做到比較平順，常存在凹凸不平的情況，當(dāng)聚氨酯保溫板置于初支表面時(shí)，在二次襯砌混凝土擠壓作用下較易斷開，影響保溫效果。橡塑保溫板雖導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)偏高，但自身柔軟性好，抗?jié)B性能較好，更易適應(yīng)隧道襯砌斷面，無需單獨(dú)加工，隧道保溫可通過加大厚度來實(shí)現(xiàn)。

因此筆者推薦隧道隔熱保溫材料選擇橡塑保溫板。

4.1.2 保溫層厚度計(jì)算

保溫層材料的厚度相對(duì)于隧道的半徑而言很小，可按平壁導(dǎo)熱計(jì)算其熱阻;隧道可看作是一個(gè)筒狀結(jié)構(gòu)物，且隧道圍巖的凍結(jié)深度較大，可按圓筒壁導(dǎo)熱方式計(jì)算其熱阻。設(shè)最大凍深為h，隧道當(dāng)量半徑為r1，圍巖層的導(dǎo)熱系數(shù)為λ1，則r2=r1+h，厚度為l的圍巖層熱阻為

保溫層厚度為δ，導(dǎo)熱系數(shù)為λ2，厚度為l的保溫層面積為2πl(wèi)，則厚度為l的保溫層的熱阻為

由當(dāng)量換算法，令保溫層的熱阻相等即:R1=R2，解得保溫層厚度

式中，h為凍深;r1為隧道的當(dāng)量半徑;λ1為圍巖導(dǎo)熱系數(shù);λ2為保溫層導(dǎo)熱系數(shù);δ為保溫層厚度。

舉例為證，該隧道當(dāng)量半徑為4.9 m，圍巖的導(dǎo)熱系數(shù)為 1.16 W/(m·K)，保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)為0.022 W/(m·K)，采用厚度為0.03 m的保溫層，即可等效于厚度1.87 m的圍巖層。

4.2 基底設(shè)置輕質(zhì)混凝土作為基底保溫層

4.2.1 概述

隧道基底由于承受列車荷載及隧道結(jié)構(gòu)自身重載，普通保溫材料難以滿足強(qiáng)度及耐久性要求，結(jié)合目前市面保溫材料，建議選擇輕質(zhì)保溫混凝土作為隧道基底保溫材料。

輕質(zhì)保溫混凝土又名泡沫混凝土，是通過發(fā)泡劑的發(fā)泡系統(tǒng)將發(fā)泡劑用機(jī)械方式充分發(fā)泡，并將泡沫與水泥漿均勻混合，然后經(jīng)過發(fā)泡劑的泵送系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)澆施工或模具成型，經(jīng)自然養(yǎng)護(hù)形成的一種含有大量封閉氣孔的新型輕質(zhì)保溫材料。輕質(zhì)保溫混凝土密度較小，密度等級(jí)一般為300～1 800 kg/m3，具有良好的保溫性能，導(dǎo)熱系數(shù)在0.08～0.3 W/(m·K)，熱阻為普通混凝土的10～20倍。同時(shí)輕質(zhì)保溫混凝土還具備相對(duì)較高的抗壓強(qiáng)度，根據(jù)實(shí)驗(yàn)，輕質(zhì)保溫混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)0.5～22.2 MPa。

隧道基底一般要求承載力200～250 kPa，因此強(qiáng)度上輕質(zhì)混凝土完全滿足隧道基底承載力要求，從保溫效果來說也遠(yuǎn)優(yōu)于普通混凝土。

4.2.2 設(shè)置部位

本著初支及時(shí)成環(huán)以及減少列車荷載對(duì)保溫層影響的考慮，輕質(zhì)混凝土擬置于仰拱初支與二次襯砌之間。

4.2.3 設(shè)置厚度

設(shè)置厚度可參照拱墻保溫層厚度計(jì)算公式計(jì)算確定。

4.2.4 采用隔熱保溫層保溫后的隧道防寒排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用隔熱保溫層措施后的隧道防寒排水系統(tǒng)如下:

(1)拱墻初期支護(hù)后表面先敷設(shè)環(huán)向盲管與縱向盲管，再鋪設(shè)隔熱保溫層;

(2)環(huán)向與縱向盲管通過仰拱環(huán)向盲管引至中心深埋水溝，仰拱環(huán)向盲管不僅起到引導(dǎo)隧道邊墻周圈水的效果，而且可以將隧道仰拱二襯與初支之間的滲透積水引至中心深埋水溝內(nèi);

(3)仰拱環(huán)向盲溝用輕質(zhì)保溫混凝土覆蓋;

(4)中心深埋水溝受保溫影響，只能置于初支下側(cè)，但由于上側(cè)輕質(zhì)保溫混凝土已經(jīng)滿足保溫深度要求，因此中心深埋水溝僅需要滿足仰拱初支下側(cè)安置空間要求即可，有效降低了一般條件下中心深埋水溝的開挖高度。詳見圖1。

圖1 采用隔熱保溫層措施后的隧道防寒排水系統(tǒng)

5 結(jié)合混凝土凍脹原因解決凍脹問題

5.1 混凝土凍脹類型

混凝土凍脹可分為微觀凍脹和宏觀凍脹2種。

5.1.1 微觀凍脹

微觀凍脹是指水分在毛細(xì)水壓力的作用下滲入襯砌混凝土內(nèi)部而發(fā)生的凍脹現(xiàn)象?；炷羶?nèi)部充滿了各種空隙，并通過不同形態(tài)相互連通，當(dāng)混凝土周圍有水時(shí)，水可以滲透到混凝土內(nèi)部，在冬季嚴(yán)寒時(shí)分，混凝土內(nèi)部水同樣會(huì)結(jié)冰并產(chǎn)生凍脹力于混凝土上，一些薄壁結(jié)構(gòu)的膠結(jié)體遭到破壞滲水通道擴(kuò)展，從而使更多的水分進(jìn)入內(nèi)部，或使水分進(jìn)入到更深部位，愈演愈烈，使凍脹破壞強(qiáng)度加大。

5.1.2 宏觀凍脹

宏觀凍脹指淺部圍巖含水在寒季冰凍而引發(fā)的凍脹現(xiàn)象。當(dāng)隧道內(nèi)凍結(jié)深度超過襯砌厚度時(shí)，襯砌背后水產(chǎn)生凍脹，作用力作用于襯砌上，當(dāng)作用力超過襯砌強(qiáng)度時(shí)，引起襯砌開裂，襯砌后水通過裂縫進(jìn)而產(chǎn)生掛冰等現(xiàn)象。

5.2 解決方案

5.2.1 微觀凍脹

要徹底杜絕微觀凍脹問題是不現(xiàn)實(shí)的，但可以通過抗裂防水劑等外加劑來減少混凝土空隙，減少混凝土內(nèi)空隙相互連通的概率，從而減少進(jìn)入混凝土空隙水的含量，起到緩解微觀凍脹力的效果。

5.2.2 宏觀凍脹

嚴(yán)寒地區(qū)隧道冬季凍脹時(shí)會(huì)產(chǎn)生凍脹力，但凍脹力大小與地質(zhì)因素自身有很大的關(guān)系，根據(jù)日本對(duì)北海道段隧道凍脹的調(diào)查顯示(表3)，隧道在滿足以下條件時(shí)易發(fā)生凍脹。

表3 隧道凍脹判定條件

表3說明，并不是所有的圍巖，在低溫條件下，都要發(fā)生凍脹的，發(fā)生凍脹的圍巖是有條件的，例如抗壓強(qiáng)度大、結(jié)構(gòu)密實(shí)、含水量小的圍巖，就不會(huì)發(fā)生凍脹。

因此，針對(duì)隧道發(fā)生凍脹的條件，當(dāng)隧道周圈位于易發(fā)生凍脹地層時(shí)，可以通過徑向注漿加固地層，提高周圈圍巖抗壓強(qiáng)度，降低圍巖含水比，從而起到抑制凍脹的效果。

6 目前隧道采取保溫層后仍發(fā)生病害的原因分析及解決辦法

6.1 原因分析

目前部分公路隧道如大坂山隧道等已采用保溫層防凍，但從現(xiàn)場施工后反饋來看，依然存在一定的凍害問題，筆者從凍害原因分析，主要有以下2點(diǎn):

(1)保溫層厚度不足，或保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)未滿足設(shè)計(jì)要求，導(dǎo)致襯砌背后仍處于凍結(jié)線范圍內(nèi)，進(jìn)而發(fā)生凍害現(xiàn)象;

(2)保溫層背后盲管堵塞，排水不暢。

當(dāng)保溫層背后盲管堵塞后，襯砌背后水無法通過盲管引至中心保溫水溝內(nèi)，水在襯砌背后淤積，襯砌背后水位逐漸提高，由于目前鐵路公路隧道均非采用全包防水，襯砌背后水在水壓的作用下滲透至保溫層與二次襯砌之間，滲透進(jìn)來的水由于沒有保溫板的保護(hù)，在嚴(yán)寒溫度下，引發(fā)了凍害現(xiàn)象;同時(shí)，由于水排不暢，水逐漸滲透至保溫材料空隙內(nèi)，也直接導(dǎo)致了保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)的降低，進(jìn)而導(dǎo)致了隧道內(nèi)凍結(jié)深度透過了保溫板進(jìn)入了圍巖內(nèi)，引起了襯砌背后水凍脹。

6.2 解決辦法

(1)設(shè)計(jì)階段對(duì)保溫層厚度設(shè)計(jì)應(yīng)有足夠的安全系數(shù)，同時(shí)施工階段應(yīng)嚴(yán)格對(duì)保溫材料進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)檢測;

(2)應(yīng)嚴(yán)格規(guī)范盲管施工，目前實(shí)際路內(nèi)隧道施工中，盲管為施工薄弱環(huán)節(jié)，不受各方重視，盲管施工一般均直接置于初支表面，由于初支表面并不平整，在混凝土的擠壓易發(fā)生壓扁或者斷裂的現(xiàn)象，影響盲管的排水效果。筆者建議隧道噴混凝土?xí)r，預(yù)先在噴混凝土表層埋設(shè)盲管模板，留出布設(shè)盲管的空間，避免施作二襯時(shí)損壞盲管;

(3)為避免襯砌背后水越過保溫層進(jìn)入保溫層與二次襯砌之間，同時(shí)為避免施工二襯混凝土影響保溫層質(zhì)量，建議保溫層內(nèi)外側(cè)均施作防水板，外側(cè)防水板底邊熱熔縱向背貼式止水帶，并越過保溫板直接與混凝土密貼，保證隧道拱墻結(jié)合防水板與止水帶與周圈水處于完全隔離狀態(tài)，同時(shí)避免周圈水越過保溫層，確保保溫層保溫效果。

7 結(jié)論

結(jié)合目前嚴(yán)寒地區(qū)隧道凍害特點(diǎn)，采用保溫層能滿足隧道防寒的要求，拱墻采用橡塑保溫板，仰拱采用輕質(zhì)保溫混凝土均可以滿足拱墻施工要求及基底承載力要求。保溫層的設(shè)置，避免了隧道施工中拉槽擴(kuò)挖，解決了深埋盲管及橫向?qū)苁┕だщy的問題。在今后嚴(yán)寒地區(qū)隧道的修建中，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)保溫材料類型、設(shè)置模式、排水系統(tǒng)進(jìn)一步研究，系統(tǒng)解決嚴(yán)寒地區(qū)隧道防凍難題，為嚴(yán)寒地區(qū)隧道修建及運(yùn)營提供安全保障。

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