鐵路隧道施工初期支護(hù)防護(hù)技術(shù)研究

張乾

摘 要：在隧道工程中，根據(jù)當(dāng)前的設(shè)計理念，噴射混凝土是一種永久性支護(hù)措施，而二次襯砌只是安全儲備。然而，在寒冷地區(qū)，在反復(fù)凍融作用下，初期支護(hù)會出現(xiàn)損傷劣化現(xiàn)象，隧道的全部荷載將會轉(zhuǎn)移到二次襯砌上。二次襯砌結(jié)構(gòu)在荷載作用下會產(chǎn)生開裂，甚至失穩(wěn)，造成更嚴(yán)重的凍害現(xiàn)象，隧道工程的安全將受到嚴(yán)重威脅。因此，有必要對噴射混凝土初期支護(hù)在施工期的防凍保護(hù)措施進(jìn)行分析和研究。

關(guān)鍵詞：鐵路隧道；初期支護(hù)；防護(hù)技術(shù)

1.初期支護(hù)混凝土破壞機(jī)理分析

目前，關(guān)于噴射混凝土抗凍耐久性研究成果較少口，而關(guān)于混凝土的抗凍耐久性已有很多人研究。因此，在研究噴射混凝土的凍融損傷問題時常常借鑒混凝土的凍融損傷機(jī)理。

混凝土的凍融損傷必須具有三個因素：一是環(huán)境溫度有正負(fù)變換；二是混凝土內(nèi)部含有一定數(shù)量的水；三是混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)。混凝土的凍融損傷是這三種因素共同作用的結(jié)果。關(guān)于混凝土的凍融損傷機(jī)理，研究成果概括起來主要有吸附水理論、臨界飽和理論、靜水壓理論、滲透壓理論等。雖然各國學(xué)者對混凝土的凍融損傷機(jī)理進(jìn)行了很多研究，可是一直到現(xiàn)在，還不是很明確。因此，也有學(xué)者提出混凝土的凍融損傷機(jī)理是幾個機(jī)理的共同作用結(jié)果。

2.季節(jié)性凍土隧道溫度場分布規(guī)律調(diào)查分析

2.1溫度場分布規(guī)律的影響因素

影響季節(jié)性凍土隧道溫度場分布規(guī)律的因素很多，主要可以概括為6點：（1）洞外氣溫即隧址區(qū)環(huán)境溫度對洞內(nèi)溫度變化規(guī)律的影響。一般洞外氣溫高，洞內(nèi)氣溫則高，反之則低。（2）隧道進(jìn)出口洞門的高低、日照條件、主導(dǎo)風(fēng)向的不同都會對洞內(nèi)氣溫產(chǎn)生影響。一般高洞口比低洞口氣溫高，朝陽洞口比朝陰洞口氣溫高，向風(fēng)洞口比被風(fēng)洞口氣溫低。（3）隧道的長短。（4）隧道內(nèi)空氣流速的影響。（5）設(shè)置保溫層、防寒門等防寒措施的影響。保溫層對圍巖和隧道內(nèi)空氣之間的熱交換進(jìn)行限制，阻止寒冷空氣的入侵，使保溫層內(nèi)側(cè)溫度變化梯度大于外側(cè)，且兩側(cè)存在較大溫差。防寒門改變了洞內(nèi)外的氣流交換條件，使進(jìn)洞后的負(fù)溫段顯著縮短。（6）隧道內(nèi)溫度分布還與地溫、圍巖的巖性、含水量的大小、斷面形式、剖面形式、設(shè)計和施工方法、支護(hù)形式等有關(guān)。

2.2季節(jié)性凍土隧道溫度沿隧道縱向的分布規(guī)律

為了觀測洞內(nèi)外氣溫動態(tài)，許多學(xué)者對溫度沿隧道縱向的分布規(guī)律進(jìn)行了研究，方法通常是在隧道洞內(nèi)邊墻上按一定間隔布設(shè)溫度元器件，并定時對數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測和分析。初期由于測試的隧道長度短于1km或由于測試時間過短，并沒有準(zhǔn)確得出溫度沿縱向的分布規(guī)律，往往得出距離洞口越遠(yuǎn)，圍巖溫度越高，隧道洞內(nèi)氣溫也相應(yīng)提高的結(jié)論，并沒有考慮氣溫分布在長短隧道、暖季和寒季時的區(qū)別。因此此次選取典型隧道對溫度場的分布規(guī)律進(jìn)行總結(jié)分析。通過對多座寒區(qū)隧道的氣溫變化規(guī)律進(jìn)行調(diào)查分析，歸納出季節(jié)性凍土隧道的縱向溫度一般變化規(guī)律。

2.3季節(jié)性凍土隧道圍巖沿徑向和縱向的分布規(guī)律

（1）同一斷面不同部位圍巖溫度分布規(guī)律

由于不同地質(zhì)條件和隧道埋深的影響，不同隧道處拱頂、邊墻、拱腰的溫度分布規(guī)律不同。但是對于不同埋深，各部位出現(xiàn)負(fù)溫的時間有一定規(guī)律而言。對于隧道淺埋段，由于圍巖既受到外界環(huán)境溫度的作用，又受到隧道內(nèi)空氣的作用，因此各部位出現(xiàn)負(fù)溫和正溫的時間是同步的。而對于深埋段，外界環(huán)境溫度對隧道內(nèi)溫度分布規(guī)律幾乎可以忽略。因此，暖季時，聚集在隧道上方的熱空氣使拱頂先融化，寒季時地面最后出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象。

（2）不同斷面圍巖溫度分布規(guī)律

二次襯砌內(nèi)溫度值變化較大，圍巖內(nèi)的溫度變化相對平緩。圍巖溫度在徑向一定范圍內(nèi)，沿深度的變化基本呈線型變化趨勢。在不同季節(jié)時，圍巖溫度沿埋深的變化規(guī)律不同，在寒季時，圍巖溫度逐漸上升，在暖季時則相反。圍巖溫度的變化隨時間呈正弦函數(shù)分布，其中年平均溫度和溫度振幅沿徑向隨深度的變化可以擬合呈指數(shù)函數(shù)。圍巖溫度是和季節(jié)同步變化的。圍巖和襯砌表面溫度沿隧道縱向近似呈拋物線分布。

隧道內(nèi)各斷面的凍結(jié)深度可以表示為隨縱向長度變化的拋物線，圍巖的洞外凍深大于洞內(nèi)凍深。在進(jìn)出口洞門附近，圍巖的凍結(jié)深度變化幅度較大，洞中段則相反。這主要由于洞門段隧道埋深較淺，不僅受到隧道內(nèi)空氣的作用，還受到隧道上邊界空氣氣溫的影響。并且季節(jié)性隧道的凍結(jié)深度均大于襯砌厚度，即對二襯和初襯研究其抗凍措施是必要的。

3.寒區(qū)隧道初期支護(hù)防護(hù)技術(shù)總結(jié)

3.1采用耐低溫噴射混凝土技術(shù)

原材料加溫：水泥和外加劑不可放在室外，應(yīng)儲存在保溫庫房內(nèi)；平時對砂石用棉被進(jìn)行覆蓋，攪拌前利用蒸汽或地爐對砂石進(jìn)行加熱，加熱溫度控制在16～30℃；施工用水用鍋爐加熱到50～70℃。原材料的選擇：選用抗凍性較好的硅酸鹽水泥或者普通硅酸鹽水泥，并且強度高于32.5Mpa。骨料選用級配良好、質(zhì)地堅硬的砂石，砂采用中砂或粗砂。外加劑：混凝土在低溫環(huán)境下施工，面臨的主要問題就是水的凍結(jié)，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部產(chǎn)生裂縫，達(dá)不到設(shè)計強度，因此在施工時采取的主要措施就是防止混凝土中的水凍結(jié)。在實際中采取的主要措施就是在混凝土中添加外加劑，使混凝土中水的冰點降低。外加劑主要有防凍劑、減水劑、早強劑。防凍劑比如大坂山隧道中采用的MNC-C型混凝土防凍劑，該防凍劑有幾種組分復(fù)合而成，抗凍害能力強，對混凝土的施工性能改善明顯。混凝土的運輸：混凝土運輸車在運輸過程中，為了減少熱量損失，在運輸車上鋪設(shè)一定厚度保溫層并在表面覆蓋一層篷布。混凝土的噴射和保養(yǎng)：噴射混凝土的強度等級不小于C25，為了使材料的抗凍耐久性達(dá)到要求，必須采用濕噴工藝。混凝土噴射時采取分段噴射、分塊噴射的原則。噴射時采取先噴射邊墻，噴射完成后再噴射拱腳和拱腰，最后噴射拱頂部位的方法。噴射距離不宜過遠(yuǎn)或過近，根據(jù)濕噴機(jī)性能和噴射部位確定合理距離。噴射平整面時，噴嘴與平整面垂直。噴射面不平整時，先找平，以保持噴射混凝土的均勻性。

3.2設(shè)置防寒保溫門、空氣幕

防寒門防凍效果明顯，在多座隧道中采用，但是對于車流量比較大的隧道，頻繁地開啟防寒門必然影響其保溫效果，其技術(shù)需要繼續(xù)改進(jìn)。空氣幕保溫法原理類似于保溫隔熱層?？諝饽恢饕抢每諝獾牡蛯?dǎo)熱性能，阻止外界冷氣流進(jìn)入洞內(nèi)，減少隧道內(nèi)溫度與外界溫度的熱交換，使洞內(nèi)保持較高溫度，從而緩解圍巖的凍脹作用?？諝饽慌c防寒保溫門相比，不影響車輛的運行，管理工作簡單，安裝維修簡單?？諝饽患夹g(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，在車站、廠房、賓館等地方廣泛使用，但是在隧道中并沒有先例，需要在實踐中繼續(xù)考驗其可行性。

3.3圍巖注漿堵水

圍巖注漿是從洞內(nèi)向圍巖內(nèi)注入漿液以填充圍巖之間的裂隙，封堵水流通道，在初期支護(hù)外形成一道防水墻，防止地下水流向隧道的一種防凍措施。圍巖注漿可增強圍巖的穩(wěn)定性，防止圍巖發(fā)生滲漏作用，增大圍巖的強度，減小圍巖的凍脹性。同時圍巖經(jīng)過注漿相當(dāng)形成了一道拱圈，承受隧道上部的荷載，防止初期支護(hù)因受力過大而發(fā)生開裂等現(xiàn)象。注漿材料的選擇主要是選擇流動性好、可注性強、耐低溫、不污染環(huán)境、凝結(jié)時間容易控制的材料。但注漿堵水的缺點是耐久性效果不是很理想，注漿材料的選擇需要做比較深入的研究。

3.4火爐加熱、電加熱法

在初期支護(hù)施工過程中，為了防止混凝土發(fā)生凍結(jié)，在隧道內(nèi)容易發(fā)生凍害的部位可以安放火爐加熱或采取電加熱法?；馉t和電加熱法加熱防凍效果明顯，使洞內(nèi)溫度保持在凍結(jié)溫度之上，避免噴錨混凝土在終凝之前或硬化后遭受凍結(jié)，同時也保障了隧道內(nèi)停放機(jī)械的正常運行。在鐵路隧道施工過程中，采取了局部火爐加熱措施，起到了很好的防寒效果。（作者單位：中鐵十九局集團(tuán)有限公司一公司）

參考文獻(xiàn)：

[1] 李占奎.寒區(qū)隧道拱墻鋪設(shè)防水保溫層施工方法.隧道建設(shè)，2012.