嚴(yán)寒區(qū)域下穿隧道保溫型防排水施工技術(shù)的應(yīng)用研究

張拓

摘要：嚴(yán)寒區(qū)域氣象條件惡劣，常導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)形成滲漏、混凝土剝落等凍害，為此研究嚴(yán)寒區(qū)域下穿隧道保溫型防排水施工技術(shù)非常必要。通過(guò)鋪設(shè)并焊接防水板作為防水層，采用雙層隔熱法設(shè)置保溫隔熱層，以排水溝、集水井和出水口組成排水系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)嚴(yán)寒區(qū)域下穿隧道保溫型防排水施工。實(shí)例結(jié)果表明：施工后隧道圍巖溫度較施工前上升了6.24℃，保溫效果較好，證明設(shè)計(jì)施工技術(shù)可以有效防止隧道發(fā)生凍害。

關(guān)鍵詞：嚴(yán)寒區(qū)域；下穿隧道；保溫型防排水施工；施工技術(shù)

0? ?引言

我國(guó)高海拔、高寒地區(qū)的地質(zhì)復(fù)雜且環(huán)境惡劣，圍巖容易產(chǎn)生凍融凍脹等現(xiàn)象，從而引發(fā)鐵路隧道凍害問(wèn)題愈發(fā)突出。為保障鐵路的運(yùn)營(yíng)安全，我國(guó)交通運(yùn)輸部門每年都需要投入大量資源與精力來(lái)整治隧道凍害，耗資巨大。鑒于此，采取必要的措施，從源頭上解決嚴(yán)寒區(qū)域下穿隧道的凍害問(wèn)題變得十分重要。

通常我國(guó)對(duì)已建或新建的隧道采取保溫與防排水措施，來(lái)解決隧道的凍融和滲漏水問(wèn)題。根據(jù)相關(guān)研究成果發(fā)現(xiàn)，目前我國(guó)隧道保溫防排水工程中仍存在很多問(wèn)題，如對(duì)隧道凍害理論掌握較少，常見(jiàn)保溫防排水措施適用范圍有限等。本文在搜集并整理相關(guān)嚴(yán)寒區(qū)域下穿隧道凍害資料的基礎(chǔ)上，深入研究一種下穿隧道保溫型防排水施工技術(shù)，以期為類似工程提供參考。

1? ?嚴(yán)寒區(qū)域下穿隧道保溫型防排水施工要點(diǎn)

1.1? ?鋪設(shè)和焊接防水板

我國(guó)相關(guān)規(guī)范要求，在進(jìn)行嚴(yán)寒區(qū)域下穿隧道防水層施工時(shí)[1]，需要采用防、堵相結(jié)合的施工方式。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是先利用圍巖注漿技術(shù)，將隧道滲漏水的地方堵住，避免水滲流至隧道內(nèi)影響后續(xù)防水效果，再通過(guò)鋪設(shè)防水板的方式形成隧道防水層。

1.1.1? ?防水板材料選型

防水板的材料直接關(guān)系到防水效果，本文綜合考慮防水性以及隧道運(yùn)營(yíng)期間的荷載作用，選用EVA防水板。該防水板不僅防水穩(wěn)定性較好，而且具有較強(qiáng)的抗拉伸性。

1.1.2? ?鋪設(shè)土工布

在正式鋪設(shè)防水板之前，需要在隧道圍巖上鋪設(shè)一層土工布作為緩沖層，這不僅可以緩解隧道圍巖對(duì)防水板的壓力，而且可以對(duì)水中顆粒進(jìn)行過(guò)濾，避免破壞防水板。

鋪設(shè)土工布時(shí)要確保土工布對(duì)稱且平整，由隧道中線位置出發(fā)，向拱部?jī)蓚?cè)開(kāi)始鋪設(shè)，這樣不僅可以保障土工布的鋪設(shè)效果，而且可以提升后續(xù)防水板的鋪設(shè)質(zhì)量。一般情況下，采用射釘將土工布以及防水板的墊圈一起固定在隧道圍巖平面上，如圖1所示。

1.1.3? ?防水板的鋪設(shè)

本文主要通過(guò)半自動(dòng)鋪設(shè)臺(tái)車來(lái)輔助人工進(jìn)行鋪設(shè)，從隧道拱頂?shù)闹芯€處開(kāi)始，向隧道兩側(cè)拱腳進(jìn)行鋪設(shè)。鋪設(shè)過(guò)程中，確保防水板平順且松緊適度，相鄰兩塊防水板之間的搭接處需整齊嚴(yán)密[2]。

1.1.4? ?焊接防水板

采用微波焊接技術(shù)將防水板固定在隧道圍巖上。微波焊接技術(shù)就是將墊圈表面鋼絲網(wǎng)進(jìn)行熔化，在和防水板接觸面充分熔合后冷卻定形，以此實(shí)現(xiàn)牢固的連接。焊接時(shí)注意多塊防水板之間的焊縫應(yīng)錯(cuò)開(kāi)，不能有三塊以上的防水板搭接在一起，防水板焊接如圖2所示。

在進(jìn)行防水板焊接施工時(shí)，施工人員需一只手頂壓防水板，另一只手拿著焊接機(jī)焊槍，將防水板焊接在墊圈上，每一個(gè)焊縫的焊接時(shí)間為3s。在全部防水板焊接成功后，需要進(jìn)行質(zhì)量檢查工作。如果存在漏焊、假焊等現(xiàn)象，需要及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)焊。如果存在焊穿、燒焦等現(xiàn)象，需要更換防水板進(jìn)行覆蓋修補(bǔ)。保證每一條焊縫寬度均勻且表面平整，檢查無(wú)誤后進(jìn)入下一道工序。

1.2? ?設(shè)置保溫隔熱層

嚴(yán)寒區(qū)域下穿隧道圍巖會(huì)因凍融、凍脹等現(xiàn)象導(dǎo)致隧道凍害的形成，所以在做好隧道防水層施工后，需要設(shè)置保溫隔熱層[3]。

1.2.1? ?保溫層設(shè)置方法

針對(duì)嚴(yán)寒區(qū)域下穿隧道施工的實(shí)際要求，本文采用雙層隔熱法進(jìn)行保溫層的設(shè)置，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是在隧道二次襯砌的內(nèi)外兩側(cè)分別鋪設(shè)一層保溫材料，以保障隧道的保溫效果。雙層隔熱法如圖3所示。

1.2.2? ?推算出隧道保溫層的厚度

根據(jù)隧道的融化深度推算出隧道保溫層的厚度，其計(jì)算公式如下所示：

（1）

式中，h表示嚴(yán)寒區(qū)域下穿隧道保溫隔熱層的厚度；α表示隧道圍巖的導(dǎo)熱系數(shù)；T表示隧道內(nèi)的年平均溫度；δ表示常數(shù)，由隧道內(nèi)年最高溫度和最低溫度做差獲得；D表示科士威常數(shù)；P表示隧道圍巖土體的密度；Q1表示隧道圍巖中的含水量；Q2表示隧道圍巖在凍融現(xiàn)象下的未凍水量。

1.2.3? ?保溫材料的選取

本文針對(duì)嚴(yán)寒區(qū)域下穿隧道的實(shí)際地質(zhì)條件與施工要求，選擇聚酚醛泡沫作為保溫隔熱層的材料[4]。該材料具有緩沖性小、耐熱性能好等優(yōu)勢(shì)，完全滿足嚴(yán)寒區(qū)域下穿隧道保溫層的施工要求。

1.2.4? ?注意事項(xiàng)

分別在隧道防水層與二次襯砌之間、二次襯砌和襯套之間，按照式（1）所求厚度，將聚酚醛泡沫以外貼式的方式設(shè)置在隧道上。與此同時(shí)，綜合考慮嚴(yán)寒區(qū)域下穿隧道長(zhǎng)度、隧道內(nèi)外溫差以及風(fēng)速風(fēng)向等因素，需要在隧道洞口段一定范圍內(nèi)，保留保溫隔熱層的設(shè)防長(zhǎng)度，一般為600m左右。至此隧道的保溫隔熱層施工完成，做好檢查工作后進(jìn)行下一道工序。

1.3? ?排水系統(tǒng)施工

1.3.1? ? 排水系統(tǒng)施工的重要性

無(wú)論是降雨還是地下水，都會(huì)對(duì)下穿隧道結(jié)構(gòu)造成影響。嚴(yán)寒區(qū)域下隧道圍巖性能穩(wěn)定性較差，如果遇到降雨天氣或者地下水將會(huì)發(fā)生滲漏。排水系統(tǒng)可以保證隧道內(nèi)排水暢通，避免水分堆積破壞防水層[5]，所以為確保隧道整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，需要做好排水系統(tǒng)的施工。

1.3.2? ?設(shè)置排水溝

設(shè)置排水系統(tǒng)時(shí)，需要綜合考慮隧道襯砌不滲水、道床不浸水以及襯砌背后不積水這幾個(gè)原則。本文設(shè)置一個(gè)由排水溝、集水井和出水口組成的排水系統(tǒng)。

為有效疏導(dǎo)隧道襯砌背后的積水，需要在隧道設(shè)置排水溝，將襯砌背后積水引至集水井。在本文設(shè)計(jì)的排水系統(tǒng)中，將排水溝設(shè)置在凍土層之下，這樣不僅可以避免因天氣寒冷造成排水溝內(nèi)水流結(jié)冰，影響排水系統(tǒng)的排水效果，且可以防止排水溝內(nèi)水流到道床上，因水結(jié)冰而威脅行車安全。

一般來(lái)說(shuō)，隧道排水溝需要設(shè)置橫向、縱向以及環(huán)向這3種排水管，綜合考慮嚴(yán)寒區(qū)域的實(shí)際地質(zhì)條件。選擇單壁打孔波紋管作為排水管，沿下穿隧道兩側(cè)，先分段開(kāi)挖土方形成底部排水溝，再將波紋管設(shè)置在排水溝中，用于引水。波紋管主要為承插式，需要采用橡膠圈將多節(jié)波紋管進(jìn)行密封，同時(shí)采用PE板窄條和長(zhǎng)水泥釘將波紋管錨固在隧道圍巖上，然后進(jìn)行土方回填至管頂。

1.3.3? ?設(shè)置集水井

集水井顧名思義主要用于收集排水溝排出的水。需要在下穿隧道兩側(cè)每100m就設(shè)置一個(gè)集水井，便于分段的排水溝將水引至集水井。為確保隧道洞口的水可以順利排出，需要在洞內(nèi)反坡排水時(shí)進(jìn)行集水井的設(shè)置，并在隧道實(shí)際運(yùn)營(yíng)期間，通過(guò)污水泵與抽水機(jī)將集水井內(nèi)積水抽出。

1.3.4? ?設(shè)置出水口

出水口主要負(fù)責(zé)將隧道內(nèi)水排出洞外，所以出水口一般設(shè)置在下穿隧道的背風(fēng)、向陽(yáng)以及坡度較大的跌水處，并采用原包頭式出水口。鑒于排水口設(shè)置在隧道外，需要做好防凍措施。綜上，本文以防水板為主設(shè)置隧道防水層，并輔以保溫材料設(shè)置隧道的保溫隔熱層，最后通過(guò)完整的排水系統(tǒng)，保障隧道排水通暢，以此實(shí)現(xiàn)了嚴(yán)寒區(qū)域下穿隧道的保溫型防排水施工。

2? ?實(shí)例應(yīng)用

2.1? ?工程概況

某鐵路隧道位于我國(guó)青藏高原東北部，是青藏高原周邊城市的重點(diǎn)基礎(chǔ)設(shè)施工程之一。該隧道全長(zhǎng)980m，海拔2765m，由于隧道所處地理位置海拔較高，其地質(zhì)條件與水文條件極其復(fù)雜，隧道上覆淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土以及卵石土，周圍巖漿活動(dòng)頻繁且強(qiáng)烈，巖石呈斷裂發(fā)育。

隧道所處地區(qū)屬我國(guó)高原寒冷氣候帶，年平均氣溫在0℃以下，導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)中等程度的凍脹破壞，且該地區(qū)長(zhǎng)年多雨，隧道滲漏水問(wèn)題嚴(yán)重。因此，需要采用本文設(shè)計(jì)施工技術(shù)對(duì)該隧道進(jìn)行保溫防排水施工。

2.2? ?應(yīng)用效果分析

2.2.1? ?主要儀器選型

在隧道保溫型防排水施工結(jié)束后，為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)施工技術(shù)的正確性，對(duì)隧道溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)隧道圍巖的溫度，來(lái)判斷本次施工的保溫效果。表1為本次隧道測(cè)溫使用的主要儀器。

2.2.2? ?溫度監(jiān)測(cè)

在隧道圍巖上不同高程位置處布置測(cè)溫孔，如圖4所示。然后由專人對(duì)隧道的圍巖溫度進(jìn)行觀測(cè)。為避免極值溫度影響監(jiān)測(cè)結(jié)果，每隔3h進(jìn)行一次測(cè)溫并記錄，最后對(duì)比日平均值，對(duì)比結(jié)果如表2所示。

2.2.3? ?數(shù)據(jù)分析

根據(jù)表2數(shù)據(jù)可知，該隧道未進(jìn)行保溫型防排水施工時(shí)，隧道圍巖各測(cè)點(diǎn)處平均溫度為-6.4℃。分析認(rèn)為，此時(shí)隧道圍巖易發(fā)生凍融與凍脹現(xiàn)象，導(dǎo)致圍巖松動(dòng)、變軟，從而影響隧道整體結(jié)構(gòu)，不僅會(huì)滲漏水，且隧道整體結(jié)構(gòu)可能會(huì)下沉。

在進(jìn)行保溫型防排水施工后，隧道圍巖各測(cè)點(diǎn)處平均溫度為-0.16℃，較施工前上升了6.24℃。分析認(rèn)為，此時(shí)隧道圍巖固定牢靠，不僅不易剝落，而且不會(huì)因冷熱交換而發(fā)生滲漏等凍害。由此可以說(shuō)明，本文設(shè)計(jì)的保溫型防排水施工技術(shù)可行可靠，于嚴(yán)寒區(qū)域下穿隧道較適用，可以有效避免隧道凍害的形成。

3? ?結(jié)束語(yǔ)

本文以嚴(yán)寒區(qū)域下穿隧道保溫型防排水施工技術(shù)的應(yīng)用研究為課題，針對(duì)嚴(yán)寒區(qū)域下穿隧道所處地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、氣候條件惡劣等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種由防水板、保溫層及排水系統(tǒng)構(gòu)成的保溫型防排水施工工藝，并通過(guò)實(shí)例應(yīng)用驗(yàn)證了設(shè)計(jì)施工技術(shù)的有效性，有效解決了我國(guó)嚴(yán)寒區(qū)域下穿隧道易凍害的問(wèn)題。

在本次研究中既有成功經(jīng)驗(yàn)也有一定不足之處，如文中主要針對(duì)施工工藝進(jìn)行了詳細(xì)研究。今后應(yīng)該開(kāi)發(fā)出一套適用于嚴(yán)寒區(qū)域施工的成套施工機(jī)械設(shè)備，以此提升隧道施工效率，并為類似工程提供借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1] 龐小沖，朱小明，穆彥虎，等.寒區(qū)隧道保溫設(shè)防長(zhǎng)度工程

實(shí)踐與研究進(jìn)展綜述[J].冰川凍土，2022，44（3）：998-1010.

[2] 張素磊，鮑彤，YOO Chungsik，等.隧道復(fù)合式防排水系

統(tǒng)的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)及工程應(yīng)用[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2021，34（4）：

198-208.

[3] 許鵬，伍毅敏，嚴(yán)曉東，等.嚴(yán)寒地區(qū)高鐵隧道溫度場(chǎng)及保

溫層有效性分析[J].中國(guó)鐵道科學(xué)，2022，43（4）：64-73.

[4] 繆侖，周裕.明挖、礦山法組合施工大斷面隧道防排水系統(tǒng)

研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2022，59（S1）：876-880.

[5] 袁金秀，王道遠(yuǎn)，王悅，等.寒區(qū)隧道溫度場(chǎng)理論解及防寒

保溫設(shè)防長(zhǎng)度[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2022，39（5）：59-64.