高寒地區(qū)有水隧道凍害治理措施

陳建平, 鄭 波

(1.中鐵八局集團(tuán)有限公司, 四川成都 610036； 2. 中鐵西南科學(xué)研究院有限公司, 四川成都 611731)

1 工程概況

1.1 隧道概述

新建錫(林浩特)至烏(蘭浩特)鐵路工程為國(guó)鐵Ⅰ級(jí)單線鐵路，扎爾斯臺(tái)隧道為單線隧道，全長(zhǎng)5 470 m。隧道進(jìn)口段位于曲線上，曲線半徑2 500 m，其余段落位于直線上。隧道進(jìn)口段路塹為1 ‰上坡，變坡點(diǎn)設(shè)置在洞口外30 m處，向隧道內(nèi)變?yōu)?.2 ‰下坡，豎曲線長(zhǎng)52 m。隧址區(qū)地形平坦、地勢(shì)開闊，為典型的草原牧場(chǎng)。在隧道進(jìn)口洞頂、距隧道洞口245 m處，白霍一級(jí)重載公路以填方形式通過。公、鐵兩路斜交角度約為25 °，在鐵路線路左側(cè)、隧道洞口上游，設(shè)有一座1.0～2.0 m公路排洪涵。交叉段隧道洞頂最大埋深13.5 m，最小埋深10.4 m，公路路基填土高度2.5～3.2 m。

1.2 氣象情況

扎爾斯臺(tái)隧道地處內(nèi)蒙古科爾沁大草原，冬季漫長(zhǎng)而寒冷，風(fēng)雪天氣較多。根據(jù)設(shè)計(jì)氣象資料顯示，隧區(qū)年平均氣溫2 ℃左右，冬季平均氣溫-20 ℃，最低溫度-36 ℃，極端最低氣溫-39.4 ℃，土壤最大凍結(jié)深度2.83 m。

在隧道施工期間，施工現(xiàn)場(chǎng)極端最低氣溫出現(xiàn)在2010年12月，極端最低氣溫為-48.1 ℃，現(xiàn)場(chǎng)土壤最大凍結(jié)深度實(shí)際有3.3～3.5 m。

1.3 隧道設(shè)計(jì)

扎爾斯臺(tái)隧道起訖里程為DK380+130～DK385+600，DK380+130～DK380+230段為明洞襯砌，DK380+230～DK380+500段為Ⅵ級(jí)圍巖復(fù)合式襯砌。明洞襯砌結(jié)構(gòu)為C35鋼筋混凝土，拱墻襯砌厚度50 cm；Ⅵ級(jí)圍巖段落采用復(fù)合式襯砌，其二次襯砌結(jié)構(gòu)為C35鋼筋混凝土，拱墻襯砌厚度45 cm。

扎爾斯臺(tái)隧道防水等級(jí)為一級(jí)，襯砌混凝土抗?jié)B等級(jí)為P10。在隧道進(jìn)口端500 m范圍內(nèi)，設(shè)置有雙側(cè)保溫水溝，其雙層蓋板間填充聚氨脂保溫材料；在拱墻部位的二次襯砌和初期支護(hù)之間設(shè)置有環(huán)向深埋保溫盲溝和縱向盲溝。

2 凍害情況

2.1 軌面結(jié)冰

扎爾斯臺(tái)隧道于2012年9月貫通，隨后于10月末冬休。2013年3月初，隧道洞口段地面上(未鋪軌)約200 m范圍內(nèi)大面積積冰，冰層最大厚度達(dá)到1 m左右；2014年3月初，洞口段約220 m范圍內(nèi)的道砟面和軌道上大面積結(jié)冰，部分地段冰面高度超過軌頂標(biāo)高。2015年3月(鐵路未開通)，洞口段230 m范圍內(nèi)的道砟面和軌道上大面積結(jié)冰，線路全部冰封，冰面高度超過水溝電纜槽蓋板頂面約20～50 cm；洞口段370 m長(zhǎng)度范圍保溫水溝內(nèi)結(jié)滿了冰，洞外路塹的道床上和路塹水溝平臺(tái)上也有結(jié)冰現(xiàn)象，冰雪厚度約0.8～1.0 m?，F(xiàn)場(chǎng)結(jié)冰照片如圖1所示。

圖1 隧道洞口段軌面結(jié)冰照片

2.2 襯砌裂縫

2013年3月，發(fā)現(xiàn)隧道進(jìn)口段襯砌結(jié)構(gòu)受凍，解凍后發(fā)現(xiàn)存在若干條縱向、水平細(xì)微裂紋，之后無(wú)明顯發(fā)展。到2014年3月，DK380+240～+282段雙側(cè)邊墻上出現(xiàn)明顯的縱向水平裂縫，并在襯砌表面產(chǎn)生錯(cuò)位現(xiàn)象。經(jīng)實(shí)測(cè)，襯砌裂縫最寬約10 mm，襯砌表面錯(cuò)臺(tái)最大約5 mm；解凍后，隨著氣溫升高，裂縫出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，襯砌表面錯(cuò)臺(tái)逐漸變小、直至完全消失。完全解凍后，對(duì)隧道襯砌裂縫進(jìn)行了為期2個(gè)月的全面觀測(cè)，右側(cè)邊墻1～2#縫最寬7.5 mm，較3月時(shí)的縫寬值有所減小，縫長(zhǎng)和縫寬值均無(wú)變化。

在2014～2015年冬季的季節(jié)性觀測(cè)過程中，2014年10～12月期間裂縫無(wú)發(fā)展、道砟面未結(jié)冰；2015年1～3月期間，裂縫數(shù)量由12條變?yōu)?1條(右側(cè)12條、左側(cè)9條)，襯砌裂縫范圍向洞口方向延伸24 m、向洞內(nèi)方向延伸43 m，原有的12條裂縫均有不同程度的發(fā)展，縫長(zhǎng)最大發(fā)展2.573 m，縫寬最大增寬6.0 mm，累計(jì)縫寬13.5 mm，縱向裂縫兩側(cè)結(jié)構(gòu)表面最大錯(cuò)臺(tái)5.2 mm。冰凍期間裂縫處無(wú)水無(wú)冰，解凍期間個(gè)別裂縫開始出現(xiàn)滲漏水和掛冰現(xiàn)象?，F(xiàn)場(chǎng)裂縫照片如圖2所示。

圖2 隧道洞口段襯砌裂縫照片

3 隧道凍害原因分析

3.1 襯砌裂縫產(chǎn)狀分析

襯砌縱向裂縫左、右邊墻具有對(duì)稱性，裂縫主要分布在水溝蓋板頂上2～4 m范圍內(nèi)，相對(duì)隧道高度而言，處于邊墻中間位置，在開裂嚴(yán)重段落，裂縫數(shù)量通常為平行的3條裂縫。

縱向裂縫具有明顯的季節(jié)性，裂縫發(fā)展主要出現(xiàn)在寒冷的冬季，當(dāng)氣溫升高后，裂縫寬度有一定收縮性，但不能完全恢復(fù)到前一年的水平。

初砌裂縫發(fā)展程度具有一定積累性，在襯砌開裂段，裂縫的數(shù)量、寬度、長(zhǎng)度相比上一年有進(jìn)一步發(fā)展的趨勢(shì)，符合季節(jié)性凍脹開裂的特征。

3.2 凍結(jié)圈模擬分析

根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髼l件和熱力學(xué)參數(shù)，中鐵西南科學(xué)研究院有限公司對(duì)隧道周邊圍巖在季節(jié)凍融條件下的凍結(jié)圈厚度進(jìn)行了模擬分析，其計(jì)算結(jié)果顯示：最大凍結(jié)深度出現(xiàn)在2月，明洞段地表凍結(jié)深度為2.56 m，隧道輪廓以外的圍巖凍結(jié)圈厚度為2.58 m，底部?jī)鼋Y(jié)深度為2.55 m；DK380+230～+500暗洞段地表凍結(jié)深度為2.48 m，隧道輪廓以外的圍巖凍結(jié)圈厚度為2.16 m，底部?jī)鼋Y(jié)深度為2.53 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆探勘察，計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際基本相符。

3.3 襯砌結(jié)構(gòu)受力分析

根據(jù)各斷面勘探取樣數(shù)據(jù)和凍結(jié)圈厚度計(jì)算結(jié)果，針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)形式和地層特性，分別建立不同的有限元模型，其計(jì)算結(jié)果顯示：對(duì)于含水量較大的粉質(zhì)土圍巖，在冬季負(fù)溫持續(xù)作用下，產(chǎn)生的凍脹力會(huì)使隧道邊墻處產(chǎn)生較大的彎矩，導(dǎo)致邊墻中間部位出現(xiàn)拉裂縫；其后，隨著凍脹圈不斷發(fā)展、凍脹力不斷增大，在拉裂縫附近會(huì)出現(xiàn)較大剪切力，當(dāng)剪切力達(dá)到一程度時(shí)，邊墻襯砌會(huì)被剪斷，致使襯砌出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象。

洞口段圍巖原狀土試樣含水量在20 %以上，粉質(zhì)黏土凍脹率高，尤其對(duì)于單線鐵路隧道高寬比較大，受圍巖凍脹力影響，邊墻中部產(chǎn)生較大彎矩，故在隧道邊墻中部最先出現(xiàn)受彎矩作用的拉裂縫。在凍脹力作用下，邊墻襯砌通常會(huì)出現(xiàn)3條平行裂縫，這與實(shí)際情況完全符合，進(jìn)一步驗(yàn)證了扎爾斯臺(tái)隧道進(jìn)口端邊墻襯砌開裂是由于圍巖凍脹力所導(dǎo)致。

3.4 現(xiàn)場(chǎng)情況分析

內(nèi)蒙古地區(qū)冬季風(fēng)力較大，扎爾斯臺(tái)隧道冬季休工期間，洞口積雪厚度可達(dá)2～4 m，同時(shí)有部分積雪進(jìn)入隧道內(nèi)。當(dāng)氣溫或中午直射溫度略有升高時(shí)，洞口積雪會(huì)發(fā)生一定程度的融化。受洞外地勢(shì)平坦、地形特殊的因素影響，洞口周邊的融雪水匯集于洞口，未能及時(shí)沿路基水溝排走，一部分流入洞內(nèi)結(jié)成了冰。如此反復(fù)進(jìn)行，導(dǎo)致洞內(nèi)冰面逐漸升高、結(jié)冰段落逐漸蔓延。

扎爾斯臺(tái)隧道進(jìn)口段圍巖地質(zhì)為粉質(zhì)黏土，圍巖滲透系數(shù)小，滲水量小，保溫水溝水量小、流速慢，在冬季極低氣溫下，極易結(jié)冰。保溫水溝結(jié)冰堵塞后，加劇了洞內(nèi)冰面蔓延，并導(dǎo)致襯砌背后結(jié)冰加劇、凍脹壓力增大，最終導(dǎo)致襯砌開裂。

4 凍害整治措施

4.1 襯砌裂縫治理

沿邊墻襯砌縱向裂縫，在裂縫上、下側(cè)各打設(shè)一排Φ25砂漿錨桿，對(duì)局部破損的襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。錨桿長(zhǎng)5 m，縱向間距80 cm。錨桿施工完畢后，采用環(huán)氧樹脂砂漿封口，最后安裝錨墊板和螺母。

對(duì)裂縫縫口進(jìn)行開槽處理，斜向埋設(shè)注漿嘴，將環(huán)氧樹脂砂漿壓入槽內(nèi)，采用環(huán)氧樹脂灌縫并用環(huán)氧樹脂砂漿封口。

4.2 襯砌表面保溫層

在DK380+130～+530段400 m范圍內(nèi)的拱墻襯砌表面，噴涂可發(fā)性聚氨酯泡沫保溫層，厚15 cm。為了防止保溫層脫落，噴涂時(shí)在保溫層結(jié)構(gòu)中部加入一層鋼絲網(wǎng)，其網(wǎng)眼大小為18 cm×18 cm，并采用鋼膨脹螺栓錨入襯砌混凝土結(jié)構(gòu)中連接固定，錨釘間距1.0 m×1.0 m。聚氨酯噴涂時(shí)加入阻燃劑以改善其防火性能。

聚氨酯保溫層噴涂完成后，采用抗裂砂漿抹平，壓入一層網(wǎng)格布后再抹一層抗裂砂漿飾面，最后均勻噴涂?jī)傻婪阑鹜苛?，使其達(dá)到A級(jí)防火等級(jí)要求,如圖3所示。

圖3 襯砌保溫施工照片

4.3 側(cè)溝結(jié)冰治理

在隧道洞口段500 m范圍的雙側(cè)水溝內(nèi)，布設(shè)電加熱板，以防水溝內(nèi)結(jié)冰。具體布設(shè)方案為：(1)在DK380+130～+500段，水溝內(nèi)按底部和兩側(cè)壁的三面鋪設(shè)電加熱板；(2)在DK380+500～+630段，側(cè)溝底部鋪設(shè)電加熱板；(3)在DK380+130～+230段，隧道仰拱填充面上每隔6 m設(shè)置兩道電加熱帶，并加套鍍鋅鋼管保護(hù)裝置。

電加熱板性能標(biāo)準(zhǔn)：寬度20 cm，長(zhǎng)度122 cm，用電電壓36 V，電伴熱面板功率為80 W/m，表面溫度為45 ℃。

4.4 擋雪設(shè)施

在隧道進(jìn)口路塹段及路堤零填方段設(shè)置擋雪設(shè)施，防止洞口段路塹內(nèi)造成大量風(fēng)積雪，以減輕洞口段和路塹段的積雪和融雪水量。

4.5 整治效果

通過采取以上工程措施對(duì)扎爾斯臺(tái)隧道進(jìn)行了凍害整治，錫烏鐵路于2015年9月20日正式開通運(yùn)營(yíng)。經(jīng)過兩個(gè)冬季的通車運(yùn)營(yíng)，實(shí)踐證明以上工程措施切實(shí)可行，整治效果良好，為錫烏鐵路的冬季運(yùn)營(yíng)安全提供了保障。整治效果如圖4所示。

圖4 通車運(yùn)營(yíng)期間整治效果現(xiàn)場(chǎng)照片

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著鐵路運(yùn)營(yíng)里程的逐漸延伸，鐵路建設(shè)項(xiàng)目所處的地理位置也逐漸走向全國(guó)各地，使高寒地區(qū)建設(shè)鐵路項(xiàng)目成為一種可能，高寒地區(qū)的有水隧道發(fā)生凍害現(xiàn)象將成為一種較為常見的病害。本文以錫烏鐵路扎爾斯臺(tái)隧道為例，介紹了襯砌保溫、水溝加熱、擋雪堵水等凍害治理方案和措施。該整治方案施工簡(jiǎn)單，工期短，可滿足業(yè)主短期內(nèi)開通鐵路運(yùn)營(yíng)的要求；對(duì)周圍環(huán)境影響少，避免了由于工程施工導(dǎo)致的社會(huì)影響和環(huán)境影響；工程造價(jià)相對(duì)較低，有利于節(jié)約投資。經(jīng)過凍害整治后兩個(gè)冬季的觀察，證明整治效果良好，滿足了鐵路運(yùn)營(yíng)要求，為鐵路正常運(yùn)營(yíng)提供了有利的安全保障，也為類似工程的凍害治理和措施優(yōu)化提供了重要經(jīng)驗(yàn)依據(jù)。