寒區(qū)鐵路隧道抗防凍技術(shù)

馬志富，楊昌賢

（中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司 土建工程設(shè)計研究院，天津300308）

0 引言

我國地域遼闊，陸域跨越北緯10°～北緯50°，氣候呈現(xiàn)明顯的南北差異。按照土木工程的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，寒區(qū)（不包括高海拔地區(qū)）一般指最冷月平均氣溫低于-3℃的地區(qū)，其中-8～-3℃為寒冷地區(qū)，-8℃以下則為嚴(yán)寒地區(qū)。例如，位于北緯40°的大連，最冷月平均氣溫為-5℃，冬期長約4個月，位于北緯52°的漠河，最冷月平均氣溫為-28℃，冬期長達(dá)8個月，溫度變化及冬期時長隨緯度變化差異十分明顯。我國地勢西高東低，由高到低呈現(xiàn)3級階梯，階梯間高差在數(shù)百米至數(shù)千米。在地勢高度起伏明顯的高海拔地區(qū)，因海拔不同，氣候垂直差異非常明顯，例如，位于青藏高原東部的川西高原，海拔高度為2 500 m的康定最冷月平均氣溫約-0.5℃，冬期長約3個月，海拔高度為4 500 m的理塘最冷月平均氣溫為-8.9℃，冬期長約5個月，溫度變化及冬期時長隨海拔高度有明顯差異。

因此，按高緯度和高海拔的不同氣候特點，可將我國寒區(qū)分為兩大類：一是以東北地區(qū)為主的高緯度寒區(qū)；二是以青藏高原區(qū)為主的高海拔寒區(qū)。在此，圍繞寒區(qū)特點，對隧道抗防凍設(shè)計、施工和運維的技術(shù)特點進(jìn)行系統(tǒng)論述。

1 寒區(qū)隧道抗防凍設(shè)計分區(qū)

1.1 高緯度寒區(qū)隧道

高緯度寒區(qū)以華北北部及東北地區(qū)為代表，緯度大致介于北緯40°～北緯52°，最冷月平均氣溫為-28～-3℃，年平均氣溫為-4～12℃，近地表不受環(huán)境溫度影響的恒溫帶溫度大致為-1～15℃。該地區(qū)大部分為季節(jié)性凍土，僅在大興安嶺及長白山海拔超過1 200 m的局部分布有多年凍土。根據(jù)黑龍江、吉林、遼寧、內(nèi)蒙古自治區(qū)中東部、山西北部及河北北部（含京津）鐵路工程所經(jīng)地區(qū)的氣象特點及既有隧道工程凍害情況與抗防凍技術(shù)特點，將高緯度寒區(qū)隧道劃分為5個分區(qū)［1］（見表1）。

表1 高緯度寒區(qū)鐵路隧道設(shè)計分區(qū)

1.2 高海拔寒區(qū)隧道

青藏高原深居內(nèi)陸，地勢高亢，高原的東南部山體雄偉，河流深切，高原西北部地勢平緩，呈現(xiàn)大范圍無人區(qū)，季節(jié)性凍土廣泛分布，多年凍土區(qū)的海拔高程基本穩(wěn)定在4 500～5 000 m以上，海拔高度超過5 000 m的地區(qū)，表層土壤雖有凍融，但變溫帶內(nèi)的溫度難以達(dá)到冰點以上［2］。因此，高海拔寒區(qū)氣候隨高程垂直變化明顯，季節(jié)性凍土層廣泛分布、多年凍土連片分布的凍融特點是青藏高原鐵路工程抗防凍面臨的重要難題。結(jié)合海拔高度將高海拔寒區(qū)隧道劃分為6個分區(qū)［3］（見表2）。

表2 高海拔寒區(qū)鐵路隧道設(shè)計分區(qū)

值得注意的是，地中海-喜馬拉雅地?zé)釒侨蛑匾牡責(zé)釒В谖覈嗖馗咴狙匮鹏敳夭冀驏|至三江地區(qū)，南折經(jīng)云南騰沖再向南出境。由于地?zé)釒У淖饔茫沟眠@一地區(qū)恒溫帶以下溫度增長很快，地面以下1 000 m深處的地溫基本在50℃以上，局部可達(dá)70℃；2 000 m深處的地溫在70℃以上，局部可達(dá)90℃［6］。表面寒冷、地下火熱是該地區(qū)隧道工程的另一特色。

2 隧道結(jié)構(gòu)抗凍［7］

2.1 結(jié)構(gòu)抗凍與保溫層

2.1.1 保溫層設(shè)置目的

設(shè)置保溫層保溫是防止寒區(qū)隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生凍害的有效手段之一。通過在隧道易受凍融影響的地段設(shè)置保溫層，減緩襯砌及圍巖與洞內(nèi)空氣發(fā)生熱交換的時間，避免襯砌背后發(fā)生頻繁的凍融變化，從而達(dá)到預(yù)防凍害的目的。

2.1.2 保溫層設(shè)置位置比較

保溫層敷設(shè)位置通常有2種方式：一是直接在隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)表面設(shè)置保溫層，另一種是在隧道初期支護(hù)與二次襯砌之間設(shè)置保溫層。其優(yōu)缺點對比分析見表3。

表3 不同位置設(shè)置保溫層優(yōu)缺點對比

比選認(rèn)為，鐵路隧道內(nèi)行車速度高，列車風(fēng)或空氣壓力波動對襯砌表面的氣動力影響明顯，加之鐵路隧道行車密度大，主體結(jié)構(gòu)設(shè)計為免維護(hù)，維護(hù)工作只能在天窗時間內(nèi)進(jìn)行，加之保溫材料的耐火性能差，為保障施工及運營安全，保溫層不應(yīng)敷設(shè)于襯砌結(jié)構(gòu)表面。鐵路隧道設(shè)置保溫層時，應(yīng)將保溫層設(shè)置于初期支護(hù)和二次襯砌之間。

2.1.3 保溫層的環(huán)境適應(yīng)性

實踐經(jīng)驗表明，保溫層能否達(dá)到保溫效果的關(guān)鍵在于保溫層所處環(huán)境的濕度條件。保證材料的干濕程度與導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)系很大，限制含水率是保證保溫質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。在相對干燥的環(huán)境中，保溫層效果較好。因此，多年凍土地層和季節(jié)性凍土地層中地下水的不同形態(tài)，對設(shè)置于初期支護(hù)與二次襯砌之間的保溫層的保溫效果將產(chǎn)生不同影響。

（1）對于多年凍土區(qū)鐵路隧道，設(shè)置保溫層的主要目的是防止夏季隧道周邊多年凍土圈產(chǎn)生融化，由于多年凍土地層中地下水為固態(tài)，設(shè)置于初期支護(hù)與二次襯砌間的保溫層基本可保持為干燥狀態(tài)，保溫效果有保證。因此，保溫層可以實現(xiàn)保溫防融目的。

（2）對于季節(jié)性凍土區(qū)鐵路隧道，由于該地層中的地下水為液態(tài)，地下水受重力作用影響及防水層破損等原因極易導(dǎo)致地下水在保溫層內(nèi)竄流，位于初期支護(hù)與二次襯砌之間的保溫層難以保持干燥，一方面造成保溫層保溫效果大大降低甚至失效，另一方面由于保溫層內(nèi)的竄水不能及時排出時，低溫狀態(tài)下將不可避免地產(chǎn)生凍結(jié)，進(jìn)而對隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。因此，季節(jié)性凍土區(qū)應(yīng)慎用保溫層。季節(jié)性凍土隧道如需設(shè)置保溫層，建議從保溫層材料性能入手，研制適合隧道結(jié)構(gòu)、施工工藝、憎水等的保溫材料。

2.2 季節(jié)性凍土區(qū)隧道結(jié)構(gòu)抗凍

2.2.1 隧道結(jié)構(gòu)受溫度環(huán)境作用特點

對于季節(jié)性凍土區(qū)，在負(fù)溫持續(xù)階段，襯砌結(jié)構(gòu)受溫度環(huán)境作用有以下特點：一是當(dāng)隧道襯砌混凝土內(nèi)的孔隙、縫隙及毛細(xì)孔含水時，或襯砌混凝土不密實含水，負(fù)溫將導(dǎo)致隧道襯砌受結(jié)構(gòu)內(nèi)部凍脹力作用；二是相關(guān)實測數(shù)據(jù)表明：寒區(qū)隧道施工期間，洞內(nèi)溫度一般維持在15℃左右，但運營后，洞口段溫度與洞外環(huán)境溫度接近，冬季混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯的收縮應(yīng)力；三是隧道圍巖屬于含水后凍脹性強烈的粉土、黏土等土層或凍脹率較高的泥灰?guī)r、凝灰?guī)r、玄武巖等巖層；四是襯砌內(nèi)部或襯砌背后有空洞，積水后對襯砌結(jié)構(gòu)形成集中凍脹力。

2.2.2 隧道結(jié)構(gòu)抗凍

（1）初期支護(hù)抗凍性能分析。噴射混凝土結(jié)構(gòu)抗凍試驗研究結(jié)果表明：在凍融循環(huán)作用下，噴射混凝土結(jié)構(gòu)表面剝蝕嚴(yán)重，抗壓強度和劈裂強度等力學(xué)性能指標(biāo)均有一定程度降低，且微觀狀態(tài)下噴射混凝土內(nèi)部的孔隙含量進(jìn)一步增加，水化物變得酥松、劣化，裂縫寬度增大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載能力逐漸下降，但由于噴射混凝土結(jié)構(gòu)本身內(nèi)部形成的封閉球狀氣泡隔斷了混凝土體內(nèi)滲水的毛細(xì)通道，可有效地緩解凍脹壓力和滲透壓力對硬化水泥基體的破壞。因此，噴射混凝土的抗凍性能優(yōu)于模筑混凝土。但噴射混凝土加筋卻不利于初期支護(hù)抗凍，寒區(qū)隧道宜在采取圍巖注漿等措施提前加固改良地層并減少地下水入滲的條件下，適當(dāng)減小初期支護(hù)的設(shè)計剛度，且初期支護(hù)噴混凝土?xí)r宜減少鋼筋網(wǎng)的使用，設(shè)計鋼架時宜采用格柵鋼架。

（2）二次襯砌抗凍措施。季節(jié)性凍土隧道洞口受環(huán)境溫度影響明顯地段應(yīng)設(shè)置抗凍結(jié)構(gòu)，其設(shè)防段長度可根據(jù)隧道長度及坡度、洞口朝向、當(dāng)?shù)刈罾湓缕骄鶜鉁亍⒌叵滤俊⑺淼纼?nèi)外氣溫、風(fēng)速、風(fēng)向、列車長度、行車速度和密度等影響因素綜合確定。參考當(dāng)?shù)刈罾湓缕骄鶜鉁兀Y(jié)合華北北部與東北既有隧道的設(shè)防條件類別及效果等，高緯度寒區(qū)季節(jié)性凍土區(qū)隧道結(jié)構(gòu)抗凍設(shè)防段長度可參考表4確定，高海拔寒區(qū)季節(jié)性凍土區(qū)隧道結(jié)構(gòu)抗凍設(shè)防長度可參考表5確定。

表4 高緯度寒區(qū)季節(jié)性凍土區(qū)隧道結(jié)構(gòu)抗凍設(shè)防長度

表5 高海拔寒區(qū)季節(jié)性凍土區(qū)隧道結(jié)構(gòu)抗凍設(shè)防長度

抗凍設(shè)防段支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足下列要求：

（1）設(shè)防段應(yīng)采用曲墻帶仰拱復(fù)合式襯砌，二次襯砌采用防水鋼筋混凝土。混凝土抗?jié)B等級不低于P8、抗凍性能指標(biāo)不低于F300。

（2）設(shè)防段結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)置溫度伸縮縫，且溫度伸縮縫設(shè)置應(yīng)避開地下水集中出水點。根據(jù)隧道二次襯砌澆筑及養(yǎng)護(hù)的環(huán)境條件要求，加之寒區(qū)溫差大、冰凍期長的氣候特點，且隧道冬季沿縱向溫度場的分布一般呈“兩端低、中間高”的拋物線形規(guī)律，洞口段混凝土低溫收縮明顯，所以抗凍設(shè)防段二次襯砌結(jié)構(gòu)縱向需設(shè)置溫度伸縮縫消除溫差引起的溫度應(yīng)力。

（3）設(shè)防段的拱墻、仰拱、仰拱填充及側(cè)溝的施工縫、溫度伸縮縫、沉降縫上下應(yīng)貫通對齊，以避免隧道結(jié)構(gòu)上下部位變形不一致而導(dǎo)致開裂。

需要說明的是，雖然微小的隧道結(jié)構(gòu)裂縫不影響結(jié)構(gòu)承載力，但對于防水和耐久性影響較大。目前隧道設(shè)計中，襯砌結(jié)構(gòu)縱向配筋一般按構(gòu)造配置，不進(jìn)行計算，鋼筋間距一般為200～300 mm，不利于結(jié)構(gòu)抗裂。因此，建議縱向構(gòu)造鋼筋適當(dāng)加密至100～150 mm［8］。

2.3 多年凍土區(qū)隧道結(jié)構(gòu)抗凍

2.3.1 隧道結(jié)構(gòu)受環(huán)境作用特點

多年凍土區(qū)隧道圍巖常年處于凍結(jié)狀態(tài)，圍巖自身具有良好的穩(wěn)定條件，隧道的修建會造成其周圍一定范圍內(nèi)的融化，除施工期間對凍土的影響外，運營期列車散熱及環(huán)境氣溫影響更是長期的。隧道周邊凍土環(huán)境發(fā)生改變后，一定范圍的圍巖形成凍融圈，隨著寒暖季節(jié)交替變化，凍融圈會處于凍融循環(huán)的不穩(wěn)定狀態(tài)，對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。自然情況下，凍融圈的最大厚度接近當(dāng)?shù)貎鐾辽舷蕖鋈谌Ψ秶酱螅瑑鋈谧饔迷綇娏遥a(chǎn)生的影響也越大。因此，凍融圈是多年凍土地區(qū)影響隧道結(jié)構(gòu)的極其重要因素，減小凍融圈范圍，保持圍巖的熱穩(wěn)定性，以充分發(fā)揮凍土自身的穩(wěn)定條件，是保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的根本手段。

2.3.2 隧道結(jié)構(gòu)抗凍

應(yīng)用隔熱保溫技術(shù)達(dá)到防止襯砌背后圍巖融化、減小凍融圈的目的，通常隧道可在初期支護(hù)和二次襯砌間設(shè)置保溫層，以減小洞內(nèi)外氣溫與圍巖的熱交換。

考慮隧道處于嚴(yán)寒、凍融環(huán)境，初期支護(hù)可采用模筑混凝土，二次襯砌采用模筑鋼筋混凝土，支護(hù)襯砌均可采用低溫早強耐久性混凝土，襯砌充分利用混凝土的自防水能力，抗?jié)B標(biāo)號不低于P8，抗凍等級不低于F300。施工中可通過調(diào)整混凝土配合比、摻加復(fù)合高效外加劑、制定特殊施工工藝達(dá)到耐久性的要求。

3 隧道排水系統(tǒng)防凍

3.1 季節(jié)性凍土區(qū)利用地溫

在季節(jié)性凍土區(qū)，在凍結(jié)深度以下，地層地溫一般高于0℃，因此將排水系統(tǒng)埋置在凍結(jié)深度以下，利用地溫防凍，是寒區(qū)隧道排水系統(tǒng)防凍的主要手段。

總結(jié)東北高緯度寒區(qū)鐵路隧道工程實踐，建議高緯度寒區(qū)隧道仰拱內(nèi)保溫水溝、仰拱下保溫水溝等的設(shè)置長度見表6。結(jié)合設(shè)計分區(qū)，建議高海拔寒區(qū)隧道保溫排水措施設(shè)置長度見表7。

表6 高緯度寒區(qū)隧道保溫排水措施建議長度［1］

表7 高海拔寒區(qū)隧道保溫排水措施建議長度

3.2 外部加熱

外部加熱防凍是對隧道排水系統(tǒng)進(jìn)行加熱以防止凍害的發(fā)生。加熱系統(tǒng)布置方式主要有：（1）采用管式電力加熱器；（2）在隧道內(nèi)的排水系統(tǒng)中設(shè)置加熱電纜；（3）利用地下熱水或蒸汽對水溝進(jìn)行加熱等。

加熱防凍技術(shù)對防止局部嚴(yán)重凍結(jié)地點的凍害和凍結(jié)時間比較短的短隧道是可行的，但對于較長的隧道或凍結(jié)時間較長的隧道，可能達(dá)不到預(yù)期效果。且多數(shù)技術(shù)措施都存在能耗大、運營費用高、設(shè)備設(shè)施維護(hù)困難等缺點，不符合當(dāng)前國家倡導(dǎo)建設(shè)節(jié)能型社會的總體要求。目前，電加熱防凍技術(shù)主要在鐵路隧道凍害整治中采用。青藏高原地?zé)嶝S富，利用隧道內(nèi)的高巖溫或高水溫進(jìn)行隧道洞口防凍是一種值得探索和嘗試的新技術(shù)。

4 寒區(qū)隧道抗防凍設(shè)計與施工

4.1 設(shè)計原則[9]

（1）隧道位置宜選擇在地下水水位較低、儲水構(gòu)造較少地段，宜避免洞口長段落淺埋及洞身以淺埋方式穿越大型溝谷。

（2）隧道宜選擇在凍脹敏感性較低的地層，宜避免穿越長段落的黏性土、泥巖等地層。

（3）隧道洞口宜選擇在背風(fēng)向陽、不易積雪、便于排水的位置。當(dāng)隧道位于降雪量較大山區(qū)時，洞口不宜設(shè)置在邊、仰坡陡峻，易發(fā)生雪崩的位置。

（4）隧道內(nèi)的線路縱坡不宜小于5%，有條件時采用“人”字坡。

（5）防寒段防排水遵循“堵排結(jié)合，因地制宜，防寒可靠，排水通暢，施工方便，維護(hù)易行”的原則。根據(jù)溫度條件采用保溫水溝、深埋水溝或防寒泄水洞，盲管系統(tǒng)宜采取保溫。

（6）隧道洞口受環(huán)境溫度影響明顯的地段，襯砌宜采用鋼筋混凝土，并結(jié)合溫度應(yīng)力的影響進(jìn)行襯砌分段。

（7）凍脹性地層的隧道結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)底面埋置于凍結(jié)線以下或采取基底消除凍脹處理。

（8）隧道洞口或淺埋段位于凍脹敏感性高的圍巖地段時，宜優(yōu)先采用明挖法施工，并采用非凍脹性材料回填。

4.2 保溫排水設(shè)計

寒區(qū)隧道保溫排水系統(tǒng)主要包括保溫水溝、中心深埋水溝、防寒泄水洞（見圖1—圖3）。設(shè)置保溫水溝、深埋水溝或防寒泄水洞的寒區(qū)隧道，還應(yīng)配套設(shè)置保溫檢查井、盲管（溝）、泄水孔、排水橫溝等洞內(nèi)配套排水設(shè)施。

圖1 保溫水溝示意圖

圖2 中心深埋水溝示意圖

圖3 防寒泄水洞示意圖

4.3 施工技術(shù)特點

（1）中心深埋水溝施工。中心深埋水溝槽體的開挖易對隧道拱墻部位初期支護(hù)的穩(wěn)定性造成影響，可結(jié)合圍巖情況采用機械開挖，或采用預(yù)裂爆破后機械開挖成槽。中心深埋管溝的C20細(xì)石混凝土底座可采用預(yù)制壓模按設(shè)計縱坡現(xiàn)澆完成，從而保證管溝安裝的順直度及穩(wěn)定性。中心管溝基座及接頭示意及其施工實景見圖4—圖5。

圖4 中心管溝基座及接頭示意圖

（2）深埋環(huán)向盲管或邊墻碎石盲管。深埋環(huán)向盲管的施工采取鑿除初期支護(hù)噴射混凝土后再掏槽、埋管，形成深埋環(huán)向盲管。掏槽可采用控制爆破或機械開挖方式完成。設(shè)置深埋環(huán)向盲管處鄰近有鋼架時，鋼架縱向間距可根據(jù)現(xiàn)場實際情況局部調(diào)整。深埋環(huán)向盲管支護(hù)示意見圖6。

圖6 深埋環(huán)向盲管支護(hù)示意圖

（3）防寒泄水洞。為防止泄水洞施工對正洞產(chǎn)生影響，同時可兼做隧道正洞的超前導(dǎo)洞，預(yù)報正洞前方的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)情況，為正洞的安全施工提供適當(dāng)參考。防寒泄水洞一般應(yīng)滿足超前正洞施工的要求，泄水洞可采用鉆爆法或掘進(jìn)機法施工。采用鉆爆法施工時，泄水洞及正洞開挖均應(yīng)采取控制爆破措施，控制爆破震速。

（4）保溫層施工。目前鐵路隧道的保溫層基本位于初期支護(hù)與二次襯砌之間，一般采用吊掛法施工。吊掛法施作保溫層時，保溫層一般采取雙層防水板間夾保溫板的結(jié)構(gòu)形式，并采用防水板連接點環(huán)向張拉法進(jìn)行防水板和保溫板的施作，即第1層防水板與固定無紡布的熱熔墊片之間利用手動電熱熔接器焊接，設(shè)置防水板條帶固定保溫板并與第2層防水板焊接，從而保證保溫層和防水板之間有效連接。保溫層施工工藝示意見圖7。

圖7 保溫層施工工藝示意圖

（5）冬季混凝土施工。根據(jù)相關(guān)規(guī)范［10］要求，當(dāng)室外日平均氣溫連續(xù)3 d低于5℃或最低氣溫低于0℃時，混凝土施工應(yīng)按冬期施工辦理。混凝土攪拌、運輸均應(yīng)采取保溫措施，相關(guān)原材料還需采取加熱保溫措施，混凝土澆筑完成應(yīng)加強養(yǎng)護(hù)工作，確保養(yǎng)護(hù)環(huán)境具有足夠濕度，防止混凝土失水過快引起混凝土表面裂紋。此外，鋼筋加工的環(huán)境溫度不應(yīng)低于5℃。

5 結(jié)論

（1）我國寒區(qū)按地理地勢特點可分為高緯度寒區(qū)和高海拔寒區(qū)。

（2）高緯度寒區(qū)鐵路隧道設(shè)計可分為5個分區(qū)，高海拔寒區(qū)鐵路隧道設(shè)計可分為6個分區(qū)。

（3）寒區(qū)隧道洞口受溫度影響明顯時，洞口段隧道結(jié)構(gòu)需進(jìn)行抗凍設(shè)計，洞口段排水系統(tǒng)需進(jìn)行保溫設(shè)計。

（4）寒區(qū)季節(jié)性凍土區(qū)保溫排水溝包括保溫水溝、深埋水溝、防寒泄水洞等。