高寒地区集包线某运营铁路隧道渗漏水及冻害整治技术

潘红桂，王志杰，李 波 ，许才仗，邱 月 ，高 飞

(1．中铁四局二公司，江苏 苏州 2 15131;2．西南交通大学，四川 成都 6 10031;3．中铁上海局一公司，安徽 芜湖 2 41000)

0 引言

2013年12月，随着厦深铁路、西宝高铁、柳南客专、衡柳铁路、渝利铁路、广西沿海铁路等多条铁路同时开通运营，中国铁路营运总里程突破10万 km大关。铁路运营里程的突破，也意味着铁路维修养护担子越来越重，而其中占据重大比例的隧道病害整治，已经成为国内外需迫切解决的难题。

渗漏水、冻害、衬砌裂损、基底病害在运营铁路隧道中经常出现且长期存在，这些病害从不同程度上危及行车安全、制约列车行驶速度。在病害治理方面，国内许多专家、学者已有很多研究，如:黄新社［1］按照无水裂缝和有水裂缝2种情况对裂缝产生的主要原因及裂缝对隧道结构的影响程度进行了研究;赵晓勇［2］根据蛇口峁隧道检测结果，对拱墙裂缝、错台、渗漏水、隧底积水、隧底及水沟开裂、道床下沉等各种病害的成因进行了分析，最后提出了相应的整治措施建议;王帅［3］结合试刀山、高山隧道病害整治工程，介绍了截水槽法工作原理;李传富等［4］从高海拔、高寒、冻土隧道的特殊水文地质环境条件出发，结合具体工程实践及试验研究，论述了其渗漏水防治技术的基本原则和方法。这些研究主要是从成因分析、整治设想、防治原则方面进行介绍，而本文总结性地整理高寒地区隧道各种病害及其诱发原因，着重对高寒地区运营铁路隧道渗漏水及冻害整治技术进行介绍总结。

1 工程概况

集包线某隧道位于内蒙古高原南缘之大青山低中山区，洞身海拔超过1 500 m，为单洞双线隧道，最大埋深130 m。隧道地处内蒙古高原，冬季寒冷漫长，霜冻时间长。冬季长达5～6个月，极端最低气温-35．6℃，最低月平均气温-15．6℃，年平均气温2．9℃，属于高原寒冷地区，土壤最大冻结深度246 cm。

隧道穿越印河与大黑河的分水岭，洞身通过区地层岩性复杂，主要有第四系全新统洪积层及坡积层，上第三系上新统玄武岩、泥岩夹砾岩、华力西中晚期花岗岩等。地表覆盖大面积玄武岩层，具有典型的桌状地貌形态，并伴生有角度不整合。隧道通过区地下水以基岩裂隙水为主，大气降水是本区地下水的直接补给源，降水集中在7—8月。低中山区降水以地表沟谷径流排泄为主，地表岩体破碎，节理裂隙发育，有利于大气降水及积雪融化的渗入。

该隧道防排水采用常规设计，未考虑防寒保温要求，具体设计情况为:1)二次衬砌与初期支护间设防水层，土工布(400 g/m2)+EVA防水板(1．5 mm厚);2)φ 50环向盲管(10 m/道)+φ 80纵向盲管(全长布置);3)衬砌与仰拱施工缝采用中埋式橡胶止水带(s型，10 m/道)+遇水膨胀橡胶止水条(10 m/道)+界面剂;4)两侧排水沟+中心排水沟。

由于该隧道地下水来源丰富，采取“全堵”方式治水收效甚微，现场施工中隧道整治采取“堵排结合、综合治理”的方法。隧道横断面(洞口V级围岩)见图1。

图1 隧道横断面图(单位:cm)Fig．1 Cross-section of tunnel(cm)

集包线于2012年12月3日开通运营。2013年1月16日集宁工务段发现该隧道出口至洞内1 300 m范围内两侧水沟存在冻结现象，局部地段水漫出水沟盖板后引起道床结冰。2013年3月12日发现自进出口洞门至洞内2 km左右多处存在渗漏水现象，渗漏水主要有道床板顶面渗水和水沟外侧边墙底渗水。

作业人员于2013年1月下旬对隧道出口进行初步整治，凿除道床、水沟积冰，疏通两侧排水沟，避免造成行车危害;2013年7月开始对隧道进行了为期2个月的综合整治，旨在彻底消除病害隐患，确保行车安全。

2 主要病害及成因分析

2．1 衬砌结构性病害

该隧道结构性病害为:洞内距出口1 200 m处衬砌存在2处环向裂缝，裂缝宽度约为0．8 mm，自拱顶向左侧(线路前进方向)侧墙环向延伸，长度均为13 m左右，两裂缝间距9 m(不属于同一模衬砌)，2条裂缝附近几模衬砌还分布有其他微小裂纹(≤0．2 mm)。

造成本隧道衬砌结构性病害的主要原因可能有以下方面:

1)地形的影响。裂缝处地形起伏较大，山体偏压造成围岩压力分布不均匀，靠山一侧压力大［1］。

2)地下水的影响。地下水的动静压作用、严寒地区的冻胀力、地下水作用于隧道体周围的软弱破碎岩层，导致衬砌周围出现空洞等约束不均匀，可能造成衬砌开裂［4］。

3)温度变化的影响。裂缝产生于1月，为当地温度最低月份，月平均气温在-15℃以下，裂缝处距隧道出口1 200 m，且处于上风口，洞口至洞内1 500 m左右长时间处于负温状态，温度变化导致开裂。

4)施工质量的影响。尽管隧道衬砌浇筑完成后进行过一次全面注浆，仍不可避免出现部分区域衬砌背后回填不密实，运营后出现结构变形和裂损［5］。

2．2 渗漏水病害

本次检查共发现渗漏水51处，其中边墙7处，道床板上行线18处、下行线16处，道床板与仰拱施工缝相接处10处。洞内道床板渗水部位为双侧水沟电缆槽外侧与踏步板接触处，踏步板与道床板接缝处，左右两侧均有分布，以左侧为例，见图2。

图2 洞内道床板渗水部位示意图Fig．2 Water seepage position near track slab in tunnel

造成该隧道渗漏水病害的主要原因可能有以下几方面:

1)衬砌的防排水系统局部失效。

2)衬砌混凝土自身密实度不够，泌水管路较通畅。

3)施工原因造成的衬砌混凝土缺陷，如振捣不充分，施工缝处理不完善，拆模过早等［5］。

4)衬砌裂损。

2．3 冻害

该隧道出口至洞内1 300 m范围内两侧水沟存在冻结现象，局部地段水漫出水沟盖板后引起道床结冰。

造成该隧道冻害的原因有以下方面:

1)隧道排水沟、横向排水波纹管内杂物阻塞，出口水沟为4．9‰的下坡，水不断积聚后漫过阻塞物造成沟底排水线路不断提高，在长时间严寒条件下，水漫过排水沟，造成排水沟、道床结冰。

2)隧道地处内蒙高原，冬季平均风速达到5—6级，隧道出口处于上风口，在长时间寒风灌入下，隧道自出口洞口至洞内1 500 m左右温度在0℃以下的时间长达3个月以上。

3)隧道所处地层岩体破碎，节理裂隙发育，大气降水及积雪融化后渗入岩体，隧道顶部及侧墙均处于富水岩层中，水通过泌水管路不断渗出，渗出即结冰。

4)集包线行车密度较大，在来回列车推力作用下，洞口处严寒空气与洞内空气循环交换，使洞内寒冷空气影响长度大且连续。

3 高寒地区运营铁路隧道渗漏水整治技术

3．1 整治方案

国内隧道病害整治的方法主要有注浆加固、结构补强、拆除重建3种方法［6］。注浆加固一般用于普通结构性裂缝，实施起来简单方便;结构补强在隧道病害整治中应用较广，衬砌开裂较大、掉块时一般采用此法［7］;拆除重建常用于老旧隧道整治或扩建中，一般需长时间中断行车。

为确保正常行车及接触网安全，需先对起拱线位置以上裂纹进行处理，再对起拱线位置以下裂纹进行处理。首先对2道环向裂缝及其附近各15 m范围内衬砌裂纹长度、宽度、深度进行检测;其次对各部位裂纹仔细观察测量，掌握第一手资料，记录裂纹宽度。

细小的无害裂纹采取表面涂抹法处理;对于裂纹宽度相对较大的边墙处采取填充法;对已检查出的2处环向裂缝及51处渗漏水部位采用注浆加固法处理。裂缝处理流程见图3。

3．2 处理方法

3．2．1 裂纹处理方法

1)表面涂抹法［8］。表面涂抹适用于浆料难以灌入的细而浅深度未达到钢筋表面、不伸缩的裂纹以及不再发展的裂纹。用环氧树酯浆液先涂抹2～3遍，然后采用“水泥基渗透结晶防水涂料”涂抹2层防水，最后采用水泥、白水泥和107胶进行调色处理，使修补后的裂纹颜色与衬砌混凝土的颜色一致。调和料的质量配比为水泥 ∶白水泥 ∶107胶=4∶3∶1。

2)填充法［8］。用修补材料直接填充裂纹，用来修补较宽的贯通裂纹。适用于宽度小于0．3 mm，深度较浅的裂纹(裂纹深度＜50 mm)、或是裂纹中有充填物，用灌浆法很难达到效果的裂纹，以及小规模裂纹的简易处理。采取开V型槽，填充处理。在槽内骑缝每隔0．5 m钻一孔，孔深为衬砌厚度的1/2或2/3，一般≥15 cm，填充的材料采用环氧树脂砂浆，填充施工完毕后再进行调色处理。

图3 裂缝处理流程图Fig．3 Flowchart of crack treatment

3．2．2 裂缝及渗漏水处理方法

1)边墙。边墙渗水量较大时，在其下方(尽可能选择施工缝位置)打孔放水，打孔深度结合第三方衬砌无损检测报告(衬砌厚度资料)现场决定，可以孔内出现有水迹象作为参考。打孔完毕后从打孔处竖直凿一条内宽5～6 cm，外宽4～5 cm，深5 cm的倒梯形槽，清除槽中混凝土残渣并用清水洗槽及周围，然后在槽中固定50 mm半圆形波纹管［8］，并在间距20 cm处采用金属卡固定，最后将调和好的聚硫密封胶填入槽中并稍稍高出，然后修平，待聚硫密封胶干后，用调好的“水泥基渗透结晶型防水涂料”刮涂2层防水，厚度≥2 mm。

2)道床板。①对双侧水沟进行彻底清理，使水沟排水畅通，减少水压力，不出现积水现象。②道床板渗水，采用封堵处理。注浆之前，对渗漏水部位用铁刷刷干净，找到出水点后，在湿渍区及渗漏水区边缘外0．5 m范围内打设注浆孔，安设灌浆嘴，灌注化学止水浆液，间距为 50 cm×50 cm，灌浆压力为 0．5～1．0 MPa。灌浆施工过程中要逐步增加灌浆压力。注浆完毕48 h混凝土表面无水渗出为合格，检验合格后将混凝土表面清理干净，最后用调好的“水泥基渗透结晶防水涂料”刮涂2层防水，厚度≤2 mm。

渗漏水部位处理示意图见图4。

图4 渗漏水部位处理示意图(单位:cm)Fig．4 Sketch of water leakage treatment(cm)

3．2．3 注浆加固法各步骤处理要点

注浆加固法主要适用于裂纹宽度较大(＞0．3 mm)，裂纹较深(＞50 mm)的裂纹。其主要步骤为:裂纹处理—埋设灌浆嘴—封缝—密封检查—配制浆液—灌浆—封孔结束—抹调色膨胀水泥砂浆美化墙面。

1)裂纹处理。混凝土裂纹表面用钢丝刷刷干净，并对裂纹的表面进行打磨，用电吹风吹并用高压水冲洗，保持裂纹两边一定范围内干净，无松动的混凝土小块和其他污泥杂物。

2)埋设灌浆嘴。确定灌浆孔位置:沿裂纹方向每隔20 cm在裂纹两侧约5 cm处各钻1孔，2孔成V形布置，孔深为衬砌厚度的1/2或2/3，一般≥25 cm，选用长度为25 cm或30 cm的止水针。钻孔深度不得穿透衬砌，以防止破坏防水层，引起漏水。钻孔孔底应到达或少许穿过裂纹，以确保浆液能进入裂纹并填充裂纹。用高压清水或高压风将孔内的杂物及粉尘冲洗干净，再插内止水针，并旋转止水针管尾，使止水针头橡胶段收缩膨胀，防止跑浆。埋设时，先在灌浆嘴的底盘上抹一层厚约1 mm的环氧胶泥，将灌浆嘴的进浆孔粘贴在预定的位置上。

环氧胶泥质量配合比:环氧树脂 ∶二丁脂 ∶乙二胺 ∶水泥 =100 ∶30 ∶14 ∶365。

3)封缝。采用封缝胶，沿裂纹表面涂刮封闭除灌浆嘴外剩余裂纹，防止浆液从裂纹表面溢出。

4)密封检查。裂纹封闭后待封缝胶有一定强度时，进行密封检查。在裂纹表面先涂上一层肥皂水，然后从灌浆嘴通入压缩空气，如有漏气，及时进行密封。

5)灌浆。灌浆前先对灌浆机具、器具及管子进行检查，运行正常后开始灌浆。

将配制好的环氧树脂浆液放入搪瓷桶，把标尺插进桶中，并作灌浆记录;压浆时，保持在0．2 MPa以上的压力，并且逐渐升高。注意观察灌浆嘴的排气情况，待有纯浆排出，即可堵住灌浆嘴。待最后一个灌浆嘴流出浆液时，堵住浆嘴，再继续压注5 min左右，关上进浆嘴上的转芯阀门，即结束灌浆。

灌浆结束后，立即拆除管道，并用丙酮把管道、设备清洗干净。

6)封孔。灌浆1 d后，浆液凝结并已达到一定强度，旋转退出止水针尾部或直接切除针尾，再用与衬砌混凝土同色的水泥砂浆抹平残孔进行封孔。

7)调色。调色砂浆的质量配比为水泥∶河砂∶粉煤灰 ∶水=1 ∶4．11 ∶0．25 ∶0．50。其中河砂为特细砂。将调配制好的调色砂浆抹在树脂砂浆表面与衬砌的混凝土抹平，以保证外观质量。

3．2．4 现场实施

注浆机采用ⅠE-01型高压注浆堵漏机，注浆堵漏针头配合，浆液采用自配环氧树脂。现场主要人员为钻机手4名，注浆手3名，清理工1名，辅助工1名，专职安全员1名，驻站联络员1名，主要机械设备为发电机3台，钻机6台，注浆机3台，吹风机及高压水枪各1台。

1)高压注浆堵漏机。ⅠE-01型，详见图5。可在几秒内达到0～50 MPa工作压力，满足注浆压力要求，可进入0．02 mm以上的发丝裂缝。机具体积小，便于操作与携带(质量5 kg)。除一般传统置料方式外，本机可切换至吸料管进料，可节省倒料时间及注浆材料，可避免材料二次污染。

图5 高压注浆堵漏机Fig．5 High-pressure grouting sealing machine

2)灌浆堵漏针头。有 A-8，A-10，A-15，A-25，A-30等多种型号(详见图6)，对应针头长度为8，10，15，25，30 cm等，直径一般为14 mm，是浆液注入裂缝内的连接件，埋设时应用工具紧固。注浆完成，浆液达到强度后，锯除外露部分，刮面涂抹防水涂料处理。

4 高寒地区运营铁路隧道冻害整治技术

隧道冻害主要集中于隧道出口至洞内1 300 m，2013年1月进行了凿冰、疏通沟槽工作，2013年7月开始进行了为期2个月的沟槽清理、渗漏水处理、伴热电缆铺设、保温材料铺设更换等工作。

主要工作为:

1)移除出口至洞内已冻结的两侧水沟及电缆沟盖板及保温材料。

2)清理水沟及隧底横向波纹管内淤泥，凿除道床结冰，对水沟外侧底板进行渗漏水处理。

3)为隧道出口至洞内800 m铺设电加热设备［9］，最后恢复隧道出口水沟及电缆沟的盖板及保温材料。

图6 注浆堵漏针头Fig．6 Grouting needles

4．1 水沟电缆槽、底板去冰、疏通

将双侧水沟上盖板上结冰凿除，对于结冰较厚无法凿除处，采用电热棒、乙炔或汽油喷枪进行融冰。揭开盖板后，对双侧水沟进行彻底清理，使水沟排水畅通，减少水压力，不出现积水现象。

4．2 底板渗漏水处理

将底板上积冰清除以后，用喷枪对受处理面进行烘干处理，然后观察是否有润湿痕迹，对再次出现湿渍处进行渗漏水处理，夏季二次整治时检查效果，进行二次渗漏水处理，具体步骤与洞内渗漏水处理方法相同。

4．3 伴热电缆的铺设

4．3．1 伴热电缆参数

本次隧道水沟冻害整治采用工业上管道防寒用伴热电缆，其技术参数如下。

1)温度范围。最高工作温度(130±5)℃，最高曝露温度150℃。最高承受温度:改良性聚烯烃105℃、阻燃聚烯烃105℃、含氟聚烯烃180℃、全氟材料205℃。

2)施工温度。最低-40℃，最佳施工温度为0℃以上。

3)热稳定性。由10～149℃来回循环300次后，电缆发热量维持在90%以上。

4)弯曲半径。-20℃时为38．5 mm，-30℃时为49．0 mm。

5)绝缘电阻。电缆长度100 m，室温20℃时用1 000 V(DC)在屏蔽层与导电线芯之间摇试1 min，绝缘电阻最小值为1 200 MΩ。

6)输出功率与电压。10℃时每米输出功率45 W，工作电压380 V，具有阻燃、防爆、防护性能。

7)尺寸。带状，横截面12 mm×2 mm，铜芯导线7 mm ×0．50 mm。

由于伴热电缆工作时通过电流很小(起动电流一般只有0．3～0．5 A/m)，铺设及正常使用中不会对作业人员、维护人员造成危害，在冬季极寒气温下，启动伴热电缆，可使洞口水沟相对封闭区域内产热与散热达到均衡，保证水沟内温度达到0℃以上，达到水沟内不结冰的目的。

4．3．2 铺设步骤

1)将双层水沟的下层两内侧混凝土表面的毛刺，尖锐边棱打磨，使其光滑平整。

2)沿下层水沟两内侧钻眼后安设伴热电缆挂架，两侧挂架交替安设，挂架单侧间距1 m。

3)将发热带安设在挂架上，电缆不打折、不过紧。

4．3．3 检查与调试

整个系统安装完毕要进行调试，确保系统正常安全工作。首先检查所有器材、配件均已正确安装，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，发热电缆是否接通，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。通过测试检查系统启动是否自如，另外检查电源箱各开关、显示灯工作是否正常。通电试运行，调节电伴热工作温度，3次降低或提高工作温度，检查发热电缆是否正常伴热。在寒冷环境温度下，要观察电伴热工作情况及周期。

本次伴热电缆检查调试结果:各配件正确安装，外观完好;启动后全长范围内均可发热，温度调节器正常;经过3次降低与提高的工作温度调节，电热带均可正常工作。

4．3．4 注意事项

1)洞内发热带铺设应注意发热带挂架钉立位置应离排水沟下层盖板一定距离，防止盖板破坏发热带(如图7所示)。

2)发热带要一直引至洞外集水井，使洞内水流顺利流入集水井，防止冬季洞口水沟冻结(如图8所示)。

5 处理效果

利用近2个月“天窗”时间进行整治，2013年9月下旬渗漏水整治完毕，业主组织各方进行验收，验收结果:隧道环向裂缝已充填、刮面完毕，未见裂缝扩大;拱顶、拱部、边墙渗漏水已处理处未见明显湿渍，表面干燥，无渗水痕迹。2014年1月对洞内渗漏水处及洞口排水沟复查，渗漏水处不再漏水，沟槽内排水畅通，洞口处水沟内未上冻。

6 现场经验总结、存在的不足及建议

6．1 现场经验总结

1)环氧树脂浆液黏度小，可灌性好;固化后的收缩性、抗渗性好，不易造成气泡、不饱满等不良现象;其浆液固化后的抗压、抗拉强度都能满足设计要求，有较高的粘结强度，满足现场适用性、耐久性要求。但是在既有线施工中，现场配制浆液不便，冬季严寒条件下，现场施作不易，若能采用使用更方便的成品浆料替代，处理效果更好。

图7 洞内发热带铺设Fig．7 Heat tracing cable installed in tunnel

图8 洞外集水井发热带铺设Fig．8 Heat tracing cable installed in water collection well outside tunnel

2)由于渗水裂缝采用浆料填充，虽可采用注浆压力这一指标控制，但仍无法保证所有裂缝均充填充分，此外，由于细小裂缝不断处在发展之中，注定渗漏水整治是一个长期的过程，因此做好隧道渗漏水整治档案，对隧道整治情况实时记录，很有必要。

3)高寒地区隧道病害渗漏水整治最好集中在7—8月进行，夏季温度较高，洞口洞内施工条件较好，作业人员施工效率高。且夏季雨水多，隧道内渗水处明显，方便找到出水点。

6．2 存在的不足

1)采用注浆加固方式对裂缝及渗漏水处进行处理，当前虽效果良好，但未经历几个完整雨季及冬季，很难对其整治效果做出一个最终评价，本技术在隧道病害、整治处理效果检测评估方面涉及内容较少［10］。

2)采用伴热电缆加热方式对水沟进行防冻保温在国内处于摸索实验阶段，当前现场实施效果良好，但仍有以下缺点:①市场上无针对隧道排水沟防寒特点设计的电热带;②电热带外包层为塑料制品，长时间使用后容易老化;③造价相对较高，需增加电热带购置、电费、维修更换等费用。

3)本技术研究依托铁路运营隧道，扩展到公路，由于公路特有的对路面抗冻抗滑的要求［11］，本技术适用性将受到限制。

6．3 建议

1)寒区隧道整治难度与施工期隧道防排水、保温系统施工质量存在直接关系，施工单位应特别注意隧道施工中的过程控制，以减小后期运营维修工作量，另寒区隧道冻害往往在处于隧道上风口的洞口比较严重，施工中应特别注意该段落保温系统的施作。

2)隧道病害整治对现场作业人员素质要求较高，一个配合良好的小型施工班组，在工作效率上可事半功倍，在现今中国隧道建设大发展、建设方要求所建工程终身保修的背景下，施工单位成立一支小型专业隧道整治队伍，负责已运营隧道的病害整治工作，不失为一个好的发展方向。

3)环氧树脂现场配置不便且配合比控制较为困难;聚氨酯防水堵漏短期效果好，长期则难以保证稳定;水泥浆液凝结速度慢且用量巨大，止水效果亦不佳。行业技术人员可对市场上众多注浆液进行实验研究，寻找到一种流动性好、凝结速度快、充填效果佳、性能稳定、成本低廉的注浆料，以满足高寒地区隧道渗漏水治理的需要。

7 结论与讨论

在该隧道病害整治过程中，采用“疏通+注浆+铺电热带”的方式，成功解决了高寒地区隧道水沟、底板结冰难题，有力保证了高寒地区铁路运营安全，在不影响行车、造价较小的情况下完成了隧道病害整治工作，取得了良好的效果。高寒地区运营隧道病害整治技术，技术成熟，操作简单，具有强大的生命力与广阔的发展前景。

认识高寒地区隧道渗漏水形成机制是研究高寒地区运营铁路隧道渗漏水整治技术的前提［12］，笔者仅在病害分类、机制分析及应对措施方面做了初步研究，建议行内技术人员能在进一步深化渗漏水形成机制认识的基础上，寻求更有针对性、更耐久适用的渗漏水及冻害整治措施，以更好地推动高寒地区已运营铁路隧道渗漏水整治技术的健康发展。

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