高寒隧道冻胀施工防治措施研究

刘伏心

（中铁十一局第二工程有限公司，湖北 十堰，442000）

工程技术与应用

高寒隧道冻胀施工防治措施研究

刘伏心

（中铁十一局第二工程有限公司，湖北 十堰，442000）

针对高寒地区修建隧道面临的冻害问题，初步探讨了高寒地区隧道冻胀害产生的机理及冻胀作用对隧道衬砌结构产生影响的规律，从衬砌保温、围岩保温、排水系统保温三方面探讨了隧道施工冻害防治的技术措施，可为今后类似工程的设计与施工提供参考与借鉴。

高寒地区；隧道；冻胀；施工

随着目前高速铁路建设逐渐向北方发展，隧道施工中因为冻害引起的问题逐渐显现，比如常见的隧道病害有衬砌漏水、挂冰、道床结冰、冻胀作用下道床隆起、洞口塌方、衬砌开裂等。特别是洞口段，因为结冰，局部可能造成侵入列车限界，给铁路运营带来安全隐患。同时冻害的治理难度大，影响因素多，且一般的办法达不到去根的效果，这样将给整个铁路运营带来较大的损失。根据以往的施工经验，结合黑龙江地区的实际施工条件，为了确保隧道施工质量，在隧道施工期间在高寒隧道冻胀问题上做了同步分析和论证，并经过一系列的技术措施改进使整个隧道防冻胀问题。

1 施工现场温度条件

为取得施工现场的第一手资料，项目在进场以后对平安隧道现场的施工进行测试，并开展了持续一年的观测，通过固定观测点2处，移动观测点5处进行观测，取得了区域内气温等方面的大量实测数据，为高寒地区隧道施工奠定了基础。

根据理论研究，气温的日变化对整体结构影响较小，而气温的年变化则对整个结构影响较大。一般黑龙江地区最高、最低气温多会出现在7月和1月，气温的年度变化曲线函数可表示为：

式中：T——气温℃

Tm——年平均气温℃

A——气温年变化幅度℃

t——时间月

t0——气温最高的月份

表1 平安隧道洞口月平均气温统计表（℃）

将其带入公式1，得出平安隧道洞口气温的表达式为：

图1 平安隧道洞口气温实测值和拟合值比较图

从平安隧道现场测试的数据显示，隧道范围内每年有6个月左右整体气温低于0℃，所以整个现在的气候环境，对隧道的建设和运营期安全影响都是非常大的。

2 冻胀力影响分析

2.1 模型假设

为了更进一步模拟施工后冻胀作用下整体隧道结构变化情况，我们进行了理论计算，首先对理论模型做了如下假设：一是假设隧道围岩结构为同一均匀介质；假设隧道结构本身不因温度变化而出现变形。

2.2 模拟现场条件

根据设计图显示，本隧道洞口主要以Ⅳ、Ⅴ级围岩为主，分别考虑不同埋深下冻胀作用对隧道衬砌结构的影响。计算过程的各种物理参数见表2

表2 计算物理参数统计表

2.3 附加应力计算

通过比较，不同围岩、隧道初期支护、二次衬砌在气温冻胀作用下，模拟施工现场不同埋设条件下的工况情况，得出计算结果如下表所示：

表3 计算各工况冻胀影响下附加应力变化

通过以上集中埋深下的施工受力情况比较，其冻胀作用对衬砌结构存在如下影响：

（1）通过实测温度与温度曲线的拟合分析，确定温度的分布规律（图1），有助于我们对整个温度应力影响下的结构进行系统的分析。

（2）根据模拟隧道埋深的变化，可以判断出随着隧道埋深，其冻胀影响范围逐渐降低，这样在施工时，我们可以根据实际测算情况对局部位置进行加强.

（3）通过受力分析，冻胀作用下隧道最大受力点在拱脚位置，其易产生应力集中，在施工时应对该部位进行加强。

3 隧道施工过程中的冻害防治技术措施

通过现场取样数据进行分析，本隧道的冻胀力对衬砌结构的影响还是属于中等强度冻胀。而埋深的影响主要是地应力对衬砌的作用，但是如果部做好围岩的保温，则很容易对衬砌产生破坏，而洞口段影响较大的则是洞口排水系统。

针对隧道内空气流通所产生的冻胀力，我们采取的办法只能是通过衬砌本身的强度提高，加强衬砌自身的保温能力，才能确保有效的控制冻胀力作用。而如何消除地应力和围岩的冻胀力所产生的荷载叠加，只能从解决围岩冻胀力的角度进行考虑，目前也只能采取对围岩进行保温的措施进行控制。而洞口段的影响则只能从加强排水系统的保温结构进行一定的控制。下面针对实际施工中所采取的衬砌保温措施、围岩保温措施及排水系统保温措施三个方面进行详细的说明。

3.1 衬砌保温

在黑龙江地区，因为年气温变化幅度较大，同时极端低温天气较多，在低温天气冻胀、冻融反复作用下，衬砌自身的稳定能力将减弱，其抗冻害能力会逐渐减弱，最终导致衬砌发生开裂、侵蚀、剥离等破坏。由于洞口段洞内气流变化更加复杂，极端、恶劣情况更多，造成隧道洞口段的衬砌受到的破坏作用更加严重。为了保证衬砌自身的质量，我们在施工过程中主要采用如下措施进行控制：（1）混凝土原材及加工质量。衬砌质量的保证首先要从混凝土质量做起，只有混凝土质量满足要求，才能确保施工后的衬砌的质量，在施工过程中主要从确保原材料满足设计要求，配合比偏差在允许范围内，混凝土搅拌时间满足规范要求，混凝土从搅拌至浇筑成型时间在初凝之前等措施来确保混凝土本身的质量满足要求。（2）混凝土浇筑时保温措施。因为本地区日温差较大，混凝土浇筑后极易形成收缩裂纹，在长期冻融环境下会发展成开裂和剥离，所以在施工时，我们需要采取一定的措施保证隧道内施工的喷射混凝土和二衬混凝土在强度形成之前温度变化幅度不宜过大。一般采取的措施包括，在隧道洞口设置门帘，采用棉篷布对整个隧道断面进行隔离，减少外界冷空气与隧道围岩的热对流，同时采用暖风机等措施对洞内进行加热确保混凝土强度形成过程中的气温稳定。对浇筑完成的混凝土，首先混凝土带模养护时间必须保证，减少混凝土强度未完成形成之前外界冷空气直接与混凝土表面接触；其次，采用养护液对整个二衬表面进行喷涂，减少混凝土内的自由水散发；再者，如果气温低于5°时，则需采用养护台车利用电热毯对浇筑完成的混凝土面进行覆盖。（3）提高衬砌强度。实际施工中除了考虑操作问题外，还需提高混凝土自身的强度，其能在应力、冻胀力作用下能保证混凝土自身结构稳定，从目前设计常用的方法来看，有采用高性能抗渗混凝土、加厚衬砌混凝土厚度或采用纤维混凝土。（4）衬砌设置隔热层保温。根据近年来的高寒地区施工经验，一般采用在初期支护与二次衬砌之间增设一层保温层的方法对其进行保护，从而减少洞内温度对围岩等的整体影响。主要采用初期支护+防水层+聚氨酯保温层+二次衬砌，此项设计是按新奥法原理，初期支护和围岩自稳来满足结构安全，但是在实际施工中，需要特别注意初期支护质量、初期支护背后空腔和系统锚杆的施工质量，以此来减少初期支护和一次衬砌承担的荷载，避免引起保温层的压缩破坏，从而影响保温效果。

3.2 围岩保温

隧道开挖后，原有的平衡被破坏，因为空气的对流造成围岩反复冻融作用，极易造成危害。为防止围岩反复冻融作用，采取了一些保温措施。（1）洞口边仰坡施工。洞口边仰坡方面主要从结构形式、施作时间、保温措施等方面进行控制。特别是施工时间方面，针对冻土隧道，一般在低温期进行边坡开挖及防护工作，在融解期前完成边坡防护工作，确保隧道边仰坡结构安全。增加洞口边仰坡保温措施，降低边仰坡温差变化，减少隧道边仰坡冻融变化，最终达到稳定洞口边仰坡安全的目的。（2）围岩注浆。目前施工现场的隧道围岩保温主要从径向注浆、局部注浆、补注浆与引排三种形式相结合的办法来避免冻融循环对环境结构造成破坏。作用机理主要是解决在寒区隧道中，围岩内的局部存水易发生冻胀作用，通过在围岩内注浆可以减少围岩内的裂隙水含量，从而达到防止和减轻冻害的作用。

3.3 排水系统保温

寒区隧道排水体系主要是通过防水板阻挡集中引入环向排水管，然后再归集至纵向排水管，通过间隔性横向排水管引流至中央保温排水沟内，最后通过隧道口的保温出口排出。主要结构包括二衬防水板、隧道两侧排水沟、隧道深埋中心保温排水沟、隧道保温出水口等结构设施。（1）保温水沟。根据历史天气统计，黑龙江最低最冷月平均气温达到-10℃～-20℃，平均冻结深度在2.0m～2.5m，隧道一般在两侧设置排水沟，主要起收集隧道二衬背后积水，并用以引排至隧道中心保温水沟内。两侧水沟主要以增加保温盖板，同时在隧道进出口采用措施将原有的明排改为保温暗排等措施来保证其冻胀。（2）中心水沟保温。一般在比较严寒的地区，隧道中心水沟 埋置于洞内相应的冻结深度以下，利用地温来使得排水沟内水不冻结。在多年冻土地区深埋水沟不可避免的会埋深在多年冻土冻结线以上。中心深埋水沟再采用碎石等结构松散体进行填充，覆盖保温板等措施做好中心水沟的保温措施。（3）保温出水口。保温出水口设置于排水的出水口，选择日照时间长的地方设置。常见的保温出水口有端墙式及掩埋锥体式两种。主要采用干砌片石+保温板形式进行保护，其中出口地形较陡且地质条件好时采用端墙式进行防护，而在地形平坦时宜采用掩埋锥体式。在隧道防深埋中心水沟出口端均应考虑设置保温出水口。（4）辅助防寒保温措施。辅助防寒措施方面主要采用阳光房进行加强，其主要目的是利用白天气温较高时段升温确保隧道出水口的区域的温度，以确保隧道内水能及时排出，减少冻胀的发生。

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Research on Control Measures of Frost Heave on Construction for Tunnel in High and Cold Regions

LIU Fu-xin
（The Second Engineering Ltd.of China Railway 11 Bureau Group,Shiyan442000,Hubei）

Aiming at characteristics of frost heave on construction for tunnel in cold regions,this paper discusses the mechanism of tunnel frozen expansion damage in high and cold areas and the disciplines of influence from frozen expansion damage to tunnel lining structure,and probes into the technology measures of freeze injury prevention of tunnel construction from three aspects of lining heat preservation,surrounding rock heat preservation and drainage system heat preservation,which can provide some reference for the design and construction of similar projects in the future.

high and cold regions;railway;frost heave;construction

U455.4

A

1671-5004（2017）01-0004-03

2016-11-4

严寒地区隧道防排水施工技术（项目编号：ZT11KY2015-063）。

刘伏心（1984-），男，湖北宜昌人，中铁十一局第二工程有限公司副总工、工程师，研究方向：高速铁路建设与管理。