嚴(yán)寒地區(qū)拉法山隧道保溫型防排水系統(tǒng)設(shè)計施工技術(shù)探討

樂 晟，楊春勃，楊艷玲

(中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司，河北三河 065201)

0 引言

我國東北屬于高緯度寒冷地區(qū)，冰凍現(xiàn)象延續(xù)時間長，對隧道工程產(chǎn)生一系列的凍害影響。嚴(yán)寒地區(qū)隧道處置不當(dāng)會對后期運營帶來安全隱患，并造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。近年來，為了解決嚴(yán)寒地區(qū)隧道凍脹問題，有關(guān)人員進(jìn)行了大量的工程設(shè)計實踐，在高原嚴(yán)寒、高緯嚴(yán)寒地區(qū)，公路隧道有過采用外掛保溫層的方法。青海省227國道大阪山隧道襯砌表面設(shè)置由PU干法硅酸鋁纖維板和玻璃鋼組成的復(fù)合保溫層［1］，河北秦青公路梯子嶺隧道采用外掛4 cm厚聚氨酯保溫層防止襯砌凍脹［2］，都能保證保溫層內(nèi)側(cè)溫度超過0℃，達(dá)到了預(yù)期的效果。以上方法的保溫層暴露在襯砌的外層，運營后需要維護(hù)保養(yǎng)。鐵路隧道大多為電氣化，凈空內(nèi)行車正上方設(shè)置高壓供電電纜，保溫層維修空間受限，且需要斷電，對運營造成影響;因此，在鐵路隧道領(lǐng)域?qū)で蟾训谋胤绞狡仍诿冀?。本文以吉圖琿客專拉法山隧道為例，采用內(nèi)置保溫層型防排水設(shè)計理論［1－2］，在施工中不斷創(chuàng)新施工技術(shù)，開發(fā)出內(nèi)置保溫層的掛設(shè)、深埋水溝埋設(shè)、止水帶安裝等新型施工工藝和施工方法，保證了保溫型防排水系統(tǒng)的順利實施，可為今后類似嚴(yán)寒地區(qū)隧道防排水系統(tǒng)設(shè)計與施工提供參考。

1 工程概況

拉法山隧道為鐵路雙線隧道，位于吉林省蛟河市慶鈴鎮(zhèn)北4～5 km處，進(jìn)口位于新開河屯，出口位于生菜溝北，全長10 035 m。隧道主體為復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，進(jìn)出口500 m范圍內(nèi)進(jìn)行了保溫防排水處理。隧址區(qū)年平均氣溫為4℃，極端最高氣溫為34.9℃，極端最低氣溫為－41.8℃，最冷月平均氣溫為－28.5℃，年平均最大積雪深37 cm，最大凍結(jié)深度167 cm。依據(jù)文獻(xiàn)［3］，該地區(qū)可劃為嚴(yán)寒地區(qū)。

2 保溫型防排水設(shè)計

拉法山隧道進(jìn)出口500 m范圍內(nèi)采用保溫型防排水系統(tǒng)。設(shè)計時，采用φ42鋼花管對隧道拱墻及仰拱進(jìn)行全環(huán)封閉性注漿堵水，在初期支護(hù)上設(shè)置環(huán)向排水盲管，邊墻墻腳處設(shè)縱向排水盲管，仰拱設(shè)橫向排水盲管，將縱向、環(huán)向排水盲管中的水排入深埋中心排水溝內(nèi)。在拱墻襯砌和初期支護(hù)間設(shè)雙層防水板，防水板間設(shè)5 cm厚聚氨酯保溫層。二次襯砌采用防水混凝土，環(huán)向施工縫采用中埋式橡膠止水帶和背貼式橡膠止水帶，縱向施工縫采用鋼邊中埋止水帶。

3 設(shè)計理念

隧道保溫型防排水設(shè)計采用了“先堵、后排、再防”的綜合防排水原則，達(dá)到“限制水量，保溫治凍，排水通暢”的設(shè)計目的，采取了多項新穎的保證嚴(yán)寒時期排水系統(tǒng)通暢的設(shè)計措施［4］，具體分析如下。

1)全環(huán)注漿堵水，注漿深度為3 m。通過注漿對拱墻及仰拱全環(huán)初期支護(hù)背后3 m范圍內(nèi)的圍巖裂隙進(jìn)行封堵，減少及控制裂隙水滲入，保證襯砌背后無水或少水，從控制水的源頭來控制病害［5］，從而減少或避免嚴(yán)冬低溫條件下凍脹現(xiàn)象的發(fā)生。

2)在洞口段受外界嚴(yán)寒氣溫影響較大、易產(chǎn)生凍脹的500 m范圍內(nèi)，拱墻與初期支護(hù)之間設(shè)置5 cm厚的聚氨酯保溫層加內(nèi)外2層防水板，與二次襯砌一起保障嚴(yán)冬時期襯砌背后環(huán)向、縱向排水系統(tǒng)以及局部水囊處溫度在0℃以上，保證了襯砌背后無凍脹現(xiàn)象發(fā)生。第1層防水板主要防止初期支護(hù)滲水不進(jìn)入拱墻襯砌，第2層防水板防止?jié)仓炷恋乃八酀{進(jìn)入保溫板，從而影響保溫板的保溫效果。

3)保證中心水溝及邊墻仰拱排水管覆蓋厚度，洞外設(shè)置保溫出口，保障嚴(yán)冬時節(jié)洞內(nèi)積水能順利排出洞外。中心排水溝設(shè)置在凍結(jié)線以下，保證了主排水溝的通暢，避免了主排水溝發(fā)生冰凍堵塞;仰拱橫向排水管設(shè)置在仰拱以下;邊墻部位在設(shè)置電纜槽的同時，使橫向排水管混凝土的包裹厚度達(dá)到140 cm;在仰拱排水管、中心水溝碎石過濾層與上部混凝土之間設(shè)置保溫板。通過以上措施，可以保證排水管在嚴(yán)冬時期不會受溫度的影響而發(fā)生凍結(jié)現(xiàn)象。

實踐證明，以上措施能夠解決嚴(yán)寒地區(qū)隧道防排水系統(tǒng)凍脹的問題［4］。

4 保溫材料的選擇

在常見的保溫材料中，擠塑聚苯乙烯保溫板(XPS)、硬質(zhì)聚氨酯板(EPU－h(huán))和優(yōu)質(zhì)保溫苯板(EPS)都具有優(yōu)良的保溫性能［4，6］。實際中，要綜合導(dǎo)熱系數(shù)、強(qiáng)度、柔性、材料來源、壽命和環(huán)保性能等方面選擇保溫材料。

擠塑聚苯乙烯保溫板在我國隧道保溫工程中沒有應(yīng)用過，沒有實際案例能說明它的應(yīng)用效果，使用性能難以評判。該保溫材料可在試驗室內(nèi)試驗，但若用于主體工程，則有一定的風(fēng)險。

優(yōu)質(zhì)保溫苯板導(dǎo)熱系數(shù)大，根據(jù)計算，滿足保暖要求時要加大厚度，這樣在初期支護(hù)與二次襯砌之間預(yù)留的空間要大。一是加大開挖輪廓會增加成本，二是初期支護(hù)與二次襯砌之間夾層過厚對結(jié)構(gòu)整體受力不利。

硬質(zhì)聚氨酯板具有導(dǎo)熱系數(shù)小、強(qiáng)度高、低毒、耐老化等優(yōu)點，且在國內(nèi)隧道保溫施工中作為襯砌外保溫層是非常常見的，在工程應(yīng)用中也取得了良好的效果。

經(jīng)過對比、分析及精確的計算［7］，確定采用硬質(zhì)聚氨酯保溫板。

5 聚氨酯保溫板制作工藝選擇

目前，聚氨酯保溫層施工一般有現(xiàn)場發(fā)泡機(jī)械噴涂法［6］和工廠制作現(xiàn)場安裝法2種方法。

現(xiàn)場發(fā)泡法施工是在現(xiàn)場把原材料發(fā)泡，機(jī)械噴涂在隧道輪廓上，生成聚氨酯板，具有連續(xù)性好、縫隙較少等優(yōu)點。拉法山隧道保溫層設(shè)置在初期支護(hù)與二次襯砌之間，兩側(cè)均設(shè)置防水板，若采用現(xiàn)場發(fā)泡法施工，聚氨酯板與光滑的防水板粘結(jié)形成整體非常困難，容易脫離，人員、機(jī)具使用數(shù)量大;在臺架有效的空間和時間內(nèi)，施工組織難度大;聚氨酯噴涂后，熟化時間較長，會影響下一工序的施工。

預(yù)制好的聚氨酯塊狀板表面平順、安裝快速、工藝較現(xiàn)場發(fā)泡簡單，但拼裝板間的縫隙較多。

2種施工工藝各有優(yōu)缺點，但無論采用哪種工藝，第2層防水板施工都有一定的難度，因此，只能考慮保溫層自身施工和質(zhì)量控制的難易程度。通過對工藝進(jìn)行詳細(xì)的研究，最后確定采用聚氨酯板工廠制作、現(xiàn)場安裝，縫隙采用現(xiàn)場發(fā)泡填充連接為整體的施工工藝。

考慮拱墻部位弧度、搬運、安裝等因素，聚氨酯保溫板尺寸定為2 m×1 m(長×寬)。

6 隧道保溫型防排水施工技術(shù)

6.1 徑向注漿堵水

6.1.1 鋼花管制作

按照設(shè)計要求制作1 m長的鋼花管，前端設(shè)錐頭，后端設(shè)尾箍。

6.1.2 鉆孔及鋼花管安裝

按照設(shè)計的環(huán)向、縱向間距在初期支護(hù)上布點、鉆孔，鉆孔方向盡量與初期支護(hù)表面垂直。

6.1.3 注漿

注漿時，要按照鋼花管的位置間隔注漿，從無水地段逐漸向有水地段注漿，先封堵可能滲水的巖體裂隙，再封堵有水部位的巖體裂隙。注漿時優(yōu)先選擇水泥漿，在有水封堵困難的部位，利用水泥－水玻璃雙液漿快速凝結(jié)的特性進(jìn)行堵水。

6.2 深埋中心水溝施工

6.2.1 溝槽開挖

為提高工作效率，溝槽開挖和仰拱開挖一起進(jìn)行;為減少超挖，溝槽部分進(jìn)行專項爆破設(shè)計。通過加密眼距、減少單孔裝藥量等方法進(jìn)行爆破，施工過程中根據(jù)實際情況對爆破參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

6.2.2 排水管安裝

開挖完成后，清除溝內(nèi)虛渣，將水管外側(cè)用土工布包裹，水管接頭部位用鋼絲網(wǎng)+砂漿進(jìn)行處理，防止灌注混凝土?xí)r水泥漿滲入水管內(nèi)。中心水管安裝標(biāo)高使用混凝土預(yù)制塊進(jìn)行調(diào)整，中心水管安裝完畢后，進(jìn)行基座混凝土澆筑［8］。

6.2.3 橫向排水盲管安裝

橫向排水盲管安裝必須順直，為提高排水效果，排水管管口應(yīng)伸入中央排水管上部的排水孔。

6.2.4 碎石過濾層鋪設(shè)

待基座混凝土初凝后，進(jìn)行碎石過濾層鋪設(shè)，采用小型夯實機(jī)械進(jìn)行夯實，減小工后沉降。

6.2.5 鋪設(shè)保溫層

保溫層采用10 cm厚聚氨酯保溫板。鋪設(shè)時，先將保溫板鋪設(shè)位置的碎石調(diào)平，保溫板下部必須密實無空洞，保溫板之間要緊密連接，以提高保溫板的保溫效果。

6.2.6 鋪設(shè)砂漿保護(hù)層

在保溫層頂面鋪設(shè)砂漿保護(hù)層，保護(hù)層厚5 cm，防止在混凝土澆筑過程中損壞保溫板。

6.3 排水管安設(shè)

1)按照設(shè)計里程對初期支護(hù)混凝土環(huán)向拉槽，拉槽深度約5 cm，與設(shè)計排水管的直徑一致。拉槽深度不宜過淺，避免排水管外漏初期支護(hù)面，影響保溫層的鋪設(shè)。

2)將檢驗后合格的排水管放入拉槽內(nèi)，拉槽的兩側(cè)打入射釘，射釘間用尼龍繩相連固定排水管。環(huán)向、縱向以及橫向排水管采用四通管連接，保證排水管連接牢固、排水通暢。

6.4 防水層鋪設(shè)

6.4.1 基面處理

按規(guī)范要求剔除外露的錨桿頭及尖銳物，對噴射混凝土?xí)r遺留的凹槽部位進(jìn)行補噴，突出的部位采用手持電錘剝除，并用砂漿抹平，為防水層的施工質(zhì)量提供保障［9］。

6.4.2 土工布鋪設(shè)

鋪設(shè)時，相鄰?fù)凉げ贾g的搭接長度不小于5 cm，每個固定點設(shè)置一個熱熔墊圈，固定點的間距為0.5 m×0.5 m。在鋪設(shè)土工布時，要緊貼初期支護(hù)面。

6.4.3 第1層防水板鋪設(shè)

第1卷防水板鋪設(shè)前，測量組將初期支護(hù)的中線及整環(huán)的里程線畫在土工布上。防水卷材一卷分中，標(biāo)記中心位置，將防水板中線與隧道中心線重合固定，由中間向兩側(cè)鋪設(shè)，熱熔自上而下與土工布上的墊圈一一進(jìn)行焊接。采用爬行焊機(jī)從防水板的一端向另一端環(huán)形焊接，焊接完畢后進(jìn)行密閉充氣試驗，檢驗焊接質(zhì)量。

6.4.4 保溫層+第2層防水板施工

保溫層施工工藝的選擇要兼顧第2層防水板的施工難易程度。施工中將保溫層和第2層防水板作為一個整體來進(jìn)行統(tǒng)籌安排，確定經(jīng)濟(jì)、可靠的工藝措施。在施工過程中，先后嘗試了粘結(jié)法、吊繩吊掛法、環(huán)向鋼筋固定法和防水板連接帶環(huán)向張拉連接法4種施工方法，最后確定采用防水板連接帶環(huán)向張拉連接法施工。

防水連接帶利用防水板剩余邊角料加工而成，寬度約5 cm，長度根據(jù)保溫板具體尺寸確定，吊帶的間距為1 m。連接帶與防水板利用手動電熱熔接器加熱焊接。連接帶不僅可以通過其兩端與第1層防水板表面焊接，將保溫板固定牢固，還可以作為焊接第2層防水板的固定媒介。

保溫板由隧道兩側(cè)邊墻開始向拱頂逐塊進(jìn)行鋪設(shè)。首先，將2條連接帶的一端焊接在防水板上，保溫板就位后，拉緊2條連接帶，將連接帶的另一端分別焊接在防水板表面，完成第1塊保溫板的固定;其次，將固定第2塊保溫板的連接帶焊接在固定第1塊保溫板的連接帶表面，鋪設(shè)第2層防水板時，直接將防水板與連接帶通過熱熔焊槍焊接牢固。防水板連接帶環(huán)向張拉法局部圖、細(xì)部放大圖和平面圖如圖1—3所示。

圖1 防水板連接帶環(huán)向張拉法局部圖Fig.1 Sketch of circumferential tensioning of water-proofing sheet by connection tie

圖2 防水板連接帶環(huán)向張拉法細(xì)部放大圖Fig.2 Local details of circumferential tensioning of water-proofing sheet by connection tie

圖3 防水板連接帶環(huán)向張拉法平面圖Fig.3 Plan of circumferential tensioning of water-proofing sheet by connection tie

6.5 止水帶施工

6.5.1 中埋式和背貼式橡膠止水帶施工

中埋式和背貼式橡膠止水帶在保溫板及雙層排水板鋪設(shè)完畢后進(jìn)行。先排好畫出隧道中心線，將止水帶分中，由中間向兩側(cè)進(jìn)行安裝。由于背貼式止水帶無法直接固定，因此，臺車定位后先進(jìn)行中埋式止水帶安裝，再進(jìn)行背貼式止水帶安裝。

中埋式止水帶采用2層弧形模板與端頭木模板相結(jié)合的方法進(jìn)行定位［10］。模板臺車就位后，安裝內(nèi)側(cè)弧形模板，將內(nèi)側(cè)弧形模板與臺車環(huán)向筋板通過螺栓連接;在內(nèi)側(cè)弧形模板上安裝中埋式止水帶，止水帶一端搭在內(nèi)側(cè)弧形模板上，另一端伸入混凝土的限界內(nèi);在止水帶上安裝外側(cè)弧形模板，外側(cè)弧形模板與內(nèi)側(cè)弧形模板采用螺栓連接;利用端頭木模板固定背貼式止水帶，并進(jìn)行加固。拱墻襯砌模板及止水帶安裝示意圖如圖4所示。

圖4 拱墻襯砌模板及止水帶安裝示意圖Fig.4 Formwork for lining of arch and side wall and installation of water stop tie

6.5.2 仰拱中埋式止水帶施工

仰拱采用定型鋼模板端頭模施工，中埋式止水帶安裝于上下層弧形模板之間。按照測量放樣位置先定位其中一側(cè)，由定位一側(cè)向另一側(cè)進(jìn)行拼裝，拼裝完后再對弧形鋼模位置進(jìn)行檢查調(diào)整;下層弧形鋼模安裝完成后，將中埋式橡膠止水帶平放至弧形模上，調(diào)整止水帶兩端外露長度;安裝上層弧形鋼模，使止水帶一半卡入2層弧形鋼模之間，另一半外露在仰拱混凝土限界內(nèi)。仰拱止水帶安裝如圖5所示。

圖5 仰拱止水帶安裝示意圖Fig.5 Installation of water stop tie of invert

6.5.3 鋼邊止水帶施工

仰拱矮邊墻采用桁架式定型鋼模板施工，在矮邊墻定型模板頂面安裝止水帶夾具。施工時，在安裝好仰拱定型模板端頭模后，將桁架式矮邊墻定型鋼模板就位，安裝鋼邊止水帶，擰緊緊固螺栓即可，如圖6所示。

圖6 縱向鋼邊止水帶安裝示意圖Fig.6 Installation of longitudinal steel-edge water stop tie

7 結(jié)論與討論

本文結(jié)合施工現(xiàn)場實例，著重從隧道設(shè)計理念、保溫材料的選型和保溫型防排水系統(tǒng)施工過程等方面進(jìn)行了研究和探討。采用內(nèi)置保溫層+凍結(jié)線以下深埋水溝的設(shè)計方案，解決了嚴(yán)寒地區(qū)隧道凍脹問題。在施工中，通過創(chuàng)新施工工藝和施工方法，不斷提高防排水的施工質(zhì)量，充分發(fā)揮了內(nèi)置保溫型防排水系統(tǒng)的防凍脹優(yōu)點，保證了洞內(nèi)無凍結(jié)薄弱點，排水系統(tǒng)正常，排水通暢;特別是先進(jìn)可行的內(nèi)置保溫層施工技術(shù)，解決了使用外掛保溫層后期維修保養(yǎng)的難題，保障了隧道的連續(xù)運營。

今后，隧道防寒保溫型防排水設(shè)計的方法會越來越多，保溫層位置、保溫層材料、保溫層厚度等方面都會有新的變化和改進(jìn);同時，保溫系統(tǒng)施工質(zhì)量要求也會越來越高，需要更先進(jìn)的施工工藝。因此，縝密的隧道保溫型防排水系統(tǒng)設(shè)計方案和先進(jìn)可靠的施工技術(shù)，仍然是嚴(yán)寒地區(qū)隧道防排水設(shè)計施工不斷探索、不斷創(chuàng)新的課題。

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