严寒地区隧道防排水改进措施探讨

夏 勇，马志富

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

1 概述

国内外大量铁路隧道建设和运营的实践表明，在寒冷地区，尤其地下水比较发育时，隧道常常会发生冻害，直接威胁到隧道结构及运营行车的安全，造成严重的经济损失。在寒冷地区修建隧道工程，与一般地区相比，难点众多，最主要的问题是寒区隧道一般要受到季节性冻融、冻胀作用影响，这种周期性的加载卸载作用将对隧道主体结构尤其洞口结构造成破坏，且极易造成隧道衬砌挂冰、道床积冰、底鼓等病害，严重危及行车安全。

根据哈尔滨铁路局工务部门统计，哈局范围内90%的隧道发生过冻害。其中大、小兴安岭中的林区铁路隧道大多处于多年冻土层中，建设时由于缺乏经验，导致一系列冻害发生，甚至在建时期发生冻害，造成边建边整治的局面。东北范围的翠岭2号隧道、西罗奇1号隧道和西罗奇2号隧道、西北地区的奎先隧道、七道梁隧道等也均发生过很典型的冻害。新疆的玉希莫勒盖隧道甚至没有运营几年就因为冻害在隧道内形成冰塞而报废。

2 严寒地区隧道防排水模式

2.1 严寒地区排水方式

严寒地区主排水沟保温排水方式见表1。

2.2 严寒地区防排水系统设计

(1)中心深埋水沟:衬砌周圈水通过深埋盲管引至横向导水管，横向导水管再引至中心深埋水沟，盲管及横向导水管均需外放至冻结线以外，确保管内水不冻结。中心深埋水沟采取正洞洞内明挖法施工。

表1 严寒地区主排水沟保温排水方式

(2)防寒泄水洞:衬砌周圈水通过深埋盲管引至横向导水管，横向导水管再引至防寒泄水洞，盲管及横向导水管均需外放至冻结线以外。防寒泄水洞采取暗挖法施工。

3 深埋保温排水设施实施中存在的问题

3.1 深埋盲管

3.1.1 环向盲管

(1)环向深埋盲管位于初支背后一定深度，每8～12 m设置1道，需拉槽施工，如围岩较好，施工中需爆破开挖，易导致超挖，很难达到设计要求。

(2)环向深埋盲管由于仅局部外放，无法单独施作超前支护，且由于其外放施工需截断一般断面的超前支护结构，施工安全风险较大。

3.1.2 纵向盲管

纵向盲管外放时和拱墙格栅钢架冲突，格栅钢架难以及时封闭施工，施工安全风险较大。

3.2 中心深埋水沟

中心深埋水沟施工影响隧道两侧拱脚的稳定性，当水沟埋深较深，隧道断面跨度较小时影响更为明显。且中心深埋水沟需采取爆破开挖时，易引起超挖。

3.3 横向导水管

横向导水管每8～12 m设置1道，埋置于冻结线以下，需拉槽施工，如围岩较好，施工中需爆破开挖，易导致超挖，对隧道两侧拱脚稳定性造成极大安全隐患。

3.4 保温厚度

根据《铁路工程设计技术手册(隧道)》中要求，深埋盲管、中心深埋水沟、横向导水管均应设置于冻结线以外，在设计中提供的本地冻结深度是针对当地黏土地层的，但由于混凝土结构、岩石、土的导热系数并不一致，混凝土结构的导热系数比较高，实际冻结深度远大于当地冻结深度，如外放不足，则导致周圈水冻胀现象。

4 隔热保温层保温措施

4.1 设置保温层代替深埋盲管

在寒冷地区的冬季，冷空气与围岩的热交换是产生冻害的主要原因之一，设置保温板可以起到隔热保温的作用，减小冻融圈的范围，保证衬砌背后排水通畅，保温板可放置于隧道断面内缘或初支二衬之间，当放置于断面内缘时，需要考虑防火要求，且当列车行进速度较快时，活塞风影响保温层的稳定性，从目前国内在建或已建寒区铁路隧道来看，隧道保温层基本以放置于初支二衬之间为主。

4.1.1 保温层材料的选择

保温隔热材料是指对热流具有显著阻抗性的材料或材料复合体。隔热保温材料的品种很多，目前市面上存在的主要隔热保温材料及性能见表2。

表2 主要隔热保温材料性能参数

从保温性能上来说，酚醛泡沫及聚氨酯保温板导热系数最低，保温性能最好，价格最高，目前国内在建或已建寒区铁路隧道保温板基本采用聚氨酯保温板作为隔热层。但从现场实际操作来看，由于隧道为圆弧形状，聚氨酯保温板一般为直板状，较脆，针对隧道断面特点需单独加工。由于隧道初期支护很难做到比较平顺，常存在凹凸不平的情况，当聚氨酯保温板置于初支表面时，在二次衬砌混凝土挤压作用下较易断开，影响保温效果。橡塑保温板虽导热系数相对偏高，但自身柔软性好，抗渗性能较好，更易适应隧道衬砌断面，无需单独加工，隧道保温可通过加大厚度来实现。

因此笔者推荐隧道隔热保温材料选择橡塑保温板。

4.1.2 保温层厚度计算

保温层材料的厚度相对于隧道的半径而言很小，可按平壁导热计算其热阻;隧道可看作是一个筒状结构物，且隧道围岩的冻结深度较大，可按圆筒壁导热方式计算其热阻。设最大冻深为h，隧道当量半径为r1，围岩层的导热系数为λ1，则r2=r1+h，厚度为l的围岩层热阻为

保温层厚度为δ，导热系数为λ2，厚度为l的保温层面积为2πl，则厚度为l的保温层的热阻为

由当量换算法，令保温层的热阻相等即:R1=R2，解得保温层厚度

式中，h为冻深;r1为隧道的当量半径;λ1为围岩导热系数;λ2为保温层导热系数;δ为保温层厚度。

举例为证，该隧道当量半径为4.9 m，围岩的导热系数为 1.16 W/(m·K)，保温层的导热系数为0.022 W/(m·K)，采用厚度为0.03 m的保温层，即可等效于厚度1.87 m的围岩层。

4.2 基底设置轻质混凝土作为基底保温层

4.2.1 概述

隧道基底由于承受列车荷载及隧道结构自身重载，普通保温材料难以满足强度及耐久性要求，结合目前市面保温材料，建议选择轻质保温混凝土作为隧道基底保温材料。

轻质保温混凝土又名泡沫混凝土，是通过发泡剂的发泡系统将发泡剂用机械方式充分发泡，并将泡沫与水泥浆均匀混合，然后经过发泡剂的泵送系统进行现浇施工或模具成型，经自然养护形成的一种含有大量封闭气孔的新型轻质保温材料。轻质保温混凝土密度较小，密度等级一般为300～1 800 kg/m3，具有良好的保温性能，导热系数在0.08～0.3 W/(m·K)，热阻为普通混凝土的10～20倍。同时轻质保温混凝土还具备相对较高的抗压强度，根据实验，轻质保温混凝土抗压强度达0.5～22.2 MPa。

隧道基底一般要求承载力200～250 kPa，因此强度上轻质混凝土完全满足隧道基底承载力要求，从保温效果来说也远优于普通混凝土。

4.2.2 设置部位

本着初支及时成环以及减少列车荷载对保温层影响的考虑，轻质混凝土拟置于仰拱初支与二次衬砌之间。

4.2.3 设置厚度

设置厚度可参照拱墙保温层厚度计算公式计算确定。

4.2.4 采用隔热保温层保温后的隧道防寒排水系统设计

采用隔热保温层措施后的隧道防寒排水系统如下:

(1)拱墙初期支护后表面先敷设环向盲管与纵向盲管，再铺设隔热保温层;

(2)环向与纵向盲管通过仰拱环向盲管引至中心深埋水沟，仰拱环向盲管不仅起到引导隧道边墙周圈水的效果，而且可以将隧道仰拱二衬与初支之间的渗透积水引至中心深埋水沟内;

(3)仰拱环向盲沟用轻质保温混凝土覆盖;

(4)中心深埋水沟受保温影响，只能置于初支下侧，但由于上侧轻质保温混凝土已经满足保温深度要求，因此中心深埋水沟仅需要满足仰拱初支下侧安置空间要求即可，有效降低了一般条件下中心深埋水沟的开挖高度。详见图1。

图1 采用隔热保温层措施后的隧道防寒排水系统

5 结合混凝土冻胀原因解决冻胀问题

5.1 混凝土冻胀类型

混凝土冻胀可分为微观冻胀和宏观冻胀2种。

5.1.1 微观冻胀

微观冻胀是指水分在毛细水压力的作用下渗入衬砌混凝土内部而发生的冻胀现象。混凝土内部充满了各种空隙，并通过不同形态相互连通，当混凝土周围有水时，水可以渗透到混凝土内部，在冬季严寒时分，混凝土内部水同样会结冰并产生冻胀力于混凝土上，一些薄壁结构的胶结体遭到破坏渗水通道扩展，从而使更多的水分进入内部，或使水分进入到更深部位，愈演愈烈，使冻胀破坏强度加大。

5.1.2 宏观冻胀

宏观冻胀指浅部围岩含水在寒季冰冻而引发的冻胀现象。当隧道内冻结深度超过衬砌厚度时，衬砌背后水产生冻胀，作用力作用于衬砌上，当作用力超过衬砌强度时，引起衬砌开裂，衬砌后水通过裂缝进而产生挂冰等现象。

5.2 解决方案

5.2.1 微观冻胀

要彻底杜绝微观冻胀问题是不现实的，但可以通过抗裂防水剂等外加剂来减少混凝土空隙，减少混凝土内空隙相互连通的概率，从而减少进入混凝土空隙水的含量，起到缓解微观冻胀力的效果。

5.2.2 宏观冻胀

严寒地区隧道冬季冻胀时会产生冻胀力，但冻胀力大小与地质因素自身有很大的关系，根据日本对北海道段隧道冻胀的调查显示(表3)，隧道在满足以下条件时易发生冻胀。

表3 隧道冻胀判定条件

表3说明，并不是所有的围岩，在低温条件下，都要发生冻胀的，发生冻胀的围岩是有条件的，例如抗压强度大、结构密实、含水量小的围岩，就不会发生冻胀。

因此，针对隧道发生冻胀的条件，当隧道周圈位于易发生冻胀地层时，可以通过径向注浆加固地层，提高周圈围岩抗压强度，降低围岩含水比，从而起到抑制冻胀的效果。

6 目前隧道采取保温层后仍发生病害的原因分析及解决办法

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温层防冻，但从现场施工后反馈来看，依然存在一定的冻害问题，笔者从冻害原因分析，主要有以下2点:

(1)保温层厚度不足，或保温材料导热系数未满足设计要求，导致衬砌背后仍处于冻结线范围内，进而发生冻害现象;

(2)保温层背后盲管堵塞，排水不畅。

当保温层背后盲管堵塞后，衬砌背后水无法通过盲管引至中心保温水沟内，水在衬砌背后淤积，衬砌背后水位逐渐提高，由于目前铁路公路隧道均非采用全包防水，衬砌背后水在水压的作用下渗透至保温层与二次衬砌之间，渗透进来的水由于没有保温板的保护，在严寒温度下，引发了冻害现象;同时，由于水排不畅，水逐渐渗透至保温材料空隙内，也直接导致了保温材料导热系数的降低，进而导致了隧道内冻结深度透过了保温板进入了围岩内，引起了衬砌背后水冻胀。

6.2 解决办法

(1)设计阶段对保温层厚度设计应有足够的安全系数，同时施工阶段应严格对保温材料进行导热系数检测;

(2)应严格规范盲管施工，目前实际路内隧道施工中，盲管为施工薄弱环节，不受各方重视，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，在混凝土的挤压易发生压扁或者断裂的现象，影响盲管的排水效果。笔者建议隧道喷混凝土时，预先在喷混凝土表层埋设盲管模板，留出布设盲管的空间，避免施作二衬时损坏盲管;

(3)为避免衬砌背后水越过保温层进入保温层与二次衬砌之间，同时为避免施工二衬混凝土影响保温层质量，建议保温层内外侧均施作防水板，外侧防水板底边热熔纵向背贴式止水带，并越过保温板直接与混凝土密贴，保证隧道拱墙结合防水板与止水带与周圈水处于完全隔离状态，同时避免周圈水越过保温层，确保保温层保温效果。

7 结论

结合目前严寒地区隧道冻害特点，采用保温层能满足隧道防寒的要求，拱墙采用橡塑保温板，仰拱采用轻质保温混凝土均可以满足拱墙施工要求及基底承载力要求。保温层的设置，避免了隧道施工中拉槽扩挖，解决了深埋盲管及横向导水管施工困难的问题。在今后严寒地区隧道的修建中，应进一步加强对保温材料类型、设置模式、排水系统进一步研究，系统解决严寒地区隧道防冻难题，为严寒地区隧道修建及运营提供安全保障。

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［8］铁道第三勘察设计院.冻土工程［M］.北京:中国铁道出版社，2002.

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