严寒地区拉法山隧道保温型防排水系统设计施工技术探讨

乐 晟，杨春勃，杨艳玲

(中铁隧道集团二处有限公司，河北三河 065201)

0 引言

我国东北属于高纬度寒冷地区，冰冻现象延续时间长，对隧道工程产生一系列的冻害影响。严寒地区隧道处置不当会对后期运营带来安全隐患，并造成较大的经济损失。近年来，为了解决严寒地区隧道冻胀问题，有关人员进行了大量的工程设计实践，在高原严寒、高纬严寒地区，公路隧道有过采用外挂保温层的方法。青海省227国道大阪山隧道衬砌表面设置由PU干法硅酸铝纤维板和玻璃钢组成的复合保温层［1］，河北秦青公路梯子岭隧道采用外挂4 cm厚聚氨酯保温层防止衬砌冻胀［2］，都能保证保温层内侧温度超过0℃，达到了预期的效果。以上方法的保温层暴露在衬砌的外层，运营后需要维护保养。铁路隧道大多为电气化，净空内行车正上方设置高压供电电缆，保温层维修空间受限，且需要断电，对运营造成影响;因此，在铁路隧道领域寻求更佳的保温方式迫在眉捷。本文以吉图珲客专拉法山隧道为例，采用内置保温层型防排水设计理论［1－2］，在施工中不断创新施工技术，开发出内置保温层的挂设、深埋水沟埋设、止水带安装等新型施工工艺和施工方法，保证了保温型防排水系统的顺利实施，可为今后类似严寒地区隧道防排水系统设计与施工提供参考。

1 工程概况

拉法山隧道为铁路双线隧道，位于吉林省蛟河市庆铃镇北4～5 km处，进口位于新开河屯，出口位于生菜沟北，全长10 035 m。隧道主体为复合式衬砌结构，进出口500 m范围内进行了保温防排水处理。隧址区年平均气温为4℃，极端最高气温为34.9℃，极端最低气温为－41.8℃，最冷月平均气温为－28.5℃，年平均最大积雪深37 cm，最大冻结深度167 cm。依据文献［3］，该地区可划为严寒地区。

2 保温型防排水设计

拉法山隧道进出口500 m范围内采用保温型防排水系统。设计时，采用φ42钢花管对隧道拱墙及仰拱进行全环封闭性注浆堵水，在初期支护上设置环向排水盲管，边墙墙脚处设纵向排水盲管，仰拱设横向排水盲管，将纵向、环向排水盲管中的水排入深埋中心排水沟内。在拱墙衬砌和初期支护间设双层防水板，防水板间设5 cm厚聚氨酯保温层。二次衬砌采用防水混凝土，环向施工缝采用中埋式橡胶止水带和背贴式橡胶止水带，纵向施工缝采用钢边中埋止水带。

3 设计理念

隧道保温型防排水设计采用了“先堵、后排、再防”的综合防排水原则，达到“限制水量，保温治冻，排水通畅”的设计目的，采取了多项新颖的保证严寒时期排水系统通畅的设计措施［4］，具体分析如下。

1)全环注浆堵水，注浆深度为3 m。通过注浆对拱墙及仰拱全环初期支护背后3 m范围内的围岩裂隙进行封堵，减少及控制裂隙水渗入，保证衬砌背后无水或少水，从控制水的源头来控制病害［5］，从而减少或避免严冬低温条件下冻胀现象的发生。

2)在洞口段受外界严寒气温影响较大、易产生冻胀的500 m范围内，拱墙与初期支护之间设置5 cm厚的聚氨酯保温层加内外2层防水板，与二次衬砌一起保障严冬时期衬砌背后环向、纵向排水系统以及局部水囊处温度在0℃以上，保证了衬砌背后无冻胀现象发生。第1层防水板主要防止初期支护渗水不进入拱墙衬砌，第2层防水板防止浇筑混凝土的水及水泥浆进入保温板，从而影响保温板的保温效果。

3)保证中心水沟及边墙仰拱排水管覆盖厚度，洞外设置保温出口，保障严冬时节洞内积水能顺利排出洞外。中心排水沟设置在冻结线以下，保证了主排水沟的通畅，避免了主排水沟发生冰冻堵塞;仰拱横向排水管设置在仰拱以下;边墙部位在设置电缆槽的同时，使横向排水管混凝土的包裹厚度达到140 cm;在仰拱排水管、中心水沟碎石过滤层与上部混凝土之间设置保温板。通过以上措施，可以保证排水管在严冬时期不会受温度的影响而发生冻结现象。

实践证明，以上措施能够解决严寒地区隧道防排水系统冻胀的问题［4］。

4 保温材料的选择

在常见的保温材料中，挤塑聚苯乙烯保温板(XPS)、硬质聚氨酯板(EPU－h)和优质保温苯板(EPS)都具有优良的保温性能［4，6］。实际中，要综合导热系数、强度、柔性、材料来源、寿命和环保性能等方面选择保温材料。

挤塑聚苯乙烯保温板在我国隧道保温工程中没有应用过，没有实际案例能说明它的应用效果，使用性能难以评判。该保温材料可在试验室内试验，但若用于主体工程，则有一定的风险。

优质保温苯板导热系数大，根据计算，满足保暖要求时要加大厚度，这样在初期支护与二次衬砌之间预留的空间要大。一是加大开挖轮廓会增加成本，二是初期支护与二次衬砌之间夹层过厚对结构整体受力不利。

硬质聚氨酯板具有导热系数小、强度高、低毒、耐老化等优点，且在国内隧道保温施工中作为衬砌外保温层是非常常见的，在工程应用中也取得了良好的效果。

经过对比、分析及精确的计算［7］，确定采用硬质聚氨酯保温板。

5 聚氨酯保温板制作工艺选择

目前，聚氨酯保温层施工一般有现场发泡机械喷涂法［6］和工厂制作现场安装法2种方法。

现场发泡法施工是在现场把原材料发泡，机械喷涂在隧道轮廓上，生成聚氨酯板，具有连续性好、缝隙较少等优点。拉法山隧道保温层设置在初期支护与二次衬砌之间，两侧均设置防水板，若采用现场发泡法施工，聚氨酯板与光滑的防水板粘结形成整体非常困难，容易脱离，人员、机具使用数量大;在台架有效的空间和时间内，施工组织难度大;聚氨酯喷涂后，熟化时间较长，会影响下一工序的施工。

预制好的聚氨酯块状板表面平顺、安装快速、工艺较现场发泡简单，但拼装板间的缝隙较多。

2种施工工艺各有优缺点，但无论采用哪种工艺，第2层防水板施工都有一定的难度，因此，只能考虑保温层自身施工和质量控制的难易程度。通过对工艺进行详细的研究，最后确定采用聚氨酯板工厂制作、现场安装，缝隙采用现场发泡填充连接为整体的施工工艺。

考虑拱墙部位弧度、搬运、安装等因素，聚氨酯保温板尺寸定为2 m×1 m(长×宽)。

6 隧道保温型防排水施工技术

6.1 径向注浆堵水

6.1.1 钢花管制作

按照设计要求制作1 m长的钢花管，前端设锥头，后端设尾箍。

6.1.2 钻孔及钢花管安装

按照设计的环向、纵向间距在初期支护上布点、钻孔，钻孔方向尽量与初期支护表面垂直。

6.1.3 注浆

注浆时，要按照钢花管的位置间隔注浆，从无水地段逐渐向有水地段注浆，先封堵可能渗水的岩体裂隙，再封堵有水部位的岩体裂隙。注浆时优先选择水泥浆，在有水封堵困难的部位，利用水泥－水玻璃双液浆快速凝结的特性进行堵水。

6.2 深埋中心水沟施工

6.2.1 沟槽开挖

为提高工作效率，沟槽开挖和仰拱开挖一起进行;为减少超挖，沟槽部分进行专项爆破设计。通过加密眼距、减少单孔装药量等方法进行爆破，施工过程中根据实际情况对爆破参数进行调整。

6.2.2 排水管安装

开挖完成后，清除沟内虚渣，将水管外侧用土工布包裹，水管接头部位用钢丝网+砂浆进行处理，防止灌注混凝土时水泥浆渗入水管内。中心水管安装标高使用混凝土预制块进行调整，中心水管安装完毕后，进行基座混凝土浇筑［8］。

6.2.3 横向排水盲管安装

横向排水盲管安装必须顺直，为提高排水效果，排水管管口应伸入中央排水管上部的排水孔。

6.2.4 碎石过滤层铺设

待基座混凝土初凝后，进行碎石过滤层铺设，采用小型夯实机械进行夯实，减小工后沉降。

6.2.5 铺设保温层

保温层采用10 cm厚聚氨酯保温板。铺设时，先将保温板铺设位置的碎石调平，保温板下部必须密实无空洞，保温板之间要紧密连接，以提高保温板的保温效果。

6.2.6 铺设砂浆保护层

在保温层顶面铺设砂浆保护层，保护层厚5 cm，防止在混凝土浇筑过程中损坏保温板。

6.3 排水管安设

1)按照设计里程对初期支护混凝土环向拉槽，拉槽深度约5 cm，与设计排水管的直径一致。拉槽深度不宜过浅，避免排水管外漏初期支护面，影响保温层的铺设。

2)将检验后合格的排水管放入拉槽内，拉槽的两侧打入射钉，射钉间用尼龙绳相连固定排水管。环向、纵向以及横向排水管采用四通管连接，保证排水管连接牢固、排水通畅。

6.4 防水层铺设

6.4.1 基面处理

按规范要求剔除外露的锚杆头及尖锐物，对喷射混凝土时遗留的凹槽部位进行补喷，突出的部位采用手持电锤剥除，并用砂浆抹平，为防水层的施工质量提供保障［9］。

6.4.2 土工布铺设

铺设时，相邻土工布之间的搭接长度不小于5 cm，每个固定点设置一个热熔垫圈，固定点的间距为0.5 m×0.5 m。在铺设土工布时，要紧贴初期支护面。

6.4.3 第1层防水板铺设

第1卷防水板铺设前，测量组将初期支护的中线及整环的里程线画在土工布上。防水卷材一卷分中，标记中心位置，将防水板中线与隧道中心线重合固定，由中间向两侧铺设，热熔自上而下与土工布上的垫圈一一进行焊接。采用爬行焊机从防水板的一端向另一端环形焊接，焊接完毕后进行密闭充气试验，检验焊接质量。

6.4.4 保温层+第2层防水板施工

保温层施工工艺的选择要兼顾第2层防水板的施工难易程度。施工中将保温层和第2层防水板作为一个整体来进行统筹安排，确定经济、可靠的工艺措施。在施工过程中，先后尝试了粘结法、吊绳吊挂法、环向钢筋固定法和防水板连接带环向张拉连接法4种施工方法，最后确定采用防水板连接带环向张拉连接法施工。

防水连接带利用防水板剩余边角料加工而成，宽度约5 cm，长度根据保温板具体尺寸确定，吊带的间距为1 m。连接带与防水板利用手动电热熔接器加热焊接。连接带不仅可以通过其两端与第1层防水板表面焊接，将保温板固定牢固，还可以作为焊接第2层防水板的固定媒介。

保温板由隧道两侧边墙开始向拱顶逐块进行铺设。首先，将2条连接带的一端焊接在防水板上，保温板就位后，拉紧2条连接带，将连接带的另一端分别焊接在防水板表面，完成第1块保温板的固定;其次，将固定第2块保温板的连接带焊接在固定第1块保温板的连接带表面，铺设第2层防水板时，直接将防水板与连接带通过热熔焊枪焊接牢固。防水板连接带环向张拉法局部图、细部放大图和平面图如图1—3所示。

图1 防水板连接带环向张拉法局部图Fig.1 Sketch of circumferential tensioning of water-proofing sheet by connection tie

图2 防水板连接带环向张拉法细部放大图Fig.2 Local details of circumferential tensioning of water-proofing sheet by connection tie

图3 防水板连接带环向张拉法平面图Fig.3 Plan of circumferential tensioning of water-proofing sheet by connection tie

6.5 止水带施工

6.5.1 中埋式和背贴式橡胶止水带施工

中埋式和背贴式橡胶止水带在保温板及双层排水板铺设完毕后进行。先排好画出隧道中心线，将止水带分中，由中间向两侧进行安装。由于背贴式止水带无法直接固定，因此，台车定位后先进行中埋式止水带安装，再进行背贴式止水带安装。

中埋式止水带采用2层弧形模板与端头木模板相结合的方法进行定位［10］。模板台车就位后，安装内侧弧形模板，将内侧弧形模板与台车环向筋板通过螺栓连接;在内侧弧形模板上安装中埋式止水带，止水带一端搭在内侧弧形模板上，另一端伸入混凝土的限界内;在止水带上安装外侧弧形模板，外侧弧形模板与内侧弧形模板采用螺栓连接;利用端头木模板固定背贴式止水带，并进行加固。拱墙衬砌模板及止水带安装示意图如图4所示。

图4 拱墙衬砌模板及止水带安装示意图Fig.4 Formwork for lining of arch and side wall and installation of water stop tie

6.5.2 仰拱中埋式止水带施工

仰拱采用定型钢模板端头模施工，中埋式止水带安装于上下层弧形模板之间。按照测量放样位置先定位其中一侧，由定位一侧向另一侧进行拼装，拼装完后再对弧形钢模位置进行检查调整;下层弧形钢模安装完成后，将中埋式橡胶止水带平放至弧形模上，调整止水带两端外露长度;安装上层弧形钢模，使止水带一半卡入2层弧形钢模之间，另一半外露在仰拱混凝土限界内。仰拱止水带安装如图5所示。

图5 仰拱止水带安装示意图Fig.5 Installation of water stop tie of invert

6.5.3 钢边止水带施工

仰拱矮边墙采用桁架式定型钢模板施工，在矮边墙定型模板顶面安装止水带夹具。施工时，在安装好仰拱定型模板端头模后，将桁架式矮边墙定型钢模板就位，安装钢边止水带，拧紧紧固螺栓即可，如图6所示。

图6 纵向钢边止水带安装示意图Fig.6 Installation of longitudinal steel-edge water stop tie

7 结论与讨论

本文结合施工现场实例，着重从隧道设计理念、保温材料的选型和保温型防排水系统施工过程等方面进行了研究和探讨。采用内置保温层+冻结线以下深埋水沟的设计方案，解决了严寒地区隧道冻胀问题。在施工中，通过创新施工工艺和施工方法，不断提高防排水的施工质量，充分发挥了内置保温型防排水系统的防冻胀优点，保证了洞内无冻结薄弱点，排水系统正常，排水通畅;特别是先进可行的内置保温层施工技术，解决了使用外挂保温层后期维修保养的难题，保障了隧道的连续运营。

今后，隧道防寒保温型防排水设计的方法会越来越多，保温层位置、保温层材料、保温层厚度等方面都会有新的变化和改进;同时，保温系统施工质量要求也会越来越高，需要更先进的施工工艺。因此，缜密的隧道保温型防排水系统设计方案和先进可靠的施工技术，仍然是严寒地区隧道防排水设计施工不断探索、不断创新的课题。

［1］ 房建宏.大板山隧道保温措施使用效果的探讨［J］.青海交通科技，2008(2):50－51.

［2］ 陈建勋.梯子岭隧道防冻隔温层效果现场测试及分析［J］.公路，2006(8):226 － 229.(CHEN Jianxun.Field test and analysis of effect of anti-freeze thermal insulating layer in Tiziling tunnel［J］.Highway，2006(8):226 － 229.(in Chinese))

［3］ 中华人民共和国铁道部.TB 10621—2009高速铁路设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2009.

［4］ 杨昌贤，夏勇.浅谈严寒地区隧道防排水设计［J］.高新技术企业，2012(1):68 －70.

［5］ 黄志杰.象山隧道径向注浆堵水施工技术［J］.隧道建设，2009，29(2):110 －113.(HUANG Zhijie.Water-sealing radial grouting technology applied in construction of Xiangshan tunnel［J］.Tunnel Construction，2009，29(2):110 －113 .(in Chinese))

［6］ 高建辉，佟永恒.寒冷地区隧道保温工程实施要点［J］.黑龙江交通科技，2008(12):15，17.(GAO Jianhui，TONG Yongheng.The implementary gist of tunnel heat preservation construction in the cold area［J］.Communications Science and Technology Heilongjiang，2008(12):15，17.(in Chinese))

［7］ 陈建勋，罗彦斌.寒冷地区隧道防冻隔温层厚度计算方法［J］.交通运输工程学报，2007(2):80－83.(CHEN Jianxun，LUO Yanbin.Calculation method of antifreezing layer thickness in cold region tunnel［J］.Journal of Traffic and Transportation Engineering，2007(2):80 － 83.(in Chinese))

［8］ 中华人民共和国铁道部.高速铁路隧道工程施工技术指南［S］.北京:中国铁道出版社，2010.

［9］ 王化平.严寒地区隧道防排水施工技术探讨［J］.内蒙古科技与经济，2009(11):85－88.(WANG Huaping.Discussion on the construction technology of tunnel waterproof and water drainage in high cold region［J］.Inner Mongolia Science Technology＆ Economy，2009(11):85－88.(in Chinese))

［10］ 冀光华.高速铁路隧道中埋式橡胶止水带施工技术［J］.城市建设理论研究，2012(38):108－109.