高寒地區有水隧道凍害治理措施

陳建平, 鄭 波

(1.中鐵八局集團有限公司, 四川成都 610036； 2. 中鐵西南科學研究院有限公司, 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)鐵路工程為國鐵Ⅰ級單線鐵路，扎爾斯臺隧道為單線隧道，全長5 470 m。隧道進口段位于曲線上，曲線半徑2 500 m，其余段落位于直線上。隧道進口段路塹為1 ‰上坡，變坡點設置在洞口外30 m處，向隧道內變為4.2 ‰下坡，豎曲線長52 m。隧址區地形平坦、地勢開闊，為典型的草原牧場。在隧道進口洞頂、距隧道洞口245 m處，白霍一級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、隧道洞口上游，設有一座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

扎爾斯臺隧道地處內蒙古科爾沁大草原，冬季漫長而寒冷，風雪天氣較多。根據設計氣象資料顯示，隧區年平均氣溫2 ℃左右，冬季平均氣溫-20 ℃，最低溫度-36 ℃，極端最低氣溫-39.4 ℃，土壤最大凍結深度2.83 m。

在隧道施工期間，施工現場極端最低氣溫出現在2010年12月，極端最低氣溫為-48.1 ℃，現場土壤最大凍結深度實際有3.3～3.5 m。

1.3 隧道設計

扎爾斯臺隧道起訖里程為DK380+130～DK385+600，DK380+130～DK380+230段為明洞襯砌，DK380+230～DK380+500段為Ⅵ級圍巖復合式襯砌。明洞襯砌結構為C35鋼筋混凝土，拱墻襯砌厚度50 cm；Ⅵ級圍巖段落采用復合式襯砌，其二次襯砌結構為C35鋼筋混凝土，拱墻襯砌厚度45 cm。

扎爾斯臺隧道防水等級為一級，襯砌混凝土抗滲等級為P10。在隧道進口端500 m范圍內，設置有雙側保溫水溝，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之間設置有環向深埋保溫盲溝和縱向盲溝。

2 凍害情況

2.1 軌面結冰

扎爾斯臺隧道于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范圍內大面積積冰，冰層最大厚度達到1 m左右；2014年3月初，洞口段約220 m范圍內的道砟面和軌道上大面積結冰，部分地段冰面高度超過軌頂標高。2015年3月(鐵路未開通)，洞口段230 m范圍內的道砟面和軌道上大面積結冰，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長度范圍保溫水溝內結滿了冰，洞外路塹的道床上和路塹水溝平臺上也有結冰現象，冰雪厚度約0.8～1.0 m。現場結冰照片如圖1所示。

圖1 隧道洞口段軌面結冰照片

2.2 襯砌裂縫

2013年3月，發現隧道進口段襯砌結構受凍，解凍后發現存在若干條縱向、水平細微裂紋，之后無明顯發展。到2014年3月，DK380+240～+282段雙側邊墻上出現明顯的縱向水平裂縫，并在襯砌表面產生錯位現象。經實測，襯砌裂縫最寬約10 mm，襯砌表面錯臺最大約5 mm；解凍后，隨著氣溫升高，裂縫出現收縮現象，襯砌表面錯臺逐漸變小、直至完全消失。完全解凍后，對隧道襯砌裂縫進行了為期2個月的全面觀測，右側邊墻1～2#縫最寬7.5 mm，較3月時的縫寬值有所減小，縫長和縫寬值均無變化。

在2014～2015年冬季的季節性觀測過程中，2014年10～12月期間裂縫無發展、道砟面未結冰；2015年1～3月期間，裂縫數量由12條變為21條(右側12條、左側9條)，襯砌裂縫范圍向洞口方向延伸24 m、向洞內方向延伸43 m，原有的12條裂縫均有不同程度的發展，縫長最大發展2.573 m，縫寬最大增寬6.0 mm，累計縫寬13.5 mm，縱向裂縫兩側結構表面最大錯臺5.2 mm。冰凍期間裂縫處無水無冰，解凍期間個別裂縫開始出現滲漏水和掛冰現象。現場裂縫照片如圖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 襯砌裂縫產狀分析

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

縱向裂縫具有明顯的季節性，裂縫發展主要出現在寒冷的冬季，當氣溫升高后，裂縫寬度有一定收縮性，但不能完全恢復到前一年的水平。

初砌裂縫發展程度具有一定積累性，在襯砌開裂段，裂縫的數量、寬度、長度相比上一年有進一步發展的趨勢，符合季節性凍脹開裂的特征。

3.2 凍結圈模擬分析

根據當地氣象條件和熱力學參數，中鐵西南科學研究院有限公司對隧道周邊圍巖在季節凍融條件下的凍結圈厚度進行了模擬分析，其計算結果顯示：最大凍結深度出現在2月，明洞段地表凍結深度為2.56 m，隧道輪廓以外的圍巖凍結圈厚度為2.58 m，底部凍結深度為2.55 m；DK380+230～+500暗洞段地表凍結深度為2.48 m，隧道輪廓以外的圍巖凍結圈厚度為2.16 m，底部凍結深度為2.53 m。根據現場鉆探勘察，計算結果與現場實際基本相符。

3.3 襯砌結構受力分析

根據各斷面勘探取樣數據和凍結圈厚度計算結果，針對不同的結構形式和地層特性，分別建立不同的有限元模型，其計算結果顯示：對于含水量較大的粉質土圍巖，在冬季負溫持續作用下，產生的凍脹力會使隧道邊墻處產生較大的彎矩，導致邊墻中間部位出現拉裂縫；其后，隨著凍脹圈不斷發展、凍脹力不斷增大，在拉裂縫附近會出現較大剪切力，當剪切力達到一程度時，邊墻襯砌會被剪斷，致使襯砌出現錯臺現象。

洞口段圍巖原狀土試樣含水量在20 %以上，粉質黏土凍脹率高，尤其對于單線鐵路隧道高寬比較大，受圍巖凍脹力影響，邊墻中部產生較大彎矩，故在隧道邊墻中部最先出現受彎矩作用的拉裂縫。在凍脹力作用下，邊墻襯砌通常會出現3條平行裂縫，這與實際情況完全符合，進一步驗證了扎爾斯臺隧道進口端邊墻襯砌開裂是由于圍巖凍脹力所導致。

3.4 現場情況分析

內蒙古地區冬季風力較大，扎爾斯臺隧道冬季休工期間，洞口積雪厚度可達2～4 m，同時有部分積雪進入隧道內。當氣溫或中午直射溫度略有升高時，洞口積雪會發生一定程度的融化。受洞外地勢平坦、地形特殊的因素影響，洞口周邊的融雪水匯集于洞口，未能及時沿路基水溝排走，一部分流入洞內結成了冰。如此反復進行，導致洞內冰面逐漸升高、結冰段落逐漸蔓延。

扎爾斯臺隧道進口段圍巖地質為粉質黏土，圍巖滲透系數小，滲水量小，保溫水溝水量小、流速慢，在冬季極低氣溫下，極易結冰。保溫水溝結冰堵塞后，加劇了洞內冰面蔓延，并導致襯砌背后結冰加劇、凍脹壓力增大，最終導致襯砌開裂。

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、下側各打設一排Φ25砂漿錨桿，對局部破損的襯砌結構進行補強。錨桿長5 m，縱向間距80 cm。錨桿施工完畢后，采用環氧樹脂砂漿封口，最后安裝錨墊板和螺母。

對裂縫縫口進行開槽處理，斜向埋設注漿嘴，將環氧樹脂砂漿壓入槽內，采用環氧樹脂灌縫并用環氧樹脂砂漿封口。

4.2 襯砌表面保溫層

在DK380+130～+530段400 m范圍內的拱墻襯砌表面，噴涂可發性聚氨酯泡沫保溫層，厚15 cm。為了防止保溫層脫落，噴涂時在保溫層結構中部加入一層鋼絲網，其網眼大小為18 cm×18 cm，并采用鋼膨脹螺栓錨入襯砌混凝土結構中連接固定，錨釘間距1.0 m×1.0 m。聚氨酯噴涂時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，壓入一層網格布后再抹一層抗裂砂漿飾面，最后均勻噴涂兩道防火涂料，使其達到A級防火等級要求,如圖3所示。

圖3 襯砌保溫施工照片

4.3 側溝結冰治理

在隧道洞口段500 m范圍的雙側水溝內，布設電加熱板，以防水溝內結冰。具體布設方案為：(1)在DK380+130～+500段，水溝內按底部和兩側壁的三面鋪設電加熱板；(2)在DK380+500～+630段，側溝底部鋪設電加熱板；(3)在DK380+130～+230段，隧道仰拱填充面上每隔6 m設置兩道電加熱帶，并加套鍍鋅鋼管保護裝置。

電加熱板性能標準：寬度20 cm，長度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 擋雪設施

在隧道進口路塹段及路堤零填方段設置擋雪設施，防止洞口段路塹內造成大量風積雪，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扎爾斯臺隧道進行了凍害整治，錫烏鐵路于2015年9月20日正式開通運營。經過兩個冬季的通車運營，實踐證明以上工程措施切實可行，整治效果良好，為錫烏鐵路的冬季運營安全提供了保障。整治效果如圖4所示。

圖4 通車運營期間整治效果現場照片

5 結束語

隨著鐵路運營里程的逐漸延伸，鐵路建設項目所處的地理位置也逐漸走向全國各地，使高寒地區建設鐵路項目成為一種可能，高寒地區的有水隧道發生凍害現象將成為一種較為常見的病害。本文以錫烏鐵路扎爾斯臺隧道為例，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。該整治方案施工簡單，工期短，可滿足業主短期內開通鐵路運營的要求；對周圍環境影響少，避免了由于工程施工導致的社會影響和環境影響；工程造價相對較低，有利于節約投資。經過凍害整治后兩個冬季的觀察，證明整治效果良好，滿足了鐵路運營要求，為鐵路正常運營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化提供了重要經驗依據。