高寒隧道凍脹施工防治措施研究

劉伏心

（中鐵十一局第二工程有限公司，湖北 十堰，442000）

工程技術(shù)與應(yīng)用

高寒隧道凍脹施工防治措施研究

劉伏心

（中鐵十一局第二工程有限公司，湖北 十堰，442000）

針對高寒地區(qū)修建隧道面臨的凍害問題，初步探討了高寒地區(qū)隧道凍脹害產(chǎn)生的機理及凍脹作用對隧道襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響的規(guī)律，從襯砌保溫、圍巖保溫、排水系統(tǒng)保溫三方面探討了隧道施工凍害防治的技術(shù)措施，可為今后類似工程的設(shè)計與施工提供參考與借鑒。

高寒地區(qū)；隧道；凍脹；施工

隨著目前高速鐵路建設(shè)逐漸向北方發(fā)展，隧道施工中因為凍害引起的問題逐漸顯現(xiàn)，比如常見的隧道病害有襯砌漏水、掛冰、道床結(jié)冰、凍脹作用下道床隆起、洞口塌方、襯砌開裂等。特別是洞口段，因為結(jié)冰，局部可能造成侵入列車限界，給鐵路運營帶來安全隱患。同時凍害的治理難度大，影響因素多，且一般的辦法達不到去根的效果，這樣將給整個鐵路運營帶來較大的損失。根據(jù)以往的施工經(jīng)驗，結(jié)合黑龍江地區(qū)的實際施工條件，為了確保隧道施工質(zhì)量，在隧道施工期間在高寒隧道凍脹問題上做了同步分析和論證，并經(jīng)過一系列的技術(shù)措施改進使整個隧道防凍脹問題。

1 施工現(xiàn)場溫度條件

為取得施工現(xiàn)場的第一手資料，項目在進場以后對平安隧道現(xiàn)場的施工進行測試，并開展了持續(xù)一年的觀測，通過固定觀測點2處，移動觀測點5處進行觀測，取得了區(qū)域內(nèi)氣溫等方面的大量實測數(shù)據(jù)，為高寒地區(qū)隧道施工奠定了基礎(chǔ)。

根據(jù)理論研究，氣溫的日變化對整體結(jié)構(gòu)影響較小，而氣溫的年變化則對整個結(jié)構(gòu)影響較大。一般黑龍江地區(qū)最高、最低氣溫多會出現(xiàn)在7月和1月，氣溫的年度變化曲線函數(shù)可表示為：

式中：T——氣溫℃

Tm——年平均氣溫℃

A——氣溫年變化幅度℃

t——時間月

t0——氣溫最高的月份

表1 平安隧道洞口月平均氣溫統(tǒng)計表（℃）

將其帶入公式1，得出平安隧道洞口氣溫的表達式為：

圖1 平安隧道洞口氣溫實測值和擬合值比較圖

從平安隧道現(xiàn)場測試的數(shù)據(jù)顯示，隧道范圍內(nèi)每年有6個月左右整體氣溫低于0℃，所以整個現(xiàn)在的氣候環(huán)境，對隧道的建設(shè)和運營期安全影響都是非常大的。

2 凍脹力影響分析

2.1 模型假設(shè)

為了更進一步模擬施工后凍脹作用下整體隧道結(jié)構(gòu)變化情況，我們進行了理論計算，首先對理論模型做了如下假設(shè)：一是假設(shè)隧道圍巖結(jié)構(gòu)為同一均勻介質(zhì)；假設(shè)隧道結(jié)構(gòu)本身不因溫度變化而出現(xiàn)變形。

2.2 模擬現(xiàn)場條件

根據(jù)設(shè)計圖顯示，本隧道洞口主要以Ⅳ、Ⅴ級圍巖為主，分別考慮不同埋深下凍脹作用對隧道襯砌結(jié)構(gòu)的影響。計算過程的各種物理參數(shù)見表2

表2 計算物理參數(shù)統(tǒng)計表

2.3 附加應(yīng)力計算

通過比較，不同圍巖、隧道初期支護、二次襯砌在氣溫凍脹作用下，模擬施工現(xiàn)場不同埋設(shè)條件下的工況情況，得出計算結(jié)果如下表所示：

表3 計算各工況凍脹影響下附加應(yīng)力變化

通過以上集中埋深下的施工受力情況比較，其凍脹作用對襯砌結(jié)構(gòu)存在如下影響：

（1）通過實測溫度與溫度曲線的擬合分析，確定溫度的分布規(guī)律（圖1），有助于我們對整個溫度應(yīng)力影響下的結(jié)構(gòu)進行系統(tǒng)的分析。

（2）根據(jù)模擬隧道埋深的變化，可以判斷出隨著隧道埋深，其凍脹影響范圍逐漸降低，這樣在施工時，我們可以根據(jù)實際測算情況對局部位置進行加強.

（3）通過受力分析，凍脹作用下隧道最大受力點在拱腳位置，其易產(chǎn)生應(yīng)力集中，在施工時應(yīng)對該部位進行加強。

3 隧道施工過程中的凍害防治技術(shù)措施

通過現(xiàn)場取樣數(shù)據(jù)進行分析，本隧道的凍脹力對襯砌結(jié)構(gòu)的影響還是屬于中等強度凍脹。而埋深的影響主要是地應(yīng)力對襯砌的作用，但是如果部做好圍巖的保溫，則很容易對襯砌產(chǎn)生破壞，而洞口段影響較大的則是洞口排水系統(tǒng)。

針對隧道內(nèi)空氣流通所產(chǎn)生的凍脹力，我們采取的辦法只能是通過襯砌本身的強度提高，加強襯砌自身的保溫能力，才能確保有效的控制凍脹力作用。而如何消除地應(yīng)力和圍巖的凍脹力所產(chǎn)生的荷載疊加，只能從解決圍巖凍脹力的角度進行考慮，目前也只能采取對圍巖進行保溫的措施進行控制。而洞口段的影響則只能從加強排水系統(tǒng)的保溫結(jié)構(gòu)進行一定的控制。下面針對實際施工中所采取的襯砌保溫措施、圍巖保溫措施及排水系統(tǒng)保溫措施三個方面進行詳細的說明。

3.1 襯砌保溫

在黑龍江地區(qū)，因為年氣溫變化幅度較大，同時極端低溫天氣較多，在低溫天氣凍脹、凍融反復(fù)作用下，襯砌自身的穩(wěn)定能力將減弱，其抗凍害能力會逐漸減弱，最終導(dǎo)致襯砌發(fā)生開裂、侵蝕、剝離等破壞。由于洞口段洞內(nèi)氣流變化更加復(fù)雜，極端、惡劣情況更多，造成隧道洞口段的襯砌受到的破壞作用更加嚴重。為了保證襯砌自身的質(zhì)量，我們在施工過程中主要采用如下措施進行控制：（1）混凝土原材及加工質(zhì)量。襯砌質(zhì)量的保證首先要從混凝土質(zhì)量做起，只有混凝土質(zhì)量滿足要求，才能確保施工后的襯砌的質(zhì)量，在施工過程中主要從確保原材料滿足設(shè)計要求，配合比偏差在允許范圍內(nèi)，混凝土攪拌時間滿足規(guī)范要求，混凝土從攪拌至澆筑成型時間在初凝之前等措施來確保混凝土本身的質(zhì)量滿足要求。（2）混凝土澆筑時保溫措施。因為本地區(qū)日溫差較大，混凝土澆筑后極易形成收縮裂紋，在長期凍融環(huán)境下會發(fā)展成開裂和剝離，所以在施工時，我們需要采取一定的措施保證隧道內(nèi)施工的噴射混凝土和二襯混凝土在強度形成之前溫度變化幅度不宜過大。一般采取的措施包括，在隧道洞口設(shè)置門簾，采用棉篷布對整個隧道斷面進行隔離，減少外界冷空氣與隧道圍巖的熱對流，同時采用暖風機等措施對洞內(nèi)進行加熱確保混凝土強度形成過程中的氣溫穩(wěn)定。對澆筑完成的混凝土，首先混凝土帶模養(yǎng)護時間必須保證，減少混凝土強度未完成形成之前外界冷空氣直接與混凝土表面接觸；其次，采用養(yǎng)護液對整個二襯表面進行噴涂，減少混凝土內(nèi)的自由水散發(fā)；再者，如果氣溫低于5°時，則需采用養(yǎng)護臺車利用電熱毯對澆筑完成的混凝土面進行覆蓋。（3）提高襯砌強度。實際施工中除了考慮操作問題外，還需提高混凝土自身的強度，其能在應(yīng)力、凍脹力作用下能保證混凝土自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，從目前設(shè)計常用的方法來看，有采用高性能抗?jié)B混凝土、加厚襯砌混凝土厚度或采用纖維混凝土。（4）襯砌設(shè)置隔熱層保溫。根據(jù)近年來的高寒地區(qū)施工經(jīng)驗，一般采用在初期支護與二次襯砌之間增設(shè)一層保溫層的方法對其進行保護，從而減少洞內(nèi)溫度對圍巖等的整體影響。主要采用初期支護+防水層+聚氨酯保溫層+二次襯砌，此項設(shè)計是按新奧法原理，初期支護和圍巖自穩(wěn)來滿足結(jié)構(gòu)安全，但是在實際施工中，需要特別注意初期支護質(zhì)量、初期支護背后空腔和系統(tǒng)錨桿的施工質(zhì)量，以此來減少初期支護和一次襯砌承擔的荷載，避免引起保溫層的壓縮破壞，從而影響保溫效果。

3.2 圍巖保溫

隧道開挖后，原有的平衡被破壞，因為空氣的對流造成圍巖反復(fù)凍融作用，極易造成危害。為防止圍巖反復(fù)凍融作用，采取了一些保溫措施。（1）洞口邊仰坡施工。洞口邊仰坡方面主要從結(jié)構(gòu)形式、施作時間、保溫措施等方面進行控制。特別是施工時間方面，針對凍土隧道，一般在低溫期進行邊坡開挖及防護工作，在融解期前完成邊坡防護工作，確保隧道邊仰坡結(jié)構(gòu)安全。增加洞口邊仰坡保溫措施，降低邊仰坡溫差變化，減少隧道邊仰坡凍融變化，最終達到穩(wěn)定洞口邊仰坡安全的目的。（2）圍巖注漿。目前施工現(xiàn)場的隧道圍巖保溫主要從徑向注漿、局部注漿、補注漿與引排三種形式相結(jié)合的辦法來避免凍融循環(huán)對環(huán)境結(jié)構(gòu)造成破壞。作用機理主要是解決在寒區(qū)隧道中，圍巖內(nèi)的局部存水易發(fā)生凍脹作用，通過在圍巖內(nèi)注漿可以減少圍巖內(nèi)的裂隙水含量，從而達到防止和減輕凍害的作用。

3.3 排水系統(tǒng)保溫

寒區(qū)隧道排水體系主要是通過防水板阻擋集中引入環(huán)向排水管，然后再歸集至縱向排水管，通過間隔性橫向排水管引流至中央保溫排水溝內(nèi)，最后通過隧道口的保溫出口排出。主要結(jié)構(gòu)包括二襯防水板、隧道兩側(cè)排水溝、隧道深埋中心保溫排水溝、隧道保溫出水口等結(jié)構(gòu)設(shè)施。（1）保溫水溝。根據(jù)歷史天氣統(tǒng)計，黑龍江最低最冷月平均氣溫達到-10℃～-20℃，平均凍結(jié)深度在2.0m～2.5m，隧道一般在兩側(cè)設(shè)置排水溝，主要起收集隧道二襯背后積水，并用以引排至隧道中心保溫水溝內(nèi)。兩側(cè)水溝主要以增加保溫蓋板，同時在隧道進出口采用措施將原有的明排改為保溫暗排等措施來保證其凍脹。（2）中心水溝保溫。一般在比較嚴寒的地區(qū)，隧道中心水溝 埋置于洞內(nèi)相應(yīng)的凍結(jié)深度以下，利用地溫來使得排水溝內(nèi)水不凍結(jié)。在多年凍土地區(qū)深埋水溝不可避免的會埋深在多年凍土凍結(jié)線以上。中心深埋水溝再采用碎石等結(jié)構(gòu)松散體進行填充，覆蓋保溫板等措施做好中心水溝的保溫措施。（3）保溫出水口。保溫出水口設(shè)置于排水的出水口，選擇日照時間長的地方設(shè)置。常見的保溫出水口有端墻式及掩埋錐體式兩種。主要采用干砌片石+保溫板形式進行保護，其中出口地形較陡且地質(zhì)條件好時采用端墻式進行防護，而在地形平坦時宜采用掩埋錐體式。在隧道防深埋中心水溝出口端均應(yīng)考慮設(shè)置保溫出水口。（4）輔助防寒保溫措施。輔助防寒措施方面主要采用陽光房進行加強，其主要目的是利用白天氣溫較高時段升溫確保隧道出水口的區(qū)域的溫度，以確保隧道內(nèi)水能及時排出，減少凍脹的發(fā)生。

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Research on Control Measures of Frost Heave on Construction for Tunnel in High and Cold Regions

LIU Fu-xin
（The Second Engineering Ltd.of China Railway 11 Bureau Group,Shiyan442000,Hubei）

Aiming at characteristics of frost heave on construction for tunnel in cold regions,this paper discusses the mechanism of tunnel frozen expansion damage in high and cold areas and the disciplines of influence from frozen expansion damage to tunnel lining structure,and probes into the technology measures of freeze injury prevention of tunnel construction from three aspects of lining heat preservation,surrounding rock heat preservation and drainage system heat preservation,which can provide some reference for the design and construction of similar projects in the future.

high and cold regions;railway;frost heave;construction

U455.4

A

1671-5004（2017）01-0004-03

2016-11-4

嚴寒地區(qū)隧道防排水施工技術(shù)（項目編號：ZT11KY2015-063）。

劉伏心（1984-），男，湖北宜昌人，中鐵十一局第二工程有限公司副總工、工程師，研究方向：高速鐵路建設(shè)與管理。