寒区铁路隧道衬砌抗冻主要设计标准与施工技术探讨

张 弛

(中国铁路设计集团有限公司,天津 300308)

引言

近年来,随着我国经济建设快速发展,在寒冷地区修建的隧道数量也越来越多。据不完全统计,近十余年来,我国在东北及华北北部的高纬度寒区已建成运营铁路隧道500余座,总长超过1 000 km。由于受到冬季气温低,冰冻期长且周期性剧烈变化的显著气候特点影响,一些寒区铁路隧道运营后表现出衬砌结构开裂、挂冰等情况,有些甚至出现剥落、掉块等严重问题,很大程度上弱化了隧道的使用功能,同时也给运营行车带来了极大安全隐患[1]。因此,如何有效解决寒区隧道冻害问题已成为业界迫切需要克服的困难,特别是针对新建隧道如何在设计和施工阶段提升隧道结构的防寒抗冻耐久性能,对寒区铁路的高质量建设管理至关重要。

1 寒区铁路隧道衬砌抗冻主要建设标准现状

近年来,东北地区牡绥铁路、哈牡高铁、吉图珲高铁等项目大量寒区铁路隧道的建设及运营实践表明,结合不同的气温条件,通过设置保温水沟、中心深埋水沟等防冻排水设施,充分利用隧址区的地温条件,基本能够保障隧道周边地下水的畅通引排,从而实现防冻的目的[2]。然而,由于温度的周期性变化导致部分隧道衬砌产生的季节性温差裂缝,在很大程度上又影响了结构的耐久性[3]。因此,寒区隧道衬砌抗冻的关键就在于控制温度应力的破坏作用,而围绕这个技术问题,相关建设标准提出了系列要求。

1.1 相关建设标准概述

1.1.1 国家标准

GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》(2015版)[4]针对混凝土结构的温度效应作用明确了分析方法,并对钢筋混凝土结构伸缩缝的最大间距给出了建议数值。GB 55001—2021《工程结构通用规范》[5]针对结构的温度作用效应计算方法进行了要求,同时提出最冷月平均气温低于-15℃地区的隧道,以及位于永冻土及冻胀土(季节冻胀深度大于2 m)的结构,应考虑冻胀力作用。GB/T 50476—2019《混凝土结构耐久性设计标准》[6]则针对冻融环境下的混凝土抗渗、抗冻、掺和剂指标等进行了规定。

1.1.2 行业标准

TB10003—2016《铁路隧道设计规范》[7]提出最冷月平均气温低于-3℃地区的隧道均应设置抗冻设防段,并原则性明确了抗冻段衬砌的结构形式、构造措施等设计标准。TB10005—2010《铁路混凝土结构耐久性设计规范》[8]针对冻融环境作用下隧道衬砌混凝土的性能指标提出了要求。

1.1.3 企业标准

Q/CR9207—2017《铁路混凝土工程施工技术规程》[9]针对铁路混凝土工程的钢筋连接、浇筑工艺及冬季施工等项目进行了规定。Q/CR9250—2020《铁路隧道衬砌施工技术规程》[10]对铁路隧道衬砌混凝土施工的各环节提出了总体要求,特别是对寒区隧道衬砌混凝土一次性浇筑的纵向长度提出了建议标准。

1.2 需研究完善的内容

根据前述内容分析可知,目前铁路隧道建设标准中关于寒区隧道抗冻衬砌方面的规定,虽然能够体现加强衬砌结构、设置温度变形缝及保温层等关键的原则性措施,但部分内容仍需进一步研究完善,如TB10003—2016《铁路隧道设计规范》中要求抗冻段衬砌应考虑冻胀作用并采用钢筋混凝土衬砌,但冻胀力的确定尚缺乏可靠依据[11];应设置温度伸缩缝,但设置原则并未明确;同时,对于保温层的应用亦过于简略。另外,Q/CR9250—2020《铁路隧道衬砌施工技术规程》中,寒区隧道衬砌一次性浇筑长度不宜大于9m的规定的适用条件也需要结合理论分析和工程实践,进一步研究探讨。

2 寒区铁路隧道衬砌抗冻主要设计标准的探讨

寒区铁路隧道抗冻衬砌的主要设计原则包括:二次衬砌采用防水钢筋混凝土;设置温度伸缩缝以消减温度应力的影响;隧道拱墙、仰拱、仰拱填充的接缝贯通对齐,以协调结构变形避免开裂;以及设置保温隔热层,减小衬砌的温差影响等。

2.1 衬砌结构纵向配筋

由于寒区冰冻持续时间长、气候寒冷且具有较大的负温差,寒区隧道衬砌结构需适应由较大负温差引起的拉应力作用,特殊情况下还需要考虑冻胀力作用影响,而工程实践表明:混凝土中配置适量的钢筋能够起到控制裂缝扩展,减少裂缝宽度的作用。因此,目前寒区铁路隧道洞口结构抗冻设防段范围衬砌均采用钢筋混凝土结构,其纵向分布钢筋一般按构造要求开展设计。但控制因温差变化引起的混凝土收缩裂缝的产生,仍需要进一步研究细化抗冻设防衬砌结构的配筋参数。

混凝土结构的裂缝一般均由拉应力引起,如轴拉、弯拉、剪拉,而即使是轴向受压的结构物也会因内部存在劈拉应力区而易产生裂缝。而混凝土结构是一种非均质体,承受拉应力作用时,各截面各质点受力是不均匀的,存在大量不规则的应力集中点,当这些应力集中点达到抗拉极限强度时,局部出现塑性变形,无筋时继续受力将导致应力集中处出现裂缝;而进行适当配筋时,钢筋将约束混凝土的塑性变形,分担混凝土的内应力,推迟混凝土裂缝的出现,提高混凝土的最终相对拉伸变形能力,即混凝土极限拉伸,相关经验公式见式(1)[12]。

(1)

式中εpa——配筋后的混凝土极限拉伸;

Rf——混凝土抗拉设计强度,MPa;

p——截面配筋率×100;

d——钢筋直径,cm。

依据公式(1),以速度350 km/h双线隧道Ⅲ级围岩抗冻衬砌为例,相关设计参数为:衬砌厚度,拱墙40 cm、仰拱50 cm,采用C35防水钢筋混凝土,Rf取1.57 MPa;环向主筋直径为18 mm,间距200 mm;纵向配筋分别采用直径为10,12 mm或14 mm、间距分别为250,200 mm或150 mm进行组合对比研究。计算对比说明如表1所示。

表1 抗冻设防段衬砌纵向配筋计算

由表1可以看出,抗冻衬砌的纵向分布钢筋采用“较细较密”的配置方式可降低衬砌混凝土的极限拉伸值,也能够相应提高结构的抗裂性能。

2.2 温度伸缩缝设计

一般情况下,沿隧道纵向温度场的变化规律基本呈抛物线形分布:冬季时,洞口两端温度低,洞身中间温度相对较高;夏季时,洞口端温度高,而中间温度较低。因此,隧道洞口抗冻设防段衬砌结构需设置温度伸缩缝消除温差引起的温度应力。JTG3370.1—2018《公路隧道设计规范 第一册 土建工程》[13]中要求“严寒与酷热温差变化大地区,特别是最冷月平均气温低于-15℃的寒冷地区,距洞口100～200m范围的衬砌段应根据情况设置伸缩缝。”而TB10003—2016《铁路隧道设计规范》中则要求最冷月平均气温低于-3 ℃时,应在隧道抗冻设防段设置伸缩缝。对比发现,铁路隧道温度伸缩缝的设计标准过于宽泛,需要结合具体工程实例更深入的研究细化。

新建朝阳至凌海南站客运专线为设计时速350 km高速铁路,当地最冷月平均气温-8.5 ℃。沿线的2座短隧道(长度均小于500 m)均未设置带缝宽的温度伸缩缝,施工时仅按照衬砌环向施工缝处通缝留设,且纵向钢筋在接缝处断开,经过近2个冬季的持续观测,现场并未发现冬季衬砌因低温而产生变形开裂的情况。

分析其原因可能与隧道所处地区处于东北高纬度严寒地区,冬季隧道内混凝土入模及养护的温度均要求不得低于5 ℃,而开通运营后冬季隧道内的温度明显偏低,因此,结构产生的负温差远大于夏季时的正温差。综上所述,隧道结构仅需考虑因混凝土结构自身收缩变形和因“负温差”引起的纵向温度应力的影响,此时温度伸缩缝可不设缝宽。

2.3 保温层防水工艺

寒区隧道一般通过对隧道洞口段、地下水丰富的节理密集带及构造带等地段设置保温层,从而缓解冬季隧道周边温度较高的围岩与隧道内的冷空气发生剧烈热交换,降低衬砌或围岩的温度变化幅度,达到防止冻害发生的目的。目前的铁路隧道衬砌保温层多采用双层防水板间夹保温板的“夹心式”设置,将保温层固定在初期支护与二次衬砌之间。然而,很多研究表明,常作为隧道抗冻结构保温层的聚氨酯保温板在遇水后的材料性能降低十分严重。因此,衬砌抗冻也要重点考虑保温层的防水问题。

聚氨酯保温板研究采用“包裹式”和“喷涂式”两种防水工艺,并开展现场试验对比研究。

2.3.1 试验方法

(1)保温板“包裹式”防水

将保温板单元块(尺寸为60 cm×200 cm)周圈采用厚1.5 mm的EVA防水板严密包裹后采用双焊缝密封接头部位,相对于传统的“夹心式”保温板安装方法,大幅降低了因局部渗漏后保温层大面积吸水而引发的保温性能下降的风险。“包裹式”防水保温板现场实施情况如图1所示。

图1 “包裹式”防水保温板加工

(2)保温板“喷涂式”防水

针对“包裹式”防水保温板施工中出现的加工工序复杂,且难以实现严密拼接铺挂等问题,进一步研究保温板表面直接采取“喷涂式”防水处理工艺的可行性。现场对保温板单元块(尺寸为60 cm×200 cm)周圈分别喷涂橡胶沥青与聚合物水泥2种防水材料开展防水处理试验,其喷射厚度均为1.2 mm。其中喷涂橡胶沥青防水保温板如图2所示。

图2 喷涂橡胶沥青防水保温板加工

2.3.2 实施效果对比分析

(1)保温板“包裹式”防水

“包裹式”防水保温板相比于传统采用的“夹心式”保温板工艺,节省了外层防水板铺挂时间,衬砌施工的整体工效相对较高。但由于包裹防水板的保温板边缘缝隙过大或不均匀,使其无法实现严密拼接,影响整体保温性能。另外,在衬砌混凝土浇筑过程中,也可能造成保温板错位严重。“包裹式”防水保温板与“夹心式”保温板安装效果如图3所示。

图3 “包裹式”(左)和“夹心式”(右)保温板实施效果

试验结果表明,采用橡胶沥青与聚合物水泥两种喷涂防水材料均能够满足聚氨酯保温板的防水要求。但相比橡胶沥青,聚合物水泥的阻燃性能更高且经济性也更好。因此,寒区隧道衬砌采用聚氨酯保温板作为保温层时可提前采用“喷涂式”防水处理,可在每块单元板周边均匀喷涂聚合物水泥防水涂料,确保运营期不因防水板局部渗漏导致保温层失效。

2.4 小结

(1)寒区铁路隧道抗冻衬砌的纵向钢筋可采用“细而密”的配置方式,以提高结构的抗裂性能。

(2)洞口设防段可结合气温、隧长等因素,进一步研究“零缝宽”温度伸缩缝的设置条件。

(3)衬砌保温层用聚氨酯保温板可采用喷涂聚合物水泥进行防水处理,确保有水环境保温层的保温效果。

3 寒区铁路隧道衬砌施工技术探讨

大量工程实践表明,在同样的温度年较差和日较差情况下,寒区隧道衬砌裂缝更容易产生与发展。然而,隧道衬砌混凝土裂缝产生的根源不外乎材料、施工和设计3个方面,其中由于施工因素造成混凝土早期裂缝的可能性达到80%[14]。因此,寒区隧道衬砌施工更是实现结构抗冻耐久的关键环节。

3.1 寒区铁路隧道衬砌的温度裂缝

3.1.1 混凝土的季节性温差裂缝

混凝土结构中的绝大多数构件为具有多余约束的超静定结构,隧道衬砌就属于典型的超静定结构。超静定结构由于其连续性强而具有很好的整体稳定性和抗震性能,但也因为变形和位移受到制约,往往在微小的外界作用下即会产生约束作用,而当约束拉应力(或应变)积聚到一定程度以后,就会在抗拉性能差的混凝土中产生裂缝,这种非荷载因素引起的裂缝通常成为“间接裂缝”[15]。引起间接裂缝的因素很多,主要包括混凝土的收缩、温差、强迫位移、施工缺陷、环境条件等,而外界温度的周期性变化,使得混凝土结构的不同区域和不同部位就可能产生温度差,这就必然会在超静定的混凝土结构中引起约束作用,从而导致季节性温差裂缝的产生。

3.1.2 混凝土的温度应力

(1)温度应力的特点

混凝土的温度应力是由混凝土内的温度改变而引起的。当混凝土中各部分温度发生变化时,将引起热胀冷缩的变形,而这种变形受到混凝土内各部分之间的相互约束及边界上约束的限制,不能完全自由地发生,这些约束引起的约束反力,即温度应力[16]。它具有以下特点。

①与一般荷载应力不同。基本上应力与应变不再符合简单的虎克定律关系,会出现应变大而应力小,应变小而应力大的情况。

②因混凝土结构的温度分布是瞬时变化的,所以结构中的温度应力也是瞬时变化的,具有显著的时间性。

(2)温度应力的计算

寒区隧道衬砌温度应力可根据《工程结构裂缝控制》[12]中的相关公式进行定量计算。

(2)

式中E——混凝土的弹性模量;

α——混凝土线膨胀系数,取1.0×10-5℃-1;

T——综合降温差,T=T1+T2+T3,T1、T2、T3分别表示混凝土水化热降温差、收缩当量温差和环境温差;

(3)

其中Cx——地基水平阻力系数;

d——衬砌厚度;

L——衬砌模段长度(环向施工缝间距)。

由公式(3)可以看出,温度应力首先和温差成正比:升温为正,应力为负,即引起压应力;降温为负,应力为正,即引起拉应力;收缩值换算为当量温差,永远为负值,应力为拉应力,因此混凝土结构的降温与收缩同时发生时,混凝土结构将承受互相叠加的拉应力,容易开裂。

3.2 寒区铁路隧道衬砌模段长度的确定

JTG/T D31-06—2017《季节性冻土地区公路设计与施工技术规范》[17]中,依据寒冷程度和围岩地下水状况对隧道冻害的影响,提出“一级、二级抗冻设防等级的隧道衬砌设缝分段长度不宜大于10 m”的要求,具体见表2。而Q/CR 9207—2017《铁路隧道衬砌施工技术规程》中规定寒区隧道“衬砌混凝土一次性浇筑的纵向长度不宜超过9 m”。相比于公路隧道的建设标准,铁路隧道的施工要求显得过于严格,可能需结合工程实例进一步研究完善。

表2 一级、二级抗冻设防等级的公路隧道划分

3.2.1 最大施工缝间距计算方法

当衬砌混凝土受到的拉应力大于混凝土的极限拉应力时,衬砌结构将开始产生裂缝。因此可由公式(4)推导得出衬砌施工缝最大间距计算式为

(4)

式中εp——衬砌混凝土的极限拉应变;

[Lmax]——最大施工缝间距。

3.2.2 计算过程

(1)计算参数选择

混凝土水化热降温差T1,可根据GB50496—2018《大体积混凝土施工标准》[18]中给出的公式进行计算,C40混凝土近似取10 ℃。

混凝土收缩当量温差T2,可假定采用降低温度的方法计算,对于整体灌注的钢筋混凝土结构取15 ℃。

环境温差T3,由于隧道结构受地温影响较大而受到日气温变化的影响较小,根据相关研究,可取区域的年均气温和最冷月的平均气温差作为计算值[19]。

隧道衬砌厚度d,按TB10003—2016《铁路隧道设计规范》要求取40 cm。

地基水平阻力系数Cx,取60×10-2N/mm3;

衬砌混凝土的极限拉应变εp,取2×10-4。

(2)计算结果

将上述计算参数代入式(3)中,计算可得表3。

表3 寒区铁路隧道衬砌环向施工缝间距计算

.(3)工程实例

朝凌高铁巴图营隧道全长6 200 m,为全线最长隧道。隧址区最冷月平均气温-8.5 ℃,属严寒地区;区域年均温9.5 ℃,环境温差18 ℃,计算可得衬砌环向施工缝最大间距11.7 m,施工阶段全隧采用12 m长衬砌台车。隧道自2017年10月开工,2020年7月贯通,线路自2021年8月开通运营至今,衬砌结构完好。

3.3 衬砌保温层施工新技术

目前,铁路隧道衬砌保温层多采用吊挂法施工。保温层一般采取双层防水板间夹保温板的结构形式,并采用防水板连接点环向张拉法进行防水板和保温板的施作。虽然该工艺较为成熟,但也存在吊带热熔焊接强度低,易导致拱顶部位外侧防水板连接不牢、下坠等问题,并且整体作业效率较低,大致需要6人,花费3 d时间才能完成一板(12 m长)双线隧道衬砌保温层的铺设。

某在建寒区高铁项目,为解决分块安装寒区隧道衬砌背后保温层的技术难题,现场研究了“工”字形可双面焊接的卡具,卡具要求与热熔垫片同材质,卡具横断面示意如图4所示,施工工艺如图5所示。

图4 卡具横截面示意(单位:mm)

图5 卡具施工工艺

(1)铺设第一层防水板后,可选择2个“工”字形卡具,将卡具垫片的下部支撑板外侧分别通过电磁焊接固定在预铺的第一层防水板上,然后将每块保温板依次插入卡具固定,并重复上述操作,直至完成一环保温层拼装。

(2)铺设第二层防水板时,通过电磁焊机把卡具垫片的上部支撑板和第二层防水板通过电磁焊接固定。

该方法施工工艺相对简化,操作便捷,具有一定的推广前景,采用该卡具辅助安装保温板如图6所示。

图6 卡具辅助安装保温板

3.4 小结

(1)寒区铁路隧道衬砌施工时,首先应研究优化衬砌施工方案,确定每次浇筑的混凝土方量、施工缝间距、浇筑时间、运输及振捣方式等。模板台车长度可根据隧址区的具体气象条件计算确定,且不宜过短,以免增大接缝渗漏水几率,引发冻害。

(2)衬砌保温层采用双面焊接热熔垫片卡具辅助安装工艺,可提高工效。

(3)寒区隧道衬砌还应从优化混凝土配合比,合理浇筑和振捣以及加强养护等方面控制施工质量,减少施工阶段的衬砌裂缝[20]。

4 结论

本文通过分析寒区铁路隧道的特点,对照梳理出目前衬砌抗冻主要建设标准存在的问题以及需要完善的内容,提出了抗冻设防段衬砌、温度伸缩缝和保温层等相关设计标准的优化建议,并结合具体工程实例验证了抗冻段衬砌模板台车长度的计算方法,提出了一种保温板安装的新工艺。主要研究结论如下。

(1)寒区铁路隧道结构抗冻方面的规定,虽然能够体现加强衬砌结构、设置温度伸缩缝及保温层等关键的原则性措施,但部分内容仍需进一步研究细化。

(2)寒区铁路隧道抗冻设防段衬砌宜重点研究采用“细而密”的纵向钢筋,“零缝宽”温度伸缩缝及“喷涂式”防水保温板,提高结构的抗裂性能。

(3)由于隧道结构埋置于地面以下,其受到气温变化的影响较小。因此,寒区隧道衬砌混凝土的环境温差,应在隧址区最冷月平均气温的基础上将年均温作为重点考量因素。衬砌模板台车长度可根据隧址区的具体气象条件计算确定,且不宜过短。