嚴(yán)寒地區(qū)鐵路隧道襯砌凍脹病害及治理措施研究

張 恒

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司，北京 100055)

我國(guó)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(jié)凍土區(qū)內(nèi)的一些高山上［1］。隨著近年來(lái)我國(guó)經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的蓬勃發(fā)展，對(duì)鐵路建設(shè)的需求也正在快速提高，隨著路網(wǎng)日益完善，工程建設(shè)正向著高緯度、高海拔等氣候條件惡劣的寒冷地區(qū)延伸。

在寒冷地區(qū)修建的隧道，存在著一般地區(qū)隧道所沒(méi)有的特點(diǎn)，最主要的技術(shù)難點(diǎn)是需要控制由于寒冷低溫、凍融循環(huán)等引起的病害，即對(duì)隧道結(jié)構(gòu)造成的嚴(yán)重的破壞。隧道凍脹開(kāi)裂、滲水掛冰，水溝凍結(jié)等問(wèn)題一直困擾著我國(guó)鐵路建設(shè)和運(yùn)營(yíng)。過(guò)去對(duì)寒區(qū)隧道病害機(jī)理、周邊溫度場(chǎng)及凍脹力計(jì)算等問(wèn)題雖然做過(guò)一定研究，但是還沒(méi)能從根本上解決隧道凍害問(wèn)題。隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高和工程經(jīng)驗(yàn)的增多，弄清隧道凍害原理，根治隧道病害的愿望顯得愈發(fā)迫切。

1 工程簡(jiǎn)介

兩伊鐵路北起內(nèi)蒙古呼倫貝爾市鄂溫克旗伊敏鎮(zhèn)，南到興安盟伊爾施鎮(zhèn)，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(zhǎng)酷寒，夏季短促炎熱，晝夜溫差較大。全年冰凍期和霜期長(zhǎng)達(dá)7～8個(gè)月，一般每年9月下旬開(kāi)始下雪，到翌年4月底才開(kāi)始融化，最冷月平均氣溫-26℃，極端最低氣溫達(dá)-50℃以下，土壤最大凍結(jié)深度3.2 m。林區(qū)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(zhǎng)185.4 km，工程于2005年9月開(kāi)工，2009年12月竣工。全線隧道共6座，總長(zhǎng)10km。最長(zhǎng)隧道為哈布特蓋隧道，長(zhǎng)度3 564 m。

主要設(shè)計(jì)參數(shù)［2］:隧道建筑限界采用“隧限—2A”，單線電化復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。全線隧道暗挖段均采用復(fù)合式襯砌，Ⅱ級(jí)圍巖采用曲墻帶底板襯砌形式，Ⅲ～Ⅴ級(jí)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(jí)圍巖段采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其余均為素混凝土結(jié)構(gòu)。防排水設(shè)計(jì)設(shè)置了拱墻防水板，并考慮到嚴(yán)寒地區(qū)排水條件，在隧道正下方設(shè)置了中心深埋水溝。隧道結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 隧道結(jié)構(gòu)形式(單位:cm)

2 病害簡(jiǎn)介

兩伊鐵路通車(chē)以后，2009年11月至2012年4月的冬季檢查中，發(fā)現(xiàn)大部分隧道出現(xiàn)了襯砌開(kāi)裂和中心水溝凍結(jié)堵死的情況，病害范圍較廣，給行車(chē)安全造成了隱患。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，存在襯砌開(kāi)裂現(xiàn)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(hào)、2號(hào)隧道。裂縫的總體表現(xiàn)較為一致，均發(fā)生在兩側(cè)水溝蓋板面上方2～3 m的邊墻上，呈縱向?qū)ΨQ(chēng)狀，裂縫寬度0.5～6 mm，從洞口向里由寬漸窄，個(gè)別處伴有豎向開(kāi)裂，裂縫寬度0.5～2 mm，洞口段局部有錯(cuò)臺(tái)，錯(cuò)臺(tái)寬度0.5～1.5 mm。根據(jù)連續(xù)幾年觀察，裂縫寬度隨凍融循環(huán)而有所變化，每年最冷月12月～1月中裂縫寬度達(dá)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(fā)現(xiàn)。

3 原因分析

根據(jù)鐵路運(yùn)營(yíng)通車(chē)后幾年的跟蹤觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，裂縫發(fā)育段均分布在粉質(zhì)黏土地層中，縱向裂縫一般出現(xiàn)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(yán)重，襯砌表面干燥并沒(méi)有水滲出，。

根據(jù)病害產(chǎn)生的特點(diǎn)進(jìn)行分析研究，隧道病害主要發(fā)生在飽和粉質(zhì)黏土地層Ⅴ級(jí)圍巖段，由于地處高寒地區(qū)，冬季最低氣溫達(dá)-50℃以下，凍結(jié)深度更是達(dá)到3.2 m，這種極端的氣候條件使飽和富水的粉質(zhì)黏土層受凍產(chǎn)生強(qiáng)大的凍脹力。

本線隧道為單線電氣化結(jié)構(gòu)形式，由于邊墻部分的圓形半徑較大，結(jié)構(gòu)近似于細(xì)長(zhǎng)的橢圓形，這使襯砌在受到徑向凍脹力作用時(shí)，邊墻受到的彎矩最大，而且本線多數(shù)襯砌采用素混凝土，抗拉強(qiáng)度較弱，最終導(dǎo)致襯砌在受力最大的兩側(cè)邊墻位置產(chǎn)生縱向延展裂縫［3］。

4 整治方案

根據(jù)病害的情況反映，在富水的粉質(zhì)黏土受凍產(chǎn)生的強(qiáng)大凍脹力作用下，不僅素混凝土?xí)艿狡茐模褪卿摻罨炷烈r砌也會(huì)產(chǎn)生裂縫，所以?xún)H依靠提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是不足以抵抗圍巖產(chǎn)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(wèn)題。病害治理應(yīng)考慮鐵路已經(jīng)運(yùn)營(yíng)的現(xiàn)狀，在保證行車(chē)與施工安全，盡量減少行車(chē)干擾的前提下進(jìn)行。

方案根據(jù)襯砌裂損程度、地質(zhì)條件、原襯砌結(jié)構(gòu)形式及病害發(fā)展趨勢(shì)等因素綜合選取。最終確定對(duì)裂損程度較輕，襯砌結(jié)構(gòu)較完整的病害段落采用“裂縫修補(bǔ)+增設(shè)表面保溫層”的整治方案;對(duì)襯砌裂損較嚴(yán)重，危及行車(chē)安全的段落采用“更換鋼筋混凝土二次襯砌+增設(shè)保溫層”的整治方案。

4.1 裂縫修補(bǔ)

在設(shè)置保溫層之前，必須對(duì)既有的裂縫進(jìn)行修復(fù)。隧道裂縫修補(bǔ)采用表面壓力注漿，修補(bǔ)材料選用AB型環(huán)氧樹(shù)脂，施工流程為:觀測(cè)裂縫→清潔裂縫→預(yù)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(bǔ)示意如圖2、圖3所示。

圖2 邊墻裂縫注漿修補(bǔ)示意

圖3 A-A大樣

4.2 表面增設(shè)保溫層

根據(jù)計(jì)算和實(shí)測(cè)的內(nèi)凈空，設(shè)置適當(dāng)厚度的保溫層，以減少?lài)鷰r內(nèi)熱量流失，可以有效降低甚至避免隧道凍脹病害的發(fā)生。

(1)保溫層厚度計(jì)算［6，7］

各種材料熱阻計(jì)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(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。相關(guān)材料導(dǎo)熱系數(shù)如表1所示。

表1 相關(guān)材料導(dǎo)熱系數(shù)

本地區(qū)土壤最大凍結(jié)深度3.2 m，隧道襯砌厚度0.4+0.22=0.62 m。

①凍結(jié)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(jié)，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(dǎo)熱系數(shù)收集相關(guān)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(jù)計(jì)算，保溫層厚度為5.3 cm即可達(dá)到防止圍巖凍結(jié)的效果。實(shí)際操作中為降低施工誤差影響，安全系數(shù)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(yīng)對(duì)隧道內(nèi)凈空進(jìn)行量測(cè)，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(jié)強(qiáng)度，施工方式應(yīng)采用噴涂，同時(shí)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(duì)于受凍脹嚴(yán)重地段，因?yàn)橐r砌已產(chǎn)生貫通裂縫，嚴(yán)重影響了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并對(duì)運(yùn)營(yíng)安全留下了安全隱患。為徹底解決凍害帶來(lái)的影響，應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)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(shè)保溫層”的雙重治理措施，對(duì)隧道進(jìn)行整治。具體方案如下。

4.3.1 保溫層厚度的確定

根據(jù)之前計(jì)算結(jié)果，保溫層厚度取δ=5.3 cm即可防止圍巖產(chǎn)生凍脹。綜合隧道限界、襯砌強(qiáng)度等因素，確定本方案的保溫層設(shè)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(xué)理論來(lái)確定凍脹量，為簡(jiǎn)化問(wèn)題，將隧道看成是處于無(wú)限大土體中，并作出如下基本假設(shè):

(1)圍巖為均質(zhì)、各向同性的連續(xù)介質(zhì);

(2)圍巖及襯砌受力屬于彈性應(yīng)變中的平面應(yīng)變問(wèn)題;

(3)凍結(jié)圍巖處于封閉飽和水狀態(tài);

(4)不考慮圍巖及襯砌的自重。

按線性?xún)?nèi)插法計(jì)算，取土體凍脹率為3.65%［8］，假設(shè)保溫在反復(fù)的凍融循環(huán)后，可以起到75%的保溫效果，凍結(jié)圈內(nèi)圍巖的總膨脹量為

式中 hn——凍脹量，m;

H——凍結(jié)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(jì)算

外側(cè)凍結(jié)圈膨脹被襯砌及外側(cè)未凍結(jié)土體所約束，由于凍結(jié)圈相對(duì)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(jì)算出凍脹圈對(duì)外側(cè)土體的壓縮量，即可通過(guò)外側(cè)土體彈性抗力系數(shù)計(jì)算出襯砌所承受的凍脹力。

通過(guò)彈性抗力系數(shù)及土體凍脹量，在不考慮襯砌變形的情況下，可大致計(jì)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(shù)，MPa/m，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(hù)→靜態(tài)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?！鷿仓炷痢B(yǎng)護(hù)→拆模。

(2)工序及施工技術(shù)要點(diǎn)

在保證施工安全與行車(chē)安全的前提下，采用預(yù)裂靜態(tài)爆破技術(shù)對(duì)既有襯砌進(jìn)行分段拆除。

①鋼架防護(hù):首先加工洞內(nèi)防護(hù)鋼架，并對(duì)準(zhǔn)備拆除段的兩側(cè)3.0 m范圍分別進(jìn)行支撐防護(hù)，鋼架間距0.5 m。

②鉆爆破孔應(yīng)在鉆孔臺(tái)架上進(jìn)行，首先由技術(shù)人員劃點(diǎn)，鉆孔時(shí)要確?？孜黄钤谠试S范圍內(nèi)，要精確控制孔眼深度，不允許打穿二襯，以免爆破對(duì)初支產(chǎn)生擾動(dòng)變形。

圖4 更換襯砌及防護(hù)

鉆孔拆除:每2.0 m作為一個(gè)拆除段，兩端環(huán)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(huán)、縱間距30 cm，梅花形布置。采用無(wú)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(shí)，6～12 h后襯砌即可被壓裂拆除。

爆破順序?yàn)?先爆破拆除拱部，其次爆破拆除邊墻及小邊墻。小邊墻應(yīng)拆除至原施工縫位置，避免殘留混凝土夾層影響襯砌強(qiáng)度。爆破過(guò)程中應(yīng)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(jìn)行新襯砌的施工。

①鋪設(shè)初支防水板。

②二襯與初支之間增設(shè)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(shè)，保溫層鋪設(shè)完畢后，在其表面再增設(shè)一道防水板。

③綁扎鋼筋:鋼筋采用雙排布置，環(huán)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(wú)焊接的套筒機(jī)械連接方式，鋼筋植入小邊墻襯砌內(nèi)［9］。

④澆筑混凝土:考慮到既有線的運(yùn)營(yíng)需要，如使用大型襯砌臺(tái)車(chē)將導(dǎo)致列車(chē)無(wú)法通過(guò)，故采用組合鋼模板進(jìn)行襯砌澆筑，利用防護(hù)鋼架對(duì)模板進(jìn)行支撐、固定。利用天窗時(shí)間進(jìn)行混凝土澆筑，澆筑混凝土?xí)r應(yīng)做好鋼架內(nèi)側(cè)支撐，待混凝土終凝后即可拆除內(nèi)撐、列車(chē)減速通過(guò)。在混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度75%后方可拆模，并且不小于12 h。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)本線隧道凍害原因以及整治方案的分析研究，在寒冷地區(qū)有凍融循環(huán)的條件下修建隧道工程，應(yīng)在設(shè)計(jì)階段就給予高度的重視。以往的經(jīng)驗(yàn)表明，水是產(chǎn)生寒區(qū)隧道凍害的根源，要防止隧道凍害發(fā)生，就必須采取有效的排水、疏導(dǎo)措施。而本線隧道凍害的特點(diǎn)是由于地層中的粉質(zhì)黏土具有含水及隔水的特性，不利于水的疏導(dǎo)，使富水的粉質(zhì)黏土類(lèi)圍巖凍脹發(fā)生病害。

對(duì)于有此類(lèi)病害特點(diǎn)的隧道，應(yīng)在設(shè)計(jì)與施工中考慮以下幾點(diǎn):

(1)加強(qiáng)防排水措施，保證冬季排水通暢，降低隧道范圍內(nèi)的地下水位，減少凍害發(fā)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(qiáng)度，提高襯砌的整體性，即使有凍脹裂縫產(chǎn)生也可以通過(guò)修補(bǔ)等方法保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，確保鐵路運(yùn)營(yíng)安全。

［1］鐵道第三勘測(cè)設(shè)計(jì)院.凍土工程［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2002.

［2］中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司.新建鐵路伊敏至伊爾施線施工設(shè)計(jì)［R］.北京:中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司，2006.

［3］兩伊鐵路隧道凍害整治方案專(zhuān)家論證會(huì)［R］.海拉爾:2012.

［4］JC/T1041—2007 混凝土裂縫注漿用環(huán)氧樹(shù)脂漿材［S］.

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

［6］GB50176—93 民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［7］QB/T3806—1999 建筑物隔熱用硬質(zhì)聚氯酯泡沫塑料［S］.

［8］TB10035—2006 鐵路特殊路基設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［9］JGJ145—2004 混凝土結(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)規(guī)程［S］.

［10］TB10003—2005 鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［11］孫兵.寒區(qū)隧道凍害等級(jí)及其設(shè)防等級(jí)研究［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2012(4):88-92.