铁路隧道施工初期支护防护技术研究

张乾

摘 要：在隧道工程中，根据当前的设计理念，喷射混凝土是一种永久性支护措施，而二次衬砌只是安全储备。然而，在寒冷地区，在反复冻融作用下，初期支护会出现损伤劣化现象，隧道的全部荷载将会转移到二次衬砌上。二次衬砌结构在荷载作用下会产生开裂，甚至失稳，造成更严重的冻害现象，隧道工程的安全将受到严重威胁。因此，有必要对喷射混凝土初期支护在施工期的防冻保护措施进行分析和研究。

关键词：铁路隧道；初期支护；防护技术

1.初期支护混凝土破坏机理分析

目前，关于喷射混凝土抗冻耐久性研究成果较少口，而关于混凝土的抗冻耐久性已有很多人研究。因此，在研究喷射混凝土的冻融损伤问题时常常借鉴混凝土的冻融损伤机理。

混凝土的冻融损伤必须具有三个因素：一是环境温度有正负变换；二是混凝土内部含有一定数量的水；三是混凝土内部孔隙结构。混凝土的冻融损伤是这三种因素共同作用的结果。关于混凝土的冻融损伤机理，研究成果概括起来主要有吸附水理论、临界饱和理论、静水压理论、渗透压理论等。虽然各国学者对混凝土的冻融损伤机理进行了很多研究，可是一直到现在，还不是很明确。因此，也有学者提出混凝土的冻融损伤机理是几个机理的共同作用结果。

2.季节性冻土隧道温度场分布规律调查分析

2.1温度场分布规律的影响因素

影响季节性冻土隧道温度场分布规律的因素很多，主要可以概括为6点：（1）洞外气温即隧址区环境温度对洞内温度变化规律的影响。一般洞外气温高，洞内气温则高，反之则低。（2）隧道进出口洞门的高低、日照条件、主导风向的不同都会对洞内气温产生影响。一般高洞口比低洞口气温高，朝阳洞口比朝阴洞口气温高，向风洞口比被风洞口气温低。（3）隧道的长短。（4）隧道内空气流速的影响。（5）设置保温层、防寒门等防寒措施的影响。保温层对围岩和隧道内空气之间的热交换进行限制，阻止寒冷空气的入侵，使保温层内侧温度变化梯度大于外侧，且两侧存在较大温差。防寒门改变了洞内外的气流交换条件，使进洞后的负温段显著缩短。（6）隧道内温度分布还与地温、围岩的岩性、含水量的大小、断面形式、剖面形式、设计和施工方法、支护形式等有关。

2.2季节性冻土隧道温度沿隧道纵向的分布规律

为了观测洞内外气温动态，许多学者对温度沿隧道纵向的分布规律进行了研究，方法通常是在隧道洞内边墙上按一定间隔布设温度元器件，并定时对数据进行观测和分析。初期由于测试的隧道长度短于1km或由于测试时间过短，并没有准确得出温度沿纵向的分布规律，往往得出距离洞口越远，围岩温度越高，隧道洞内气温也相应提高的结论，并没有考虑气温分布在长短隧道、暖季和寒季时的区别。因此此次选取典型隧道对温度场的分布规律进行总结分析。通过对多座寒区隧道的气温变化规律进行调查分析，归纳出季节性冻土隧道的纵向温度一般变化规律。

2.3季节性冻土隧道围岩沿径向和纵向的分布规律

（1）同一断面不同部位围岩温度分布规律

由于不同地质条件和隧道埋深的影响，不同隧道处拱顶、边墙、拱腰的温度分布规律不同。但是对于不同埋深，各部位出现负温的时间有一定规律而言。对于隧道浅埋段，由于围岩既受到外界环境温度的作用，又受到隧道内空气的作用，因此各部位出现负温和正温的时间是同步的。而对于深埋段，外界环境温度对隧道内温度分布规律几乎可以忽略。因此，暖季时，聚集在隧道上方的热空气使拱顶先融化，寒季时地面最后出现冻结现象。

（2）不同断面围岩温度分布规律

二次衬砌内温度值变化较大，围岩内的温度变化相对平缓。围岩温度在径向一定范围内，沿深度的变化基本呈线型变化趋势。在不同季节时，围岩温度沿埋深的变化规律不同，在寒季时，围岩温度逐渐上升，在暖季时则相反。围岩温度的变化随时间呈正弦函数分布，其中年平均温度和温度振幅沿径向随深度的变化可以拟合呈指数函数。围岩温度是和季节同步变化的。围岩和衬砌表面温度沿隧道纵向近似呈抛物线分布。

隧道内各断面的冻结深度可以表示为随纵向长度变化的抛物线，围岩的洞外冻深大于洞内冻深。在进出口洞门附近，围岩的冻结深度变化幅度较大，洞中段则相反。这主要由于洞门段隧道埋深较浅，不仅受到隧道内空气的作用，还受到隧道上边界空气气温的影响。并且季节性隧道的冻结深度均大于衬砌厚度，即对二衬和初衬研究其抗冻措施是必要的。

3.寒区隧道初期支护防护技术总结

3.1采用耐低温喷射混凝土技术

原材料加温：水泥和外加剂不可放在室外，应储存在保温库房内；平时对砂石用棉被进行覆盖，搅拌前利用蒸汽或地炉对砂石进行加热，加热温度控制在16～30℃；施工用水用锅炉加热到50～70℃。原材料的选择：选用抗冻性较好的硅酸盐水泥或者普通硅酸盐水泥，并且强度高于32.5Mpa。骨料选用级配良好、质地坚硬的砂石，砂采用中砂或粗砂。外加剂：混凝土在低温环境下施工，面临的主要问题就是水的冻结，导致混凝土内部产生裂缝，达不到设计强度，因此在施工时采取的主要措施就是防止混凝土中的水冻结。在实际中采取的主要措施就是在混凝土中添加外加剂，使混凝土中水的冰点降低。外加剂主要有防冻剂、减水剂、早强剂。防冻剂比如大坂山隧道中采用的MNC-C型混凝土防冻剂，该防冻剂有几种组分复合而成，抗冻害能力强，对混凝土的施工性能改善明显。混凝土的运输：混凝土运输车在运输过程中，为了减少热量损失，在运输车上铺设一定厚度保温层并在表面覆盖一层篷布。混凝土的喷射和保养：喷射混凝土的强度等级不小于C25，为了使材料的抗冻耐久性达到要求，必须采用湿喷工艺。混凝土喷射时采取分段喷射、分块喷射的原则。喷射时采取先喷射边墙，喷射完成后再喷射拱脚和拱腰，最后喷射拱顶部位的方法。喷射距离不宜过远或过近，根据湿喷机性能和喷射部位确定合理距离。喷射平整面时，喷嘴与平整面垂直。喷射面不平整时，先找平，以保持喷射混凝土的均匀性。

3.2设置防寒保温门、空气幕

防寒门防冻效果明显，在多座隧道中采用，但是对于车流量比较大的隧道，频繁地开启防寒门必然影响其保温效果，其技术需要继续改进。空气幕保温法原理类似于保温隔热层。空气幕主要是利用空气的低导热性能，阻止外界冷气流进入洞内，减少隧道内温度与外界温度的热交换，使洞内保持较高温度，从而缓解围岩的冻胀作用。空气幕与防寒保温门相比，不影响车辆的运行，管理工作简单，安装维修简单。空气幕技术已经相当成熟，在车站、厂房、宾馆等地方广泛使用，但是在隧道中并没有先例，需要在实践中继续考验其可行性。

3.3围岩注浆堵水

围岩注浆是从洞内向围岩内注入浆液以填充围岩之间的裂隙，封堵水流通道，在初期支护外形成一道防水墙，防止地下水流向隧道的一种防冻措施。围岩注浆可增强围岩的稳定性，防止围岩发生渗漏作用，增大围岩的强度，减小围岩的冻胀性。同时围岩经过注浆相当形成了一道拱圈，承受隧道上部的荷载，防止初期支护因受力过大而发生开裂等现象。注浆材料的选择主要是选择流动性好、可注性强、耐低温、不污染环境、凝结时间容易控制的材料。但注浆堵水的缺点是耐久性效果不是很理想，注浆材料的选择需要做比较深入的研究。

3.4火炉加热、电加热法

在初期支护施工过程中，为了防止混凝土发生冻结，在隧道内容易发生冻害的部位可以安放火炉加热或采取电加热法。火炉和电加热法加热防冻效果明显，使洞内温度保持在冻结温度之上，避免喷锚混凝土在终凝之前或硬化后遭受冻结，同时也保障了隧道内停放机械的正常运行。在铁路隧道施工过程中，采取了局部火炉加热措施，起到了很好的防寒效果。（作者单位：中铁十九局集团有限公司一公司）

参考文献：

[1] 李占奎.寒区隧道拱墙铺设防水保温层施工方法.隧道建设，2012.