嚴寒地區客運專線隧道凍害預防技術和管理措施探討

寧少武

(長吉城際鐵路有限責任公司，吉林吉林 132000)

隧道建成后襯砌滲漏水是最為常見的病害，在嚴寒地區就會轉變為各種凍害。施工縫或者混凝土裂縫滲漏水并掛冰、滲漏水導致道床結冰凍害，反復凍融導致混凝土耐久性喪失、襯砌背后空洞集水凍漲導致混凝土脫落、襯砌背后初支和土質圍巖凍脹導致二襯混凝土開裂等是隧道工程凍害最常見表現形式。客運專線的列車運行速度通常在250 km/h以上，如果發生隧道襯砌滲水掛冰等凍害，對高速運行的列車的安全危害極大，凍害發生后列車有可能被限速運行，會引起惡劣的社會效應。客運專線隧道在設計階段有針對性地采取技術措施，建設期間緊抓關鍵工序采取管理措施，最大限度地預防各種凍害產生尤為重要［1-5］。

1 工程概況

1.1 基本概況

新建吉(林)圖(們)琿(春)鐵路線位于吉林省中東部，線路正線長360.602 km，途徑吉林省吉林市和延邊朝鮮族自治州，全線新建單洞雙線隧道84座，總延長155.394 km，隧道占線路總長度的43.093%，沿線路基本連續分布。

1.2 氣候條件

本區屬北亞溫帶濕潤半濕潤大陸性季風氣候。夏季短促溫暖，冬季漫長酷寒，春季干旱多風，秋季涼爽，四季分明。年平均氣溫4.0～6.8℃，1月平均氣溫-10.3～-23.4℃，7月平均氣溫20.5～23.9℃;極端最高氣溫36.3～37.7℃，極端最低氣溫-29.2～-42.5℃，年平均降水量528～670 mm，主要集中于6～8月;年平均蒸發量948.9～1 445.6 mm;平均相對濕度64% ～76%，全年平均風速約2.2～3.1 m/s，最大風速18～20 m/s。冬季寒冷多雪，偏西南、西北風，個別山地背風背陰處，整個冬季積雪不化，是本線所處地區典型的天氣條件。極端最低氣溫在-29℃以下，局部地方可達-42℃。2010年12月中旬沿線平均氣溫為-16.5℃。加上多次高強度降雪的影響，形成較厚的雪冰。

1.3 水文地質條件

本線隧道地下水主要為如下幾種:一是松散巖類孔隙水，富水性較差，水量中等至貧乏;二是碎屑巖類裂隙孔隙水，該類型地下水以大氣降水滲入和來自盆地周邊基巖裂隙側向徑流補給為主，地下水沿盆地或地形低洼處富集，在運移的過程中，常以泉的形式及側向徑流方式向外排泄;三是基巖裂隙水，構造裂隙水和風化帶網狀裂隙水分布地區，由于地形切割強烈，基巖大部裸露，為大氣降水垂直滲入提供了良好的蓄水空間，地下水多以泉的形式排泄及側向徑流補給其他類型地下水。

2 隧道防凍害關鍵技術措施

初期支護背后、初期支護與二襯之間存在流動性的水;初期支護與二襯之間的防水層在夏季處于正溫度區，冬季處于負溫度區，這是造成隧道各種凍害的外部因素;防水層防水功能失效、止水帶止水功能失效、初期支護背后和二次襯砌背后的空洞存在、二襯混凝土產生裂縫等也是產生隧道各種凍害的重要因素。水的存在、季節性凍土以及防排水系統施工工藝的缺陷是造成嚴寒地區隧道凍害的重要原因，設計和施工階段需要針對性地采取技術措施加以預防。

2.1 初支表面進行徑向注漿堵水

隧道開挖過程中拱頂若遇股狀涌漏水，則在洞頂附近采用注漿堵水，在隧道洞頂圍巖中形成一個不易透水的密實體，將地層涌流引開洞頂，使洞頂滲漏水在環向坡度較大處與襯砌外防水板接觸，并向下流動，經隧道排水系統排出洞外，從而起到注漿堵水的目的。吉林至琿春鐵路隧道設計要求對洞口段500 m范圍圍巖根據不同地層和地下水發育情況進行徑向注漿堵水，參數如下:注漿孔按梅花形布置，孔口環向間距約180 cm，縱向間距260 cm;孔口管采用φ50 mm，壁厚3.5 mm的熱軋無縫鋼管，孔口管應埋設牢固，并有良好的止漿措施;注漿材料采用水灰比為1∶1的水泥漿，施工時可根據地質條件需要適當調整;注漿壓力:0.5～2.0 MPa，注漿前應進行現場注漿試驗，根據實際情況調整注漿參數。

2.2 設置中心深埋排水溝取代側溝排水

實踐證明，在嚴寒地區隧道排水通過保溫側溝排水效果并不理想，防水板背后的涌水通過深埋中心水溝引排至洞外是行之有效的手段。中心深埋水溝采用φ600 mm鋼筋混凝土預制管，壁厚12 cm，并于水管上方設2 m寬10 cm厚的保溫層，埋深于凍結線以下，并根據當地氣候條件設置一定的長度，確保排水效果。中心深埋水溝示意如圖1所示。中心深埋水溝設置段落長度劃分見表1。

圖1 中心深埋水溝示意(單位:mm)

表1 中心深埋水溝設置段落長度劃分

2.3 加強襯砌配筋防止“凍脹”破壞二襯混凝土

2.3.1 洞口500 m設置保溫層地段

設置保溫層的隧道洞口500 m防寒段按D2環境設計，二次襯砌混凝土采用C40鋼筋混凝土，設置保溫層洞口防寒段二次襯砌混凝土等級及配筋見表2。

表2 洞口防寒段鋼筋配置(設保溫層)

2.3.2 洞口500 m未設置保溫層地段

對于洞口500 m未設置保溫層地段，除按D2環境設計，二砌混凝土采用C40鋼筋混凝土外，還考慮了一定的凍脹力作用，所以對環向受力主筋進行了加強。另外考慮東北地區冬夏季溫差較大，會對襯砌產生較大的拉應力，為防止襯砌受拉開裂而產生病害，對隧道洞口500 m范圍內襯砌縱向分布鋼筋進行了優化調整。未設置保溫層洞口防寒段二次襯砌混凝土等級及配筋見表3。

表3 洞口防寒段鋼筋配置(未設保溫層)

圖2 保溫出水口結構(單位:cm)

2.4 進一步優化保溫出水溝結構確保排水暢通

根據對吉林至琿春高速公路保溫出水口的調研結果和對寒冷地區出水口的凍結機理分析將保溫出水口優化為如圖2所示。

2.5 部分隧道初期支護和二襯之間設置隔熱層

(1)拉法山、香水隧道洞口500 m范圍內設置保溫層，設置于初期支護與二次襯砌之間，由一層5 cm厚硬質聚氨酯保溫板加內外2層防水板構成，拱墻設置。

(2)石門隧道于洞口500 m范圍內設置保溫層，保溫層設置于初期支護與二次襯砌之間，采用10 cm厚?；⒅楸厣皾{，拱墻設置。

(3)其余隧道洞口段土質地層、極破碎地層地段及膨脹巖地層地段于初期支護與二次襯砌之間設置保溫層，保溫層設置于初期支護與二次襯砌之間，由1層5 cm厚硬質聚氨酯保溫板加內外兩層防水板構成，拱墻設置。

2.6 二次襯砌背后進行注漿回填防止水囊產生

為保證初支與二襯密貼，不形成水囊，對隧道二次襯砌背后進行回填注漿。預貼注漿花管采用φ20 mm的PVC管，并應在管身布設梅花形溢漿孔，排氣管不布孔，回填注漿采用微膨脹性水泥砂漿。

3 隧道防凍害管理措施

3.1 反復組織專家論證隧道防寒方案的可行性

吉圖琿鐵路項目施工圖設計階段和施工階段組織了多次專家會議對隧道防寒措施進行評審，專家層次涵蓋了鐵路、公路以及市政等方面設計、施工方面。通過數次專家評審，匯集了國內外、路內外條件類似隧道防寒措施，根據專家意見對設計采取的措施進行了修正，使得隧道防寒措施在技術上可行，經濟上合理。

3.2 借助科研平臺進一步驗證方案的可靠性

根據上級單位組織安排，依托吉圖琿鐵路項目進行隧道防寒措施綜合深入研究。一方面在于弄清楚隧道防寒凍結機理和規律，以便于為今后類似工程的設計積累經驗;另一方面通過現場試驗檢測驗證隧道防寒措施的可靠性，進而通過進一步修正防寒設計參數達到防寒措施可靠的目的。

3.3 組織設計單位對有關單位進行專項技術交底

吉圖琿項目建設管理過程中，將隧道防寒和防排水列為重點工序進行管理，組織設計單位對建設管理人員、監理人員、各級施工管理人員進行專項技術交底，使所有吉圖琿鐵路參建人員都清楚本線隧道防寒和防排水設計意圖、設計特點和每一項技術措施，使設計意圖在施工過程中得到真正的貫徹。

3.4 組織相關單位將隧道防排水進行動態管理

施工圖設計中針對隧道防寒的專項措施是在工程地質和水文地質勘察的基礎上制定的通用措施，隧道工程的工程地質和水文質條件在施工過程中是千變萬化的。隧道開挖后水文地質條件若發生重大變化，比如發生較大涌水、地質條件與設計不符，對隧道防寒措施產生重大影響時，由建設管理單位組織相關人員進行現場勘查，針對性制定專項措施，重點解決，并建立全線隧道重要段落的工程地質和水文地質條件臺帳，為日后隧道防寒效果評價提供基本資料。

3.5 明確界定各級管理單位隧道防寒措施的質量管理責任

在組織設計單位進行全面技術交底的同時，要求各有關參建單位將隧道防寒措施和防排水過程控制列為隧道施工過程控制重點工序進行管理，建設單位、設計單位、監理單位和施工單位分別明確隧道措施各級的質量管理責任，并要求每項質量管理責任落實到單位、落實到責任人，并制定獎罰措施。

3.6 組織施工單位編制專項作業指導書并落實工序質量責任

根據隧道設計中防寒技術要求，針對凍害發生的機理，主要從施工工藝標準、人為因素、材料質量控制等方面要求施工單位編制專項作業指導書，內容涵蓋與隧道防寒相關工序作業。作業指導書需經相關單位進行逐級報批后，對基層作業人員和質量管控人員進行培訓，使所有參加施工人員和監理人員都做到心中有數，逐級落實工序質量責任。

4 結語

吉圖琿鐵路自2011年年初開工至今，已有數座隧道貫通，并經過一個冬季的考驗，通過采取各種技術和管理措施，沒有發現凍害發生。但已采取的技術措施和管理措施在運營期間是否有效還有待于今后在實踐中檢驗。

［1］王峰.高速鐵路建設管理實踐和探索［J］.鐵道標準設計，2011(6).

［2］王志堅.武廣鐵路客運專線建設管理［J］.鐵道標準設計，2010(1).

［3］錢桂楓.滬杭高速鐵路建設管理體會［J］.鐵道標準設計，2011(6).

［4］申志軍.武康增建二線隧道建設管理與施工技術［J］.鐵道標準設計，2007(S1).

［5］李貴祥.大西鐵路客運專線標準化管理思考與實踐［J］.鐵道標準設計，2011(S1).