严寒地区客运专线隧道冻害预防技术和管理措施探讨

2012-09-04宁少武

铁道标准设计 2012年1期

宁少武

(长吉城际铁路有限责任公司，吉林吉林 132000)

隧道建成后衬砌渗漏水是最为常见的病害，在严寒地区就会转变为各种冻害。施工缝或者混凝土裂缝渗漏水并挂冰、渗漏水导致道床结冰冻害，反复冻融导致混凝土耐久性丧失、衬砌背后空洞集水冻涨导致混凝土脱落、衬砌背后初支和土质围岩冻胀导致二衬混凝土开裂等是隧道工程冻害最常见表现形式。客运专线的列车运行速度通常在250 km/h以上，如果发生隧道衬砌渗水挂冰等冻害，对高速运行的列车的安全危害极大，冻害发生后列车有可能被限速运行，会引起恶劣的社会效应。客运专线隧道在设计阶段有针对性地采取技术措施，建设期间紧抓关键工序采取管理措施，最大限度地预防各种冻害产生尤为重要［1-5］。

1 工程概况

1.1 基本概况

新建吉(林)图(们)珲(春)铁路线位于吉林省中东部，线路正线长360.602 km，途径吉林省吉林市和延边朝鲜族自治州，全线新建单洞双线隧道84座，总延长155.394 km，隧道占线路总长度的43.093%，沿线路基本连续分布。

1.2 气候条件

本区属北亚温带湿润半湿润大陆性季风气候。夏季短促温暖，冬季漫长酷寒，春季干旱多风，秋季凉爽，四季分明。年平均气温4.0～6.8℃，1月平均气温-10.3～-23.4℃，7月平均气温20.5～23.9℃;极端最高气温36.3～37.7℃，极端最低气温-29.2～-42.5℃，年平均降水量528～670 mm，主要集中于6～8月;年平均蒸发量948.9～1 445.6 mm;平均相对湿度64% ～76%，全年平均风速约2.2～3.1 m/s，最大风速18～20 m/s。冬季寒冷多雪，偏西南、西北风，个别山地背风背阴处，整个冬季积雪不化，是本线所处地区典型的天气条件。极端最低气温在-29℃以下，局部地方可达-42℃。2010年12月中旬沿线平均气温为-16.5℃。加上多次高强度降雪的影响，形成较厚的雪冰。

1.3 水文地质条件

本线隧道地下水主要为如下几种:一是松散岩类孔隙水，富水性较差，水量中等至贫乏;二是碎屑岩类裂隙孔隙水，该类型地下水以大气降水渗入和来自盆地周边基岩裂隙侧向径流补给为主，地下水沿盆地或地形低洼处富集，在运移的过程中，常以泉的形式及侧向径流方式向外排泄;三是基岩裂隙水，构造裂隙水和风化带网状裂隙水分布地区，由于地形切割强烈，基岩大部裸露，为大气降水垂直渗入提供了良好的蓄水空间，地下水多以泉的形式排泄及侧向径流补给其他类型地下水。

2 隧道防冻害关键技术措施

初期支护背后、初期支护与二衬之间存在流动性的水;初期支护与二衬之间的防水层在夏季处于正温度区，冬季处于负温度区，这是造成隧道各种冻害的外部因素;防水层防水功能失效、止水带止水功能失效、初期支护背后和二次衬砌背后的空洞存在、二衬混凝土产生裂缝等也是产生隧道各种冻害的重要因素。水的存在、季节性冻土以及防排水系统施工工艺的缺陷是造成严寒地区隧道冻害的重要原因，设计和施工阶段需要针对性地采取技术措施加以预防。

2.1 初支表面进行径向注浆堵水

隧道开挖过程中拱顶若遇股状涌漏水，则在洞顶附近采用注浆堵水，在隧道洞顶围岩中形成一个不易透水的密实体，将地层涌流引开洞顶，使洞顶渗漏水在环向坡度较大处与衬砌外防水板接触，并向下流动，经隧道排水系统排出洞外，从而起到注浆堵水的目的。吉林至珲春铁路隧道设计要求对洞口段500 m范围围岩根据不同地层和地下水发育情况进行径向注浆堵水，参数如下:注浆孔按梅花形布置，孔口环向间距约180 cm，纵向间距260 cm;孔口管采用φ50 mm，壁厚3.5 mm的热轧无缝钢管，孔口管应埋设牢固，并有良好的止浆措施;注浆材料采用水灰比为1∶1的水泥浆，施工时可根据地质条件需要适当调整;注浆压力:0.5～2.0 MPa，注浆前应进行现场注浆试验，根据实际情况调整注浆参数。

2.2 设置中心深埋排水沟取代侧沟排水

实践证明，在严寒地区隧道排水通过保温侧沟排水效果并不理想，防水板背后的涌水通过深埋中心水沟引排至洞外是行之有效的手段。中心深埋水沟采用φ600 mm钢筋混凝土预制管，壁厚12 cm，并于水管上方设2 m宽10 cm厚的保温层，埋深于冻结线以下，并根据当地气候条件设置一定的长度，确保排水效果。中心深埋水沟示意如图1所示。中心深埋水沟设置段落长度划分见表1。

图1 中心深埋水沟示意(单位:mm)

表1 中心深埋水沟设置段落长度划分

2.3 加强衬砌配筋防止“冻胀”破坏二衬混凝土

2.3.1 洞口500 m设置保温层地段

设置保温层的隧道洞口500 m防寒段按D2环境设计，二次衬砌混凝土采用C40钢筋混凝土，设置保温层洞口防寒段二次衬砌混凝土等级及配筋见表2。

表2 洞口防寒段钢筋配置(设保温层)

2.3.2 洞口500 m未设置保温层地段

对于洞口500 m未设置保温层地段，除按D2环境设计，二砌混凝土采用C40钢筋混凝土外，还考虑了一定的冻胀力作用，所以对环向受力主筋进行了加强。另外考虑东北地区冬夏季温差较大，会对衬砌产生较大的拉应力，为防止衬砌受拉开裂而产生病害，对隧道洞口500 m范围内衬砌纵向分布钢筋进行了优化调整。未设置保温层洞口防寒段二次衬砌混凝土等级及配筋见表3。

表3 洞口防寒段钢筋配置(未设保温层)

图2 保温出水口结构(单位:cm)

2.4 进一步优化保温出水沟结构确保排水畅通

根据对吉林至珲春高速公路保温出水口的调研结果和对寒冷地区出水口的冻结机理分析将保温出水口优化为如图2所示。

2.5 部分隧道初期支护和二衬之间设置隔热层

(1)拉法山、香水隧道洞口500 m范围内设置保温层，设置于初期支护与二次衬砌之间，由一层5 cm厚硬质聚氨酯保温板加内外2层防水板构成，拱墙设置。

(2)石门隧道于洞口500 m范围内设置保温层，保温层设置于初期支护与二次衬砌之间，采用10 cm厚玻化微珠保温砂浆，拱墙设置。

(3)其余隧道洞口段土质地层、极破碎地层地段及膨胀岩地层地段于初期支护与二次衬砌之间设置保温层，保温层设置于初期支护与二次衬砌之间，由1层5 cm厚硬质聚氨酯保温板加内外两层防水板构成，拱墙设置。

2.6 二次衬砌背后进行注浆回填防止水囊产生

为保证初支与二衬密贴，不形成水囊，对隧道二次衬砌背后进行回填注浆。预贴注浆花管采用φ20 mm的PVC管，并应在管身布设梅花形溢浆孔，排气管不布孔，回填注浆采用微膨胀性水泥砂浆。

3 隧道防冻害管理措施

3.1 反复组织专家论证隧道防寒方案的可行性

吉图珲铁路项目施工图设计阶段和施工阶段组织了多次专家会议对隧道防寒措施进行评审，专家层次涵盖了铁路、公路以及市政等方面设计、施工方面。通过数次专家评审，汇集了国内外、路内外条件类似隧道防寒措施，根据专家意见对设计采取的措施进行了修正，使得隧道防寒措施在技术上可行，经济上合理。

3.2 借助科研平台进一步验证方案的可靠性

根据上级单位组织安排，依托吉图珲铁路项目进行隧道防寒措施综合深入研究。一方面在于弄清楚隧道防寒冻结机理和规律，以便于为今后类似工程的设计积累经验;另一方面通过现场试验检测验证隧道防寒措施的可靠性，进而通过进一步修正防寒设计参数达到防寒措施可靠的目的。

3.3 组织设计单位对有关单位进行专项技术交底

吉图珲项目建设管理过程中，将隧道防寒和防排水列为重点工序进行管理，组织设计单位对建设管理人员、监理人员、各级施工管理人员进行专项技术交底，使所有吉图珲铁路参建人员都清楚本线隧道防寒和防排水设计意图、设计特点和每一项技术措施，使设计意图在施工过程中得到真正的贯彻。

3.4 组织相关单位将隧道防排水进行动态管理

施工图设计中针对隧道防寒的专项措施是在工程地质和水文地质勘察的基础上制定的通用措施，隧道工程的工程地质和水文质条件在施工过程中是千变万化的。隧道开挖后水文地质条件若发生重大变化，比如发生较大涌水、地质条件与设计不符，对隧道防寒措施产生重大影响时，由建设管理单位组织相关人员进行现场勘查，针对性制定专项措施，重点解决，并建立全线隧道重要段落的工程地质和水文地质条件台帐，为日后隧道防寒效果评价提供基本资料。

3.5 明确界定各级管理单位隧道防寒措施的质量管理责任

在组织设计单位进行全面技术交底的同时，要求各有关参建单位将隧道防寒措施和防排水过程控制列为隧道施工过程控制重点工序进行管理，建设单位、设计单位、监理单位和施工单位分别明确隧道措施各级的质量管理责任，并要求每项质量管理责任落实到单位、落实到责任人，并制定奖罚措施。

3.6 组织施工单位编制专项作业指导书并落实工序质量责任

根据隧道设计中防寒技术要求，针对冻害发生的机理，主要从施工工艺标准、人为因素、材料质量控制等方面要求施工单位编制专项作业指导书，内容涵盖与隧道防寒相关工序作业。作业指导书需经相关单位进行逐级报批后，对基层作业人员和质量管控人员进行培训，使所有参加施工人员和监理人员都做到心中有数，逐级落实工序质量责任。