嚴寒地區鐵路隧道襯砌凍脹病害及治理措施研究

張 恒

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

我國凍土面積分布非常廣泛，其中多年凍土主要分布在東北大、小興安嶺和松嫩平原北部及西部高山和青藏高原，并零星分布在季節凍土區內的一些高山上［1］。隨著近年來我國經濟形勢的蓬勃發展，對鐵路建設的需求也正在快速提高，隨著路網日益完善，工程建設正向著高緯度、高海拔等氣候條件惡劣的寒冷地區延伸。

在寒冷地區修建的隧道，存在著一般地區隧道所沒有的特點，最主要的技術難點是需要控制由于寒冷低溫、凍融循環等引起的病害，即對隧道結構造成的嚴重的破壞。隧道凍脹開裂、滲水掛冰，水溝凍結等問題一直困擾著我國鐵路建設和運營。過去對寒區隧道病害機理、周邊溫度場及凍脹力計算等問題雖然做過一定研究，但是還沒能從根本上解決隧道凍害問題。隨著科學技術水平的提高和工程經驗的增多，弄清隧道凍害原理，根治隧道病害的愿望顯得愈發迫切。

1 工程簡介

兩伊鐵路北起內蒙古呼倫貝爾市鄂溫克旗伊敏鎮，南到興安盟伊爾施鎮，南出口與白阿線相連。線路位于呼倫貝爾草原和大興安嶺山脈西緣上，屬大陸性亞寒帶型氣候，冬季漫長酷寒，夏季短促炎熱，晝夜溫差較大。全年冰凍期和霜期長達7～8個月，一般每年9月下旬開始下雪，到翌年4月底才開始融化，最冷月平均氣溫-26℃，極端最低氣溫達-50℃以下，土壤最大凍結深度3.2 m。林區多雨、多雪，雨量比較充沛，雨量多集中在6～8月，多為連陰天，氣候特別潮濕。鐵路全長185.4 km，工程于2005年9月開工，2009年12月竣工。全線隧道共6座，總長10km。最長隧道為哈布特蓋隧道，長度3 564 m。

主要設計參數［2］:隧道建筑限界采用“隧限—2A”，單線電化復合式襯砌結構。全線隧道暗挖段均采用復合式襯砌，Ⅱ級圍巖采用曲墻帶底板襯砌形式，Ⅲ～Ⅴ級圍巖均采用曲墻帶仰拱襯砌形式。二次襯砌除洞口少量Ⅴ級圍巖段采用鋼筋混凝土結構，其余均為素混凝土結構。防排水設計設置了拱墻防水板，并考慮到嚴寒地區排水條件，在隧道正下方設置了中心深埋水溝。隧道結構形式如圖1所示。

圖1 隧道結構形式(單位:cm)

2 病害簡介

兩伊鐵路通車以后，2009年11月至2012年4月的冬季檢查中，發現大部分隧道出現了襯砌開裂和中心水溝凍結堵死的情況，病害范圍較廣，給行車安全造成了隱患。

根據現場調查，存在襯砌開裂現象的有4座隧道，分別是哈布特蓋隧道，格吉格特隧道，呼吉日延1號、2號隧道。裂縫的總體表現較為一致，均發生在兩側水溝蓋板面上方2～3 m的邊墻上，呈縱向對稱狀，裂縫寬度0.5～6 mm，從洞口向里由寬漸窄，個別處伴有豎向開裂，裂縫寬度0.5～2 mm，洞口段局部有錯臺，錯臺寬度0.5～1.5 mm。根據連續幾年觀察，裂縫寬度隨凍融循環而有所變化，每年最冷月12月～1月中裂縫寬度達到最大值，夏季裂縫寬度有明顯減小，有些裂縫甚至很難被發現。

3 原因分析

根據鐵路運營通車后幾年的跟蹤觀測發現，裂縫發育段均分布在粉質黏土地層中，縱向裂縫一般出現在隧道受彎矩最大的邊墻位置，而且越靠近洞口的裂縫越嚴重，襯砌表面干燥并沒有水滲出，。

根據病害產生的特點進行分析研究，隧道病害主要發生在飽和粉質黏土地層Ⅴ級圍巖段，由于地處高寒地區，冬季最低氣溫達-50℃以下，凍結深度更是達到3.2 m，這種極端的氣候條件使飽和富水的粉質黏土層受凍產生強大的凍脹力。

本線隧道為單線電氣化結構形式，由于邊墻部分的圓形半徑較大，結構近似于細長的橢圓形，這使襯砌在受到徑向凍脹力作用時，邊墻受到的彎矩最大，而且本線多數襯砌采用素混凝土，抗拉強度較弱，最終導致襯砌在受力最大的兩側邊墻位置產生縱向延展裂縫［3］。

4 整治方案

根據病害的情況反映，在富水的粉質黏土受凍產生的強大凍脹力作用下，不僅素混凝土會受到破壞，就是鋼筋混凝土襯砌也會產生裂縫，所以僅依靠提高結構強度是不足以抵抗圍巖產生的凍脹力，要從根本上解決襯砌病害就必須采取保溫防凍措施，從源頭解決問題。病害治理應考慮鐵路已經運營的現狀，在保證行車與施工安全，盡量減少行車干擾的前提下進行。

方案根據襯砌裂損程度、地質條件、原襯砌結構形式及病害發展趨勢等因素綜合選取。最終確定對裂損程度較輕，襯砌結構較完整的病害段落采用“裂縫修補+增設表面保溫層”的整治方案;對襯砌裂損較嚴重，危及行車安全的段落采用“更換鋼筋混凝土二次襯砌+增設保溫層”的整治方案。

4.1 裂縫修補

在設置保溫層之前，必須對既有的裂縫進行修復。隧道裂縫修補采用表面壓力注漿，修補材料選用AB型環氧樹脂，施工流程為:觀測裂縫→清潔裂縫→預留并安裝底座→封閉底座間裂縫→連接管線與注漿器→漿液注入→拆除注漿器→清除封縫膠及底座［4，5］。邊墻裂縫注漿修補示意如圖2、圖3所示。

圖2 邊墻裂縫注漿修補示意

圖3 A-A大樣

4.2 表面增設保溫層

根據計算和實測的內凈空，設置適當厚度的保溫層，以減少圍巖內熱量流失，可以有效降低甚至避免隧道凍脹病害的發生。

(1)保溫層厚度計算［6，7］

各種材料熱阻計算公式如下

式中 R——材料層熱阻，m2·K/W;

δ——材料層厚度，m;

λ——材料導熱系數，W/(m·K)。相關材料導熱系數如表1所示。

表1 相關材料導熱系數

本地區土壤最大凍結深度3.2 m，隧道襯砌厚度0.4+0.22=0.62 m。

①凍結深度范圍土壤熱阻

R=δ/λ=3.2/1.16=2.76(m2·K/W)

②混凝土襯砌熱阻

R=δ/λ=0.62/1.74=0.36(m2·K/W)

③保證圍巖圈不凍結，所需保溫層熱阻

R=2.76-0.36=2.4(m2·K/W)

④保溫層采用聚氨酯材料，導熱系數收集相關資料，取為0.022(W/(m·K))，所需聚氨酯保溫層厚度

δ=R·λ=2.4·0.022=0.053 m

根據計算，保溫層厚度為5.3 cm即可達到防止圍巖凍結的效果。實際操作中為降低施工誤差影響，安全系數取1.3，選取的保溫層厚度為

δ'=δ×1.3=5.3×1.3=6.9 cm≈7 cm

(2)施工前應對隧道內凈空進行量測，保溫層不得侵入隧道建筑限界。為保證保溫層的均勻性與粘結強度，施工方式應采用噴涂，同時考慮防火及耐久性要求，材料選用改性防火聚氨酯泡沫，并在表面涂刷防火砂漿。

4.3 更換襯砌、增加保溫層方案

對于受凍脹嚴重地段，因為襯砌已產生貫通裂縫，嚴重影響了結構強度，并對運營安全留下了安全隱患。為徹底解決凍害帶來的影響，應對結構形式加以完善，徹底整治凍害。

本方案采取“更換鋼筋混凝土襯砌+增設保溫層”的雙重治理措施，對隧道進行整治。具體方案如下。

4.3.1 保溫層厚度的確定

根據之前計算結果，保溫層厚度取δ=5.3 cm即可防止圍巖產生凍脹。綜合隧道限界、襯砌強度等因素，確定本方案的保溫層設置于初支與二襯之間，厚度取值5 cm。

4.3.2 凍脹量的確定

采用彈性力學理論來確定凍脹量，為簡化問題，將隧道看成是處于無限大土體中，并作出如下基本假設:

(1)圍巖為均質、各向同性的連續介質;

(2)圍巖及襯砌受力屬于彈性應變中的平面應變問題;

(3)凍結圍巖處于封閉飽和水狀態;

(4)不考慮圍巖及襯砌的自重。

按線性內插法計算，取土體凍脹率為3.65%［8］，假設保溫在反復的凍融循環后，可以起到75%的保溫效果，凍結圈內圍巖的總膨脹量為

式中 hn——凍脹量，m;

H——凍結層厚度，按保溫層效果 75%，取0.75 m;

η——凍脹率，取3.65%。

得出hn=0.027 m

4.3.3 凍脹力計算

外側凍結圈膨脹被襯砌及外側未凍結土體所約束，由于凍結圈相對較薄，其凍脹力可看作未凍脹土體的彈性抗力所提供，因此計算出凍脹圈對外側土體的壓縮量，即可通過外側土體彈性抗力系數計算出襯砌所承受的凍脹力。

通過彈性抗力系數及土體凍脹量，在不考慮襯砌變形的情況下，可大致計算該處的凍脹力

式中 Q——凍脹壓力集度，MPa;

k——土體彈性抗力系數，MPa/m，根據經驗取20 MPa/m;hn——凍脹量，m。

得出，凍脹力Q=0.55 MPa

4.3.4 襯砌更換方案(圖4)

(1)更換襯砌施工流程為:鋼架防護→靜態爆破鑿除裂損段混凝土→清理界面→鋪防水板及保溫層→植筋→綁扎新更換襯砌鋼筋→支模→澆筑混凝土→養護→拆模。

(2)工序及施工技術要點

在保證施工安全與行車安全的前提下，采用預裂靜態爆破技術對既有襯砌進行分段拆除。

①鋼架防護:首先加工洞內防護鋼架，并對準備拆除段的兩側3.0 m范圍分別進行支撐防護，鋼架間距0.5 m。

②鉆爆破孔應在鉆孔臺架上進行，首先由技術人員劃點，鉆孔時要確保孔位偏差在允許范圍內，要精確控制孔眼深度，不允許打穿二襯，以免爆破對初支產生擾動變形。

圖4 更換襯砌及防護

鉆孔拆除:每2.0 m作為一個拆除段，兩端環向先鉆一排斷裂孔，孔徑φ60 mm，間距10 cm，深35 cm。裝藥孔徑3 cm，環、縱間距30 cm，梅花形布置。采用無損破碎劑，裝藥量為孔深的80%，孔眼采用干硬性砂漿封閉密實，6～12 h后襯砌即可被壓裂拆除。

爆破順序為:先爆破拆除拱部，其次爆破拆除邊墻及小邊墻。小邊墻應拆除至原施工縫位置，避免殘留混凝土夾層影響襯砌強度。爆破過程中應在軌道面鋪木板或草墊、橡膠墊等緩沖層，防止襯砌掉落砸壞鋼軌。

(3)每拆除一段舊襯砌后立即進行新襯砌的施工。

①鋪設初支防水板。

②二襯與初支之間增設一層厚度為5 cm的聚氨酯保溫層。保溫層在做好初支防水板后鋪設，保溫層鋪設完畢后，在其表面再增設一道防水板。

③綁扎鋼筋:鋼筋采用雙排布置，環向鋼筋間距200 mm。由于保溫層材料有易燃性，鋼筋連接采用無焊接的套筒機械連接方式，鋼筋植入小邊墻襯砌內［9］。

④澆筑混凝土:考慮到既有線的運營需要，如使用大型襯砌臺車將導致列車無法通過，故采用組合鋼模板進行襯砌澆筑，利用防護鋼架對模板進行支撐、固定。利用天窗時間進行混凝土澆筑，澆筑混凝土時應做好鋼架內側支撐，待混凝土終凝后即可拆除內撐、列車減速通過。在混凝土強度達到設計強度75%后方可拆模，并且不小于12 h。

5 結論

通過對本線隧道凍害原因以及整治方案的分析研究，在寒冷地區有凍融循環的條件下修建隧道工程，應在設計階段就給予高度的重視。以往的經驗表明，水是產生寒區隧道凍害的根源，要防止隧道凍害發生，就必須采取有效的排水、疏導措施。而本線隧道凍害的特點是由于地層中的粉質黏土具有含水及隔水的特性，不利于水的疏導，使富水的粉質黏土類圍巖凍脹發生病害。

對于有此類病害特點的隧道，應在設計與施工中考慮以下幾點:

(1)加強防排水措施，保證冬季排水通暢，降低隧道范圍內的地下水位，減少凍害發生的概率;

(2)采取必要的保溫防凍措施，降低凍害程度和凍脹力的影響;

(3)采用鋼筋混凝土襯砌形式，提高襯砌抗彎、抗拉強度，提高襯砌的整體性，即使有凍脹裂縫產生也可以通過修補等方法保證結構強度，確保鐵路運營安全。

［1］鐵道第三勘測設計院.凍土工程［M］.北京:中國鐵道出版社，2002.

［2］中鐵工程設計咨詢集團有限公司.新建鐵路伊敏至伊爾施線施工設計［R］.北京:中鐵工程設計咨詢集團有限公司，2006.

［3］兩伊鐵路隧道凍害整治方案專家論證會［R］.海拉爾:2012.

［4］JC/T1041—2007 混凝土裂縫注漿用環氧樹脂漿材［S］.

［5］薛紹祖.環氧樹脂灌漿治理混凝土裂縫技術［J］.新型建筑材料，2009(3):72-74.

［6］GB50176—93 民用建筑熱工設計規范［S］.

［7］QB/T3806—1999 建筑物隔熱用硬質聚氯酯泡沫塑料［S］.

［8］TB10035—2006 鐵路特殊路基設計規范［S］.

［9］JGJ145—2004 混凝土結構后錨固技術規程［S］.

［10］TB10003—2005 鐵路隧道設計規范［S］.

［11］孫兵.寒區隧道凍害等級及其設防等級研究［J］.鐵道標準設計，2012(4):88-92.