寒區(qū)鐵路隧道襯砌電熱導(dǎo)流板研發(fā)及應(yīng)用

柴金飛,馬偉斌,余東洋,郭小雄,李 堯

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所,北京 100081; 2.中國鐵道科學研究院,北京 100081)

凍土廣泛分布在寒冷地區(qū)，約占全球土地面積的1/4。我國寒冷地區(qū)面積約占總領(lǐng)土面積的43.5%，其中常年均是凍土的地區(qū)面積約占總領(lǐng)土面積的22.3%。在這遼闊的地區(qū)有著豐富的可利用資源，如森林、礦產(chǎn)、水等。為了更好地開發(fā)利用這些資源，在寒冷地區(qū)鐵路和公路的建設(shè)是不可或缺的。由于寒區(qū)多位于極地、中緯度的山區(qū)，因此鐵路和公路在修建時將會穿越大量的隧道。然而，由于早期對隧道工程特性的認知存在很大缺陷，所以在隧道的修建過程中出現(xiàn)夏季剛完成冬季就暴露出凍害的問題，包括襯砌的開裂、掛冰、路面冒水結(jié)冰等。這些問題嚴重時將威脅行車安全。為了保證列車的行駛安全，工務(wù)及設(shè)備相關(guān)部門花費大量的人力、物力、財力對隧道進行養(yǎng)護與維修。為了更好地認識寒區(qū)鐵路隧道的凍害特性，文獻[1]通過數(shù)值分析和理論計算對寒區(qū)隧道溫度場理論進行了深入研究；文獻[2]通過模型試驗對凍害產(chǎn)生時的凍脹力進行了計算；文獻[3]對隧道凍害等級劃分進行了研究并提出了相應(yīng)的防治技術(shù)；文獻[4-5]在分析凍害機理的基礎(chǔ)上對預(yù)防凍害的措施進行了探索；文獻[6]通過對比理論計算和現(xiàn)場實測的結(jié)果，提出了寒區(qū)隧道安全度與可靠度的判斷依據(jù)；文獻[7]通過葡氏擊實和凍脹試驗，研究了不同細粒土含量的凍脹特性；文獻[8]采用有限元法對凍害隧道襯砌結(jié)構(gòu)的受力和變形進行了計算分析，得到了溫度應(yīng)力影響下襯砌的變形和受力規(guī)律；文獻[9]對膨脹巖環(huán)境下隧道掘進現(xiàn)場分析得出防水板和保溫板結(jié)合使用能有效的預(yù)防凍害發(fā)生。這些研究讓隧道建設(shè)者對寒區(qū)隧道凍害機理有了深入的認識，對我國寒區(qū)隧道建設(shè)提供了理論依據(jù)。因此對于寒區(qū)鐵路隧道襯砌凍害防措施研究具有重要的意義。

1 寒區(qū)鐵路隧道凍害現(xiàn)狀

我國西北地區(qū)多條線路位于季節(jié)性凍土地區(qū)，多座隧道建設(shè)時由于缺乏經(jīng)驗，勘測、設(shè)計、施工中沒有特殊措施，導(dǎo)致一系列隧道凍害，甚至造成邊建邊維修的被動局面。為全面掌握鐵路隧道襯砌凍害情況，對某局轄內(nèi)的隧道進行調(diào)研，襯砌凍害約占所有隧道病害類型的10%。襯砌凍害表現(xiàn)為：滲漏出來的地下水在溫度較低的情況下凝結(jié)成冰柱，在滲水點較多的位置結(jié)晶較為明顯，最終將形成十至幾十厘米的冰錐(又稱掛冰)。如不及時清理，冰錐越積越長，最終將侵入隧道限界，對行車安全造成影響，見圖1。

圖1 隧道凍害

隧道排水溝(槽)保溫不良引起冰凍，導(dǎo)致水溝地下排水困難，因結(jié)冰堵塞，使水溝(管或槽)凍裂破損，地下水不易排走，襯砌周邊因水結(jié)冰而凍脹，致使隧道內(nèi)各種凍害接踵而至。

隧道砌筑在圍巖良好地段，一旦襯砌背后有空隙，滲透巖層的地下水，在排水不通暢時水就積在襯砌與壁后圍巖間，結(jié)冰凍脹產(chǎn)生冰凍壓力，傳遞給襯砌。另外，在襯砌背后存有空隙時會產(chǎn)生凍脹壓力，造成襯砌變形與開裂。凍融循環(huán)會加速襯砌混凝土的劣化。

隧道凍害導(dǎo)致隧道拱部襯砌發(fā)生變形與開裂、邊墻變形嚴重、隧道內(nèi)線路凍害、襯砌材料凍融破壞、隧底凍脹和融沉等。該類病害多發(fā)生在隧道拱頂?shù)氖┕たp、變形縫、道床、水溝等處，威脅列車在隧道內(nèi)的行車安全。

2 凍害成因分析

凍害是寒冷地區(qū)隧道常見的病害之一。從外觀來看，凍害表現(xiàn)多為邊墻掛冰、洞頂?shù)醣?、路面變冰湖等，對隧道?nèi)行車安全有著直接的影響；從破壞情況來看，凍害多表現(xiàn)為襯砌混凝土表面風化拱頂開裂、側(cè)壁鼓起等，對隧道襯砌的長期穩(wěn)定存在一定的威脅。影響隧道凍脹病害的因素如下：

1)溫度。溫度是凍土隧道凍害產(chǎn)生的基本因素之一。寒冷地區(qū)是指日平均氣溫在0 ℃以下，年累計值超過300 ℃·d的地區(qū)。寒冷地區(qū)隧道全年寒冷時間長，隧道圍巖溫度冷熱交換使圍巖散失的熱量大于外界大氣補給的。隨著時間的推移，圍巖中的溫度會形成一種緩慢下降的趨勢，從而導(dǎo)致隧道周圍有新凍土層產(chǎn)生，新凍土層產(chǎn)生的凍脹力對隧道襯砌是極其不利的。

2)水文。寒冷地區(qū)隧道圍巖富含地下水，當溫度降低到圍巖的凍結(jié)溫度以下時，圍巖中的水凍結(jié)，引起體積膨脹，就可能發(fā)生凍害。隧道圍巖的含水率與圍巖的透水性及地下水位有關(guān)。從理論上講，如果能夠?qū)⑺淼酪r砌背后圍巖中的地下水完全排除，凍害將減輕或消除，在實際工程中完全排除圍巖中的地下水是不可能的，但在隧道周圍設(shè)置完善的防排水系統(tǒng)可以在一定程度上減輕凍害。

3)圍巖。凍害主要是由于隧道圍巖在凍結(jié)時膨脹受到約束而產(chǎn)生的凍脹力引起的。圍巖的凍脹特性表現(xiàn)在凍脹時的體積膨脹率和凍結(jié)時圍巖物理力學參數(shù)的改變。單軸抗壓強度小于5 MPa，干燥重度在15 kN/m3以下，飽和重度小于20 kN/m3，含水率大于25%的圍巖易產(chǎn)生凍脹病害。因此，可以采用改變圍巖凍脹特性的方法來減輕或消除凍害。

4)施工措施。寒區(qū)隧道在設(shè)計、施工中采用的工程措施不適當也可能導(dǎo)致凍害的產(chǎn)生。隧道的斷面形狀、施工工藝、襯砌材料及厚度等也是凍害的影響因素。

寒冷地區(qū)隧道在上述凍脹病害影響因素的綜合作用下，發(fā)生凍脹時產(chǎn)生的凍脹力是隧道襯砌變形的主要外力；凍融循環(huán)引起的隧道襯砌殘余變形的累積，將最終導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

3 隧道凍害預(yù)防措施

從以上凍害成因分析中可知，應(yīng)從防排水和溫度2個方面預(yù)防隧道凍害。目前，鐵路隧道采用多道隔水或通過增加地下水在施工縫中滲流途徑減小地下水沿施工縫的滲流，從而達到施工縫防水的目的。若將施工縫處約1.0～1.5 m內(nèi)防水板用導(dǎo)流板替代，將施工縫的防水措施由“全封堵”調(diào)整為“以排為主，防排結(jié)合”。這將在二次襯砌背后施工縫處形成1個導(dǎo)流通道，及時有效地將地下水引排至隧道側(cè)壁水溝，使得施工縫處于無水壓的工作狀態(tài)，確保施工縫防水措施安全、可靠。

根據(jù)調(diào)研，目前市場上導(dǎo)流板的類型主要有凸殼型導(dǎo)流板(如圖2所示)、凸點型導(dǎo)流板、毛細型導(dǎo)流板、土工格柵型導(dǎo)流板等。結(jié)合隧道防排水特點及施工工藝，導(dǎo)流板首先要具有一定的防水能力，同時導(dǎo)流板施作后對結(jié)構(gòu)安全不能產(chǎn)生不利影響。經(jīng)綜合分析，凸殼型導(dǎo)流板更適用于鐵路隧道施工縫排水技術(shù)要求。

圖2 凸殼型導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)示意

凸殼型導(dǎo)流板縱向兩側(cè)邊緣各20 cm范圍內(nèi)為搭接區(qū)，接縫方式采用“凸殼嵌扣+膠粘密封”，凸殼呈半球或圓臺狀形。這種接縫方式簡化了施工工藝，提高了施工效率，實現(xiàn)了工廠標準化生產(chǎn)，保障了導(dǎo)流板接縫防水質(zhì)量。凸殼呈梅花形均勻分布能有效阻滯泥沙流失，分散襯砌背后水壓力，保障導(dǎo)流板的排水效果。毛細型導(dǎo)流板縱向兩側(cè)邊緣各15 cm范圍無開槽，其余部位為毛細集水槽導(dǎo)流通道。對于 1 m 幅寬、最小等效管徑為68.7 mm的半球狀凸殼型導(dǎo)流板，其最小通水量為 1 200.212 cm3/s。能夠滿足隧道襯砌內(nèi)排水需求。

為保證導(dǎo)流板內(nèi)水不凍結(jié)，在導(dǎo)流板內(nèi)安裝發(fā)熱電纜(見圖3)，使導(dǎo)流板內(nèi)的溫度既能保證安全，又能溶解冰塊。為了尋找合理的安全溫度，通過在導(dǎo)流板里安裝4根、3根、2根發(fā)熱電纜，通過功率調(diào)節(jié)器把功率分別控制在5,10，15,20 W/m，每種工況每間隔1 h記錄1次數(shù)據(jù)(導(dǎo)流板內(nèi)溫度及發(fā)熱電纜表面溫度)，觀察3 h。不同發(fā)熱電纜長度和功率條件下凸殼型導(dǎo)流板內(nèi)溫度(1 m幅寬)見表1。

圖3 發(fā)熱電纜在導(dǎo)流板安裝示意

發(fā)熱電纜/根功率/(W·m-1)導(dǎo)流板內(nèi)溫度/℃發(fā)熱電纜溫度/℃發(fā)熱電纜/根功率/(W·m-1)導(dǎo)流板內(nèi)溫度/℃發(fā)熱電纜溫度/℃16.016.0518.433.920.335.421.235.922.022.01030.650.434.052.436.255.0424.024.01537.862.641.365.742.866.221.021.02043.077.048.180.950.180.720.020.0527.838.4330.039.831.241.61026.026.031.556.21031.758.733.059.626.026.01537.671.841.175.6343.076.424.021.02040.684.046.984.648.085.124.024.01024.953.526.055.026.956.127.027.021527.966.328.967.829.969.429.029.02030.174.030.975.631.575.5

圖4 電熱導(dǎo)流板

由表1可知，當導(dǎo)流板內(nèi)安裝3根或4根發(fā)熱電纜，且發(fā)熱電纜的功率在15 W/m時，通電后能提高導(dǎo)流板內(nèi)溫度15～20 ℃，發(fā)熱電纜的表面溫度在75 ℃左右，實際應(yīng)用中可參考以上數(shù)據(jù)。

通過導(dǎo)流板選型和電熱結(jié)構(gòu)選型研究，確定了電熱導(dǎo)流板的物理結(jié)構(gòu)和功能需求，設(shè)計出了一種隧道電熱導(dǎo)流板，如圖4所示。在導(dǎo)流板的內(nèi)部設(shè)置有發(fā)熱電纜。當周圍溫度低于0 ℃時，電熱系統(tǒng)啟動加熱；當周圍溫度高于0 ℃時，電熱系統(tǒng)停止加熱。電熱導(dǎo)流板貼合在隧道的縫隙處以引導(dǎo)水流。電熱導(dǎo)流板內(nèi)的發(fā)熱電纜可防止水流發(fā)生凍結(jié)，能有效地減輕或消除隧道凍害。

4 電熱導(dǎo)流板應(yīng)用

4.1 工程概況

扎爾斯臺單線隧道全長 5 470 m，進、出口洞門均為直切式洞門。從2016年發(fā)現(xiàn)第一處滲水開始，截至2017年2月22日發(fā)現(xiàn)滲漏水地點共17處，2月18日發(fā)現(xiàn)K382+700處滲水情況有加快跡象，從鋼軌正上方直接落至軌面，致使軌面結(jié)冰厚10 mm，且拱頂和兩側(cè)邊墻處滲水點由滴水狀發(fā)展成線狀，且出現(xiàn)掛冰現(xiàn)象，如圖5所示。

圖5 凍害情況

4.2 病害成因分析

經(jīng)現(xiàn)場踏勘及分析，凍害原因可能是：①襯砌背后排水系統(tǒng)失效，造成地下水在襯砌背后匯集，水壓力不斷加大，最終導(dǎo)致在襯砌薄弱處涌出。②防水板破損失效。施工中，由于初期支護基面處理不平整或存在尖銳部位造成防水板在鋪設(shè)過程中已經(jīng)有破損且未進行修補，或因為焊接質(zhì)量問題造成接縫處完整性不好，在初砌背后水壓的作用下，防水板極易撕裂失效。③止水帶失效。設(shè)計要求施工縫防水采用背貼式橡膠止水帶加中埋式橡膠止水帶2道防水措施，但在施工中止水帶存在卡具不牢、接頭連接不牢固等缺陷，造成目前隧道施工縫處滲漏水問題。如不盡快處理，病害情況將不斷惡化，最終將影響行車安全。

4.3 整治方案

為確保列車行駛安全，針對病害形成原因?qū)Σ『Χ尾捎谩耙?電熱導(dǎo)流板”方案進行整治。施工步驟：

1)鑿槽。沿滲漏水施工縫自上而下開鑿U形槽，槽深10 cm，槽寬10 cm，清除槽內(nèi)碎塊及殘渣，用高壓水及鋼刷清洗干凈。

2)鉆設(shè)集水孔。鑿槽完畢后用觀察、撒干粉等方法確定出水點，在出水點打設(shè)φ30 mm集水孔，將襯砌背后地下水從孔中排出；若無法確定具體出水位置，則在拱腰及水溝蓋板以上1 m處打設(shè)集水孔。

3)鋪設(shè)半管。用金屬卡固定φ80波紋半管作為排水通道，在半管與槽體的接觸部位封填堵水材料，封堵密實，在全環(huán)安裝完畢后在半管外鋪設(shè)電伴熱帶。

4)封堵槽體。以環(huán)氧樹脂砂漿將槽體進行封堵填平，待砂漿達到設(shè)計強度后，在表面刷涂寬25 cm厚2 mm水泥基滲透結(jié)晶性防水涂料。

5)鋪設(shè)電熱導(dǎo)流板。表面處理完畢后，沿施工縫全環(huán)鋪設(shè)電熱導(dǎo)流板，寬度67 cm，采用縱橫向緊固壓條與膨脹螺栓固定牢固；電熱導(dǎo)流板寬14 mm，功率25 W/m。

整治后對該病害段進行觀察發(fā)現(xiàn)：原病害區(qū)段再未出現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象，寒冷天氣也未出現(xiàn)掛冰現(xiàn)象。該效果表明“引排+電熱導(dǎo)流板”綜合整治方案能有效地預(yù)防隧道襯砌凍害的發(fā)生。

5 結(jié)論

1)圍巖凍脹產(chǎn)生的凍脹力是隧道襯砌產(chǎn)生變形的主要外力；在凍融循環(huán)下引起的隧道襯砌殘余變形的累積，將最終導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，影響行車安全。

2)根據(jù)市場調(diào)研對比，凸殼導(dǎo)流板更適合隧道施工縫排水技術(shù)要求。1 m幅寬半球狀凸殼型導(dǎo)流板通水能力最小等效管徑為68.7 mm，大于現(xiàn)有環(huán)向盲管的通水能力。因此，半球狀凸殼型導(dǎo)流板能充分滿足隧道排水需求。

3)根據(jù)導(dǎo)流板電熱試驗，考慮冷空氣和熱空氣的對流交換，合理的電熱線布設(shè)方式對提高導(dǎo)流板內(nèi)部溫度有益，且導(dǎo)流板內(nèi)在寬度方向溫度會相對均恒，不會對排水及排沙造成影響。

4)電熱型導(dǎo)流板的研究綜合防排水和保溫2個方面。通過在扎爾斯臺隧道襯砌病害整治的應(yīng)用效果表明電熱導(dǎo)流板能有效地減輕或消除隧道襯砌凍害，可為相似襯砌病害整治提供借鑒。