高原嚴寒地區高鐵隧道滲漏水及凍害整治

何炳興，冀勝利，楊星智

(1.中鐵二十局集團第四工程有限公司，山東 青島 266000； 2.中鐵二十局集團有限公司，陜西 西安 710016)

1 工程概況

蘭新客專祁連山隧道位于青海省門源回族自治縣及甘肅省山丹縣境內，隧道全長9 515m。隧道地處祁連山中高山區，海拔3 400.000～4 400.000m。山頂常年積雪，具有春秋季多雪多風，夏季涼爽多雨、多冰雹，冬季寒冷漫長的特點，最低極端氣溫為-34.5℃，結冰期長達7個月，最大凍結深度230cm。

該隧道主要巖性為灰巖、泥灰巖、砂巖、板巖夾砂巖、頁巖及礫巖等，通過F6，F7斷層，區內斷裂構造復雜，斷層破碎帶、節理密集帶、巖性接觸帶、向斜、背斜、褶皺密集，節理裂隙發育。地下水主要受大氣降水、地表融雪及基巖裂隙水補給，年平均降水量530mm。施工中曾多次發生突水、涌水，隧道日涌水量35 041m3/d，最大涌水量105 123m3/d 。

2 運營情況

自2014年12月開通運營以來，根據現場調查，隧道出現不同程度的滲漏水及結掛冰凍害問題。主要表現為：部分襯砌“三縫”及施工冷縫，夏季出現滲漏水，冬季出現結掛冰；洞口2km段落側溝和中心水溝凍結堵塞，導致溢出結冰。在入冬和春融季節發生隧道“三縫”滲漏水結掛冰以及局部水溝溢出結冰現象最為嚴重,分析原因為：入冬時邊墻底部盲管率先凍結，排水功能失效，水位上升，部分拱墻出現滲漏水及掛冰，氣溫進一步下降，拱墻背后盲管全部凍結[1]，滲漏水便消失一段時間；進入春融季節隨著氣溫逐漸回升，山頂冰雪開始融化，雪水經山體裂隙下滲，此時由于隧道周圍還未解凍，環、縱向排水管均處于凍結狀態，無法發揮其排水功能，因此這些滲水就會通過襯砌的薄弱環節滲漏而出[1]，又因受洞內冷空氣的影響，形成結掛冰現象。隨著氣溫的逐步回升 ,隧道凍結圈解凍，排水管道逐漸恢復排水功能，漏水掛冰現象也隨之消失[2]。運營后現狀如圖1所示。

圖1 運營后情況

3 凍害危害性及其成因分析

3.1 隧道產生凍害的危害性

1)隧道襯砌背后排水系統被礦物質結晶堵塞或凍結，排水失效，產生滲漏水及結掛冰，直接影響行車安全。

2)側溝和中心水溝凍結堵塞，產生翻水結冰至道床板，影響運營行車安全。

3)襯砌拱頂背后存在的空腔積水凍結，由于水結成冰時體積大約增加9%，發生凍脹，可能導致襯砌素混凝土開裂，凍融循環作用下，在“三縫”處易形成月牙形裂紋裂縫，影響混凝土壽命，引發掉塊，危及行車安全。

3.2 造成隧道凍害的主要因素

3.2.1設計方面

前期設計對復雜環境尤其寒冷氣候產生的凍害認識不足，防排水預估及防凍害保溫設計綜合措施不夠全面或不合理，如設計時未考慮到洞身排水系統被凍結堵塞，排水系統的埋深或保溫措施與凍結深度不匹配；防排水材料使用年限與混凝土結構壽命設計年限不匹配；同時未注重加大在施工初期支護階段的堵排設計措施。

3.2.2施工方面

1)隧道施工接縫防水易失效 橡膠止水帶在施工時難以做好，存在松動、移位、脫落等問題；中埋式止水帶存在搭接，不易形成一個封閉的防水圈等原因易造成施工縫處發生滲漏[3]。

2)隧道防水層失效 襯砌結構在澆筑混凝土過程中撕裂損壞防水層以及澆筑完成后，不同程度的沉降變形超過了防水材料的延伸性，導致防水層或橡膠止水帶斷裂，致使地下水通過缺損部位滲入結構內部；防水層與基面黏結不良，造成防水層的空鼓、脫落等問題，由此導致防水層的破損失效[4]。

3)隧道襯砌混凝土普遍存在拱頂背后空腔以及施工界面處理不夠徹底，都有可能導致滲漏水現象。

4)隧道襯砌混凝土結構自防水失效 襯砌混凝土雖然設計為抗滲混凝土，一般抗滲等級為P6,但在混凝土澆筑施工中往往出現振搗不夠密實，造成混凝土氣泡多、麻面大等缺陷，加之后期養護不到位，極易造成襯砌混凝土結構面的干縮和收縮性裂紋，這些缺陷都會產生滲漏水病害。

5)隧道超挖回填不嚴謹不規范 在隧道開挖時沒有嚴格控制光面爆破，使襯砌周圍超挖大小不等，超挖回填用料不當，回填不密實不規范，從而導致回填處產生大量積水，在外界低氣溫環境下，襯砌周圍會形成一個季節性凍結圈[5]，循環出現凍融，可產生滲水通道。

3.2.3運營維護方面

山體裂隙水存有大量礦物質，長期沉淀形成結晶，造成隧道襯砌背后預留排水系統堵塞，若運營維護單位不能夠及時對排水系統進行疏通，將導致排水系統失效，從而使大量裂隙水不斷儲存上升，產生高水位高水壓，進而從隧道結構薄弱處滲漏，產生凍害。

3.2.4特殊環境條件

由于嚴寒氣候，氣溫極低，容易產生滲漏水結冰、凍脹。動車組速度高，振動和壓縮風高壓擾動大，整體道床和隧道底板的應力釋放不均勻，在這種振動擾動下極易造成整體道床和底板找平層開裂[6]。山體水系含有鈣、鎂、鐵等易結晶的礦物質，堵塞排水系統，導致排水不暢。

4 綜合整治方案

根據隧道滲水、結掛冰病害的成因分析，對高原、嚴寒地區高速鐵路隧道滲漏水及凍害進行整治，堅持以“截水、堵水、排水、防水、保溫、加熱、維護”綜合整治為原則，因地制宜，系統性地進行有效整治，才能取得最佳效果。

1)對滲漏水嚴重之處，在條件允許的情況下考慮高位截排水技術。在富水地段可以設置高位泄水洞；運營階段可從考慮通過輔助導坑向正洞洞頂部位增設大直徑泄水孔，或通過在滲漏水嚴重處鑿深渠形成永久保溫防凍排水渠道。

2)對嚴寒富水隧道在隧道洞口地段必須設置防寒泄水洞，長大隧道不小于2km，短隧道應貫通，該洞位于正洞正下方，距正洞底部5m，泄水洞每隔一定距離設置縱向泄水孔及連接正洞的大直徑豎孔和徑向散發型泄水孔。對隧道本身局部“三縫”或施工冷縫處產生的滲漏水而言，采取堵、排、防綜合整治技術，即微創堵漏再造防水技術，以“上堵下排”為主。就是在襯砌拱部、邊墻采用防滲水、耐低溫、耐久性與耐腐蝕比較好的材料注入封堵，在隧道邊墻兩側底部鉆孔泄水。

3)對側溝、中心水溝及泄水孔凍結，采取增加電伴熱絲加熱消冰處理。

5 隧道滲漏水及凍害整治新技術

5.1 高位截泄水技術

5.1.1從平導向正洞頂部鉆孔截泄水技術

若隧道一側有平導時，可在平導內向隧道出水點或富水地段拱部施作仰斜大直徑排水孔，排水孔終端與隧道頂部外緣的垂直距離≥5m，每個施工縫處設置3個鉆孔，其中對應施工縫設1個孔，兩邊各1m設1個孔，孔內埋設φ159mm透水鋼花管，管內設置φ140mm雙壁打孔波紋過濾滲水管，外裹雙層無紡布[7]。

5.1.2設置高位泄水洞截排水技術

當隧道所在地水源補給豐富、圍巖裂隙發育、隧道掌子面地下水日涌水量≥5 000m3時，可優先采取地表混凝土覆蓋防滲引排法；若不能有效防滲引排時，考慮設置洞內高位泄水洞進行截排水。

高位泄水洞斷面一般為4m×4.5m(寬×高)。高位泄水洞從隧道正洞壁或平導開口斜向上繞至正洞頂部，高位泄水洞底部與正洞頂部凈距必須>5m，坡度>20%，開挖方法采取弱爆破或非爆破機械開挖法。當高位泄水洞進入富水區域后，遇破碎帶不能繼續前行施工時，封閉掌子面，混凝土厚度≥1m，然后向隧道正洞頂部施作超前管棚截排水，以正洞涌水量較大幅度減小或干涸為準。

5.2 滲漏水處鑿渠引排技術

在嚴重股狀漏水處，一般堵排法無法整治時，采用該方法。該方法在股狀涌水處全環鑿渠，渠寬≥1m，深≥1.5m，渠道形成后，先施工1層25cm厚鋼筋混凝土護壁，再安裝1層20cm厚保溫層，最后施作40cm厚鋼筋混凝土襯砌，深埋渠道凈尺寸不宜小于0.4m×0.5m，形成防凍保溫排水通道，該通道與兩側水溝或中心水溝相連。

5.3 微創堵漏再造防水技術

1)襯砌環向接縫邊墻及拱部出現滲漏水較嚴重時，應采取堵排結合，以“上堵下排”為主，就是在襯砌拱部、邊墻采用耐低溫、耐久性與耐腐蝕比較好的材料封堵，在隧道邊墻兩側底部鉆孔泄水+安裝電伴熱絲。

施工方法：距環向施工縫兩側400mm處斜向45°鉆孔(避讓中埋止水帶)，鉆孔直徑不應大于20mm，孔間距宜為1.0m，雙側梅花形布置，鉆孔深度560mm，通過注漿觀察鄰近孔有漿液流出時，以此初步確定注漿壓力和單孔注漿量，在實施過程中再根據實際情況適當調整；注漿時應掌握和控制注漿壓力，宜先低壓再逐漸升高，并宜沿裂縫走向自下而上或從一端向另一端依次進行；注漿宜按照同方向依次進行，注漿壓力宜為0.3～1.2MPa，單孔注漿量以鄰近注漿管出漿為止或以試驗確定的注漿量為準；注漿結束后，采用含JX-JH聚合物水泥防水砂漿封孔。

2)對于滲漏水輕微、潮濕、滲水泛白處選擇的材料應具有良好的可灌性，能在壓力作用下滲入裂隙的深部，填充整個裂紋，同時材料在膠凝后應具有適當的膨脹性、柔韌性、耐壓性、耐低溫性和耐久性，故采用低黏度環氧樹脂化學漿液作為注漿材料，環氧樹脂漿液摻少量固化劑調整固結時間，一般摻量為環氧樹脂∶固化劑=9∶1(根據現場實際溫度可適當調整)。采用手持式注漿機壓漿針孔法注漿，注漿壓力控制在0.4MPa左右，從上至下，分段左右側交錯，逐孔順序注漿。

以上兩種注漿完成待漿液凝固后，在表面涂刷JX-SJ水泥基滲透結晶型防水涂料，施工時環境溫度不能低于4℃[8]，拌合比例為JX-SJ粉料∶水=1∶0.3(質量比)，應采用電動攪拌槍在容器內攪拌均勻至無粉團。基層應清理干凈、充分濕潤，但不得有明水及微滲水現象，應分層刷涂或噴涂施工(不得采用滾涂),涂層應均勻，不可有漏涂及氣孔；底層和面層留槎寬度不應小于50mm；底層固結干燥后(1h左右固化)再進行面層施工；涂層厚度不得大于1.2mm，材料用量不得小于1.8kg/m2，涂層寬度為500mm，并應沿著裂縫走向延長≥500mm。涂層呈半干狀態后開始用霧狀水噴灑養護，防止涂層過早干燥[9]，每次大約2～3遍。涂刷水泥基材料是為了進一步增強結構的抗滲效果，起到防水堵漏、補強加固雙重作用，如圖2所示。

圖2 微創堵漏再造防水技術效果

5.4 排水技術

5.4.1疏通排水系統

隧道裂隙水中含有大量礦物質，久而久之堵塞排水系統，應定期疏通襯砌背后排水盲管，恢復襯砌背后排水功能。若兩線間中心排水管及檢查井以及連接泄水洞豎井排水不暢，需對堵塞物進行清理，確保排水體系暢通。

5.4.2鉆孔排水降壓技術

襯砌環向排水系統無法疏通時，可在水溝電纜槽側壁垂直向襯砌背后鉆孔，恢復襯砌背后排水功能，降低水位，減小水壓。

水溝電纜槽側壁鉆孔：在水溝電纜槽側壁向下60cm處垂直向襯砌背后鉆長度≥3m的φ100mm排水孔，鉆孔末端1～3m范圍插入φ80鋼花管，管外以無紡布包裹，排水管安設完成后，在電纜槽側壁邊墻范圍的鉆孔采用C20細石混凝土封堵[10]。

5.4.3設置防寒泄水洞+徑向鉆孔泄水+豎向鉆孔泄水

防寒泄水洞通過豎井與正洞中心水溝、側溝進行連接，使正洞中心水溝、側溝內流水盡早進入泄水洞，可以減輕洞口段側溝及中心水溝的排水壓力，使洞口段凍結減少。同時在泄水洞內打設發散型的徑向、豎向泄水孔，將隧道結構外的基巖裂隙水直接引入泄水洞[11]，改善山體徑流模式，減輕正洞水害。

1)徑向泄水孔

在泄水洞拱部120°的范圍，縱向間距1.5m鉆1組，每組5個孔(2個孔10m，2個孔6m，1個孔5m)，孔徑80mm，鉆孔完成后，在孔內插入打孔波紋管，波紋管外裹無紡布作為過濾層。徑向泄水孔主要引導基巖裂隙水進入泄水洞流出。

2)豎向泄水孔

在正洞側溝及中心水溝檢查井位置，每隔250m施作1個φ350mm的豎向排水孔，檢查井內豎孔與泄水洞垂直相連；側溝內豎孔與泄水洞橫通道相連，豎孔采用3mm厚不銹鋼管防護，對空腔灌注砂漿以填充密實，如圖3所示。

圖3 防寒泄水洞泄水孔布置

5.4.4小鑿槽引排技術

小鑿槽引排技術不適用于嚴寒地區的高鐵隧道拱墻滲漏水整治，但適用于隧道底部找平層出現滲漏水時的整治。在滲水或者出水點，采用小型空壓機配合風槍鉆引水孔，鉆孔孔徑50mm，引水孔個數依現場滲水情況而定，深度為打穿中心水溝。

采用混凝土切割機沿滲水走向對滲流水處切槽，用鑿槽工具將混凝土鑿出，根據水量確定排水管徑，一般鑿槽寬15cm、深30cm。用清水沖洗槽體[12]，使槽中不得有雜物和混凝土松散體附著物。將φ80mm的PVC硬質塑料管沿軸線從中間截開，確保PVC引水管安設后和混凝土基面吻貼，有效防止封槽時堵漏材料進入排水管中造成堵塞，影響排水暢通。

由上而下將排水管放入槽中，上部用防水卷材密封，以防雜物或堵漏材料進入。排水管連接應采取“下低上高”(即下游管在外側且處于低位，上游管在內側且處于高位)方式進行連接，搭接長度不應小于15cm，坡度控制在3%～5%，確保水不會返流。

固定封閉及養護：采用C35環氧樹脂砂漿封閉槽體，設置錨釘配合鋼絲網片補強加固。待混凝土固結后，灑水養護，防止混凝土固結過程中開裂。

5.5 保溫防寒技術

在嚴寒隧道運營后，如何使排水系統不被凍結是解決凍害問題的關鍵。因而在隧道洞口段2.0km(根據洞內凍結情況確定)范圍內側溝及中心水溝檢查井全部采取保溫防寒水溝和保溫防寒檢查井措施，采取雙層蓋板+保溫層，保溫層厚度≥50cm。

5.6 電伴熱絲加熱技術

隧道洞口地段受外界環境影響較大，冬季嚴寒，易造成側溝及中心水溝結冰、堵塞，翻溢水至道床板，危及行車安全。因而在隧道洞口地段2.0km范圍內側溝、中心水溝安裝電伴熱絲，采用遠程分段控制+人工檢查檢修，每個控制單元長度120m，可根據凍結病害情況分段開啟對應段落的控制柜。同時在水溝電纜槽側壁泄水孔內安裝電伴熱絲，進行加熱，確保排水系統不凍結，排水暢通[7]。

5.7 應用效果

自從2014年12月通車運營以來，在祁連山隧道采用以上綜合整治措施，經過5年半的反復試驗、不斷探索和整治，取得了較好的效果，保證了高鐵的運營安全，達到了整治目的。

6 經驗總結

6.1 多措并舉

對于高原寒冷高鐵隧道防排水及凍害整治應采取多方案綜合考慮。截、堵、防、排及保溫是關鍵，在設計、施工階段對富水區域應合理設置截、排水渠道，加大初期支護階段的堵漏措施及增強保溫措施。

6.2 合理設置保溫襯砌

根據祁連山隧道設計情況，進口1km為保溫襯砌，出口無保溫襯砌，這是嚴重缺陷。因此，應考慮高原地區全隧道保溫襯砌(保溫層厚度應≥20cm)和全隧道水溝雙層蓋板+保溫層措施。

6.3 合理設置中心水溝

高寒地區隧道應當采用深埋中心水溝，將水溝埋置于洞內凍結深度以下，利用地溫達到水溝內水流不被凍結的目的[13]，同時水溝應設計成蓋板矩形保溫水溝，以利清淤，方便維護。

6.4 加強檢測

對襯砌必須進行嚴格檢測，發現二襯背后有空洞空腔時必須進行補充注漿，確保襯砌背后無空腔無空洞，防止凍脹現象。

6.5 加強維護

從環向盲管流入水溝內的流水較小時，最易在冬季逐漸結冰而翻出水溝。對此維養單位應臨時加設電伴熱絲來消除。需要強調的是維養單位每年入冬前必須全面檢查一次排水系統，應及時清淤和維護電伴熱絲。

7 結語

高原嚴寒地區的隧道經常受到滲漏水和凍害的困擾，主要原因還是排水不暢，保溫防寒措施不到位，施工期間不規范，運營期間維護不及時造成，設計、施工、運營維護三方面應共同努力，各盡其職，有效防止高原嚴寒地區富水隧道滲漏水及凍害產生。