严寒地区高速铁路隧道冻害整治及隧道防冻设计优化

汤晓光

(中国铁路沈阳局集团有限公司,沈阳 110001)

近年来，我国在严寒地区修建了大量高速铁路隧道，而且随着新线的修建，隧道数量还在继续增长。随着这些隧道的逐步建成并投入运营，不可避免地发生了一些衬砌背后脱空(空洞)、开裂和渗漏水等缺陷和病害等问题。我公司管辖范围内某高速铁路隧道投入运营后陆续发生了衬砌开裂、变形外鼓、拱顶渗漏水、掉块等严重影响行车安全的问题。通过对这些问题的逐步排查发现： 隧道一旦形成病害，很大程度上就会影响隧道结构和行车安全，并且整治难度相当大，整治费用也相当高。如果从建设初期(尤其是勘察设计阶段)就对这些易产生问题的环节从源头上尽量做到位，就能够防止运营后出现重大冻害问题。所以结合这些病害和整治效果对寒冷地区新建铁路隧道从设计施工阶段进一步优化具有重要的意义。

1 某隧道冻害情况及原因分析

1.1 隧道概况

某隧道位于吉林省安图县石门镇，进口里程DK233+761(K348+120)(括号内为运营里程)，出口里程DK237+451(K351+810)，全长3 690 m，最大埋深约283 m，为单洞双线隧道，洞内铺设有砟轨道，设计速度250 km/h。

1.1.1 地质概况

(1)工程地质概况

隧道区属布尔哈通河峡谷低山区，沿线地形切割强烈，沟壑相间，地势起伏较大，总体地势北西高南东低，海拔最高为612 m，最低326 m，最大高差286 m。山坡植被茂密，荆棘丛生，覆盖层较薄。隧道进出口地势较陡，自然坡度为35°～60°。

隧址区通过地层主要为华力西晚期第二、第三期花岗岩。先期喷发的华力西晚期第二期花岗岩(γ43(2))受第三期花岗岩(γ43(3))侵入，因此花岗岩的成份与性质有所区别。

隧址区属北亚温带湿润半湿润大陆性季风气候。按照对铁路工程影响的气候分区，该区为严寒地区，最冷月月平均气温-15.2 ℃。夏季短促温暖，冬季漫长酷寒，春季干旱多风，秋季凉爽，四季分明。年平均气温为4.6 ℃，极端最高气温为36.5 ℃，极端最低气温为-37.1 ℃，年平均降水量为670.4 mm，主要集中于6～8月；年平均蒸发量为1 311.3 mm，年平均相对湿度为67%，全年平均风速2.3 m/s，风向为WNW，最大风速为20 m/s，风向为W，最大积雪深度为50 cm，土壤最大冻结深度为171 cm。

(2)水文地质特征

隧址区地下水主要赋存于华力西晚期花岗岩风化层和基岩裂隙中，根据地下水赋存条件、含水介质及水力特征可分为：①风化裂隙水;②基岩裂隙水。

根据现场调查，结合钻探资料及区域资料综合分析，隧道大部分花岗岩在枯水季节处于渗水、滴水状态；在丰水季节，地下水位升高，地表水量丰富，隧道涌水量可能增加。经计算，该隧道正常涌水量取1 800 m3/d，最大涌水量取3 995 m3/d。

勘察报告显示DK236+250～DK236+600、DK237+080～DK237+180为地层接触带和物探异常带，岩体较破碎，富含地下水。施工阶段变更记录显示DK235+995～DK236+035(长40 m)、DK236+805～DK236+840(长35 m)岩体节理裂隙发育，渗漏水严重，局部有股状水流出。

勘探揭示地下水位埋深在10～22 m间，局部沟谷处只有1.2 m，地下水埋深较浅；隧道勘察抽水试验所得渗透系数K=0.013～0.113 m/d，平均值为0.07 m/d，渗透系数较小。综上所述，本隧道地下水来源应该为基岩裂隙水，具有埋深较浅、缓渗流、小水量的特征。

1.1.2 防冻与排水设计

(1)衬砌抗冻措施

隧道除洞门斜切段采用整体式衬砌外，暗洞均采用复合式衬砌，Ⅱ级围岩采用曲墙带底板结构形式，地下水富集的Ⅱ级围岩段及Ⅲ～Ⅴ级围岩采用曲墙带仰拱结构形式，考虑抗冻影响，洞口500 m各级围岩衬砌进行了加强，采用C40钢筋混凝土，其余地段采用C35钢筋混凝土或C30混凝土，为预防混凝土表面开裂，素混凝土内掺加聚丙烯纤维，掺量0.9 kg/m3。

(2)隧道排水措施

隧道内设置中心深埋水沟及双侧保温水沟。中心深埋水沟设置于仰拱下方，轨面以下3.7 m处，水沟上方铺设2 m宽保温层；双侧保温水沟设置双层盖板，盖板间填充30 cm厚硬质聚氨酯保温材料。中心深埋水沟采用φ600 mm钢筋混凝土预制管。底部环向盲管上方设混凝土保温层。

中心深埋水沟地段每30 m设置1处保温检查井，检查井设双层盖板，盖板间填充30 cm厚硬质聚氨酯保温材料，并对两层盖板采取密封措施，防止冷空气进入。

中心深埋水沟地段衬砌防水板背后设φ80 mm环向盲管(HDPE单壁打孔波纹管外包无纺布)，洞口防寒段范围内纵向间距5 m，其他地段8 m；两侧边墙墙脚处衬砌防水板背后设置φ100 mm纵向盲管(HDPE双壁打孔波纹管外包无纺布)。仰拱(底板)下方设置带保温层的横向碎石排水盲沟，底宽及高均为200 mm，内置φ100 mm PVC管，保温层采用泡沫混凝土。横向排水盲沟设置间距同环向盲管，衬砌背后地下水通过环纵向排水盲管收集后通过隧底横向排水沟直接排入中心深埋水沟。

1.2 隧道病害情况

该隧道运营通车后陆续出现衬砌开裂脱落、衬砌变形外鼓、裂缝渗漏水、滴水至钢轨结冰现象。具体情况如下。

1.2.1 K349+143处衬砌开裂变形

2016年2月29日，排查时发现该隧道K349+143处(该处距隧道进口1023 m)拱顶回填注浆口位置和右线起拱线位置衬砌混凝土均发生局部开裂变形。范围为沿隧道纵向K349+142～K349+146，环向范围为由隧道拱顶中线向右侧呈近似“L”形延伸，至右线起拱线结束。裂纹沿环向约4 m，纵向约4 m，裂缝周边衬砌混凝土局部变形。现场情况见图1。

图1 K349+145开裂变形

经探查，此处开裂变形部位二次衬砌混凝土厚度为15～20 cm，存在大面积衬砌厚度不足缺陷，薄层混凝土处产生开裂变形。

1.2.2 K349+607处衬砌开裂变形

2017年2月4日，工务段巡检发现五峰山隧道K349+607处左侧边墙衬砌外鼓变形，鼓起最大处约20 cm，变形衬砌表面存在较多不规则裂纹，并伴有不同程度的表层剥离疏松现象，表面有冰溜。当日晚对表面松散混凝土进行了剥离，打设泄水孔。变形混凝土内有结冰现象，泄水孔内有少量股状水流出，后衰竭为滴水呈线。现场情况见图2。

图2 衬砌鼓包变形

经过对病害部位衬砌混凝土进行探查，发现病害均发生在富水的纤维混凝土衬砌地段，主要原因是施工存在衬砌背后空腔、衬砌厚度不足和混凝土不密实等问题，特别在春融季节受昼夜环境温度交替变化的作用，导致衬砌后空腔升温积水，冷却结冰，造成二衬混凝土膨胀开裂。另外，受低温影响，拱顶渗漏水滴漏到钢轨上迅速结冰，为行车造成巨大安全隐患；同时，水滴漏到接触网线上形成冰溜，也影响供电设备稳定与安全，也会产生击打列车问题。

2 隧道病害整治

2.1 隧道衬砌渗漏水整治

对于隧道衬砌出现呈线流、股流等出水量较大的病害处所，主要采取注浆封堵并在衬砌边墙增设竖向排水盲沟加强措施。

(1)衬砌拱部渗漏水注浆封堵。对拱部渗漏水采用水泥-水玻璃进行封堵，浆液配合比水泥∶水玻璃∶水=1∶0.67∶1.22，注浆压力控制在0.3～0.4 MPa，当注浆压力达到设计终压并稳定5 min以上，即可结束注浆。

(2)衬砌边墙增设竖向深埋排水盲沟。在隧道边墙施作竖向深埋盲沟，盲沟的上部打设放射形泄水孔，将拱部围岩的裂隙水收集至盲沟内，通过侧沟内的保温排水管汇入检查井，排出洞外。竖向深埋碎石盲沟长1.0 m，宽0.45 m，内设1根φ100 mm双壁打孔波纹管(外包无纺布)，盲沟顶位于内轨顶面以上4 m处，埋置深度为距二衬表面1 m。

2.2 隧道衬砌裂缝整治

对于钢筋混凝土衬砌裂缝宽度大于0.2 mm的裂缝，采用注浆封缝处理。素混凝土衬砌裂缝，分以下4种情况处理。

(1)衬砌表面干缩等原因引起的浅表裂缝，该类裂缝对结构受力无影响，采用环氧树脂进行封缝处理。

(2)衬砌表层非贯通性裂缝，无错台，采用沿裂缝两侧交错布置锚杆的方式进行加固。

(3)贯通纵向及环向的较深非闭合裂缝，对结构造成一定的破坏，应查明裂缝产生的原因，一般采用注浆嵌缝，锚杆固定，并布设钢带进行加固处理。

(4)贯通性闭合裂缝影响结构整体性受力，且安全隐患较大，采用注浆嵌缝，锚杆固定，布设钢带加固后，并设置套衬进行安全防护。

2.3 衬砌严重病害整治

对于综合缺陷、病害较为严重的地段，在对漏水与裂纹缺陷治理后再采用增设带有保温层的波纹钢板套衬进行加固。

2.3.1 波纹钢板衬套结构设计

根据现场实际发生的病害现状，模拟素混凝土在受冻胀力后剪断完全以重力形式压在套衬结构上，计算得出的素混凝土衬砌在冻胀后混凝土块静压作用下波纹板套衬的受力变形情况，确定采用厚度6 mm、波高110 mm、波长300 mm、纵向长度10 m的波纹钢板衬套进行加固处理。套衬结构由防水层、保温层和波纹钢板组成。波纹钢板采用化学锚栓固定。波纹钢板与原二次衬砌间设置防水层及保温层。

(1)防水层

防水层采用聚氨酯防水涂料，涂刷在既有二次衬砌表面，厚度2 mm。涂刷施工前对衬砌混凝土表面浮尘进行清除。

(2)镀锌波纹钢板

防水层施工验收完成后，安装波纹钢板套衬。波纹钢板采用波高110 mm，波长300 mm，板厚6 mm冷轧镀锌波纹Q345钢。钢板采用工厂预制，现场拼装的方法进行施工，块间设置法兰，采用M24高强镀锌螺栓/螺母连接。波纹钢板与原二次衬砌间设置M20化学锚栓连接，锚栓长度350 mm，锚固深度不小于200 mm，同时不允许穿透二衬。为施工作业安全方便，最大波纹板长3 135 mm，宽954 mm，质量约250 kg。

(3)保温层

设于波纹钢板与二次衬砌之间，采用聚氨酯保温材料现场灌注发泡方式进行施工，前期在室内模拟灌注发泡试验，抗压强度不小于180 kPa，导热系数不大于0.024 W/(m·K)，吸水率不大于3%，燃烧等级为B1，其厚度设计是关键。

当地土壤最大冻结深度1.71 m。根据《民用建筑热工设计规范》(GB50176—2016)，各种材料热阻计算公式如下

R=δ/λ

式中R——材料层热阻，m2·k/W；

δ——材料层厚度，m；

λ——材料导热系数，W/(m·K)。

相关材料导热系数如下：粉质黏土1.16；混凝土1.74；聚氨酯材料0.023。

冻结深度范围土壤热阻

R=δ/λ=1.71/1.16=1.47 (m2·K/W)

各厚度下混凝土衬砌热阻

0.5 m厚衬砌，R=0.5/1.74=0.29 m2·K/W

0.75 m厚衬砌，R=0.75/1.74=0.43 m2·K/W

加设的保温层采用聚氨酯材料，其导热系数根据《民用建筑热工设计规范》(GB50176—2016)，取为0.023(W/(m·K))。各衬砌厚度下所需聚氨酯保温层厚度

0.5 m厚衬砌，δ=R·λ=(1.47-0.29)·0.023=0.027 m

0.75 m厚衬砌，δ=R·λ=(1.47-0.43)·0.023=0.032 m

由以上计算看出，保温层最大设置厚度仅需0.032 m，考虑到此值为理论计算，为确保效果，结合相关经验及衬砌内轮廓等因素，保温层厚度设为0.05 m。

2.3.2 波纹钢板衬套安装要点(图3)

(1)根据施工工艺详细制定施工方案和质量安全防护措施，确保施工质量、安全，天窗点内必须完成保证行车安全的阶段工程处理。

(2)严格控制波纹板与二衬的锚固螺栓长度不超过200 mm，避免破坏防水板。

(3)连接波纹板的10.9级M24高强螺栓紧锢扭力矩需达到340 N·m。

(4)波纹板与衬砌混凝土间聚氨酯保温材料灌注压力控制在0.1～0.3 MPa，终压0.5 MPa。

图3 波纹钢板施工及整治效果

2.4 整治后情况

该隧道经冻害整治后，在隧道进、出口和洞内设置了14处温度监测点，在每个洞内点分别监测波纹板表面、二衬表面、二衬背后及围岩内部30、60、90 cm部位的实际温度，经统计分析初步得出如下结论。

2.4.1 洞内外温度

隧道洞内环境温度最低点在入口处，从入口处至隧道中心里程逐渐升高，寒冷天气-20.0～-22.0 ℃时，洞内最高环境温度-7.0 ℃。如果没有施作防寒保温层，二衬背后有空腔且混凝土强度不足时，存在衬砌冻张开裂甚至脱落风险的可能。

2.4.2 二衬表面温度

在寒冷天气-19.0～-22.0 ℃时，洞内各监测点二衬表面温度达到-3.0～2.0 ℃，较未加装保温材料前提升6.0～8.0 ℃左右。

2.4.3 二衬背后温度

在寒冷天气-19.0～-22.0 ℃时，各监测点二衬背后及围岩内部30、60、90 cm处的实际温度均为正温，最低温度至1.6 ℃，最高温度达8.0 ℃。可以保证二衬后无冻害，排水通畅。

3 赤喀客专隧道防冻与排水技术

赤喀客专全线共有15座隧道，其中天秀山隧道地处辽宁省喀左县和建平县，起讫里程为DK13+760～DK22+832，全长9 072 m，全隧道最大埋深约360 m。隧道为双线单洞隧道，属于高风险隧道。

3.1 原设计情况3.1.1 地质概况

天秀山隧道隧址区出露地层主要为震旦系中统雾迷山组(Z2w)及少量第四系上更新统(Q3d1+pl)坡洪基物。第四系冲洪积松散堆积物分布于支状冲沟内。沿线零星出露燕山期次火山岩脉或岩床，从早到晚划分为闪长岩(δμ52(2))，辉绿岩、辉绿玢岩(δμ52(3))等，以闪长玢、辉绿岩为主。天秀山隧道调查区地表水不发育，沿线河沟发育，常年处于干枯状态，仅在雨季有地表水流经，隧址区属中低山基岩裸露区，强降雨后能形成瞬时地表径流，沿河谷流向低凹处，但不能形成长期水流。隧址区地下水按含水介质类型，可分为孔隙水、碳酸盐岩类裂隙岩溶水、断层带水。

本标段属于温带亚干旱季风气候。主要特点是春季干旱多风；夏季炎热，降水集中；秋季凉爽；冬季干冷。按照铁路对工程影响气候分区为寒冷地区。年平均气温9.9 ℃，极端最高气温40.9 ℃，极端最低气温-23.3 ℃，最冷月平均气温-9.4 ℃，属于严寒地区，土壤冻土最大埋深1.4 m。

3.1.2 设计情况

隧道洞口500 m范围内二衬采用钢筋混凝土，其他地段Ⅱ、Ⅲ级围岩二衬采用素混凝土；隧道进、出口500 m防寒距离内，防水板背后环向盲管处加2 mm聚氨酯保温板进行保温；长度≤2 km的双线隧道全长以及长度>2 km的双线隧道排水端洞口1 km范围设置深埋中心水沟及保温侧沟；其他地段设置保温中心水沟及保温侧沟。

3.2 变更设计情况

鉴于赤喀客专与前述冻害整治隧道处于同一纬度，最低温度基本相同，同时，经勘察地下水较为丰富，对赤喀客专隧道衬砌及排水设施防寒措施进行了专题研究，进行以下优化及变更设计。

3.2.1 隧道二衬增设钢筋补强

对原设计非洞口 500 m 范围单(联络线)、双线隧道Ⅱ、Ⅲ级围岩素混凝土衬砌拱墙部位加设钢筋，双线隧道深埋中心水沟地段二次衬砌全环加设钢筋。

3.2.2 隧道全长增设环向盲管

对单线隧道环向盲管处全长设置保温措施，双线隧道环对洞口段2 000 m范围内(与变更后深埋中心水沟长度一致)环向盲管处设置2 m宽 5 cm厚聚氨酯保温板地段，向围岩侧初支扩挖，确保二次衬砌厚度满足要求。如图4所示。

图4 环向盲管示意(单位：mm)

3.2.3 增设可维护注浆管

在距洞口500 m范围施工缝和温度伸缩缝处增设可维护注浆管。如图5所示。

图5 可维护注浆管示意(单位：cm)

3.2.4 深埋中心水沟延长

将原设计深埋中心水沟距洞口端1 000 m距离变更为2 000 m。

3.2.5 优化排水盲沟设计

对惯用的碎石盲沟方案进行改进，减少深埋碎石盲沟设置数量、深度和宽度尺寸，在隧道洞口1 000 m范围内，隧道初支背后每隔15 m设置1道碎石盲沟，增设钢筋笼以保证碎石盲沟的施作质量。

3.2.6 优化保温侧沟设计

双线隧道设双侧保温侧沟，单线隧道设双侧加强型保温侧沟。保温侧沟采用双层6 cm厚钢筋混凝土盖板，双层盖板间设聚氨酯保温材料填充。侧沟的外沿内设5 cm厚聚氨酯保温板。

4 结语

目前我国在寒冷地区修建高速铁路隧道，在防寒与防排水设计、施工方面的经验不足，相关标准尚未完善。一方面，设计及业内学者对严寒地区高铁隧道运营后洞内外温度变化规律研究不够深入，只考虑对隧道进、出口500 m范围内增设防寒设施，而对洞内其他部位防寒措施缺乏研究论证，尤其是对顺风向隧道Ⅱ级围岩素混凝土衬砌抗冻性能缺乏实践论证，容易造成高安全性要求的隧道防寒设计先天不足。另一方面，一些施工单位对隧道施工质量控制不严，建设、监理单位缺乏有效管控手段，造成已建成隧道存在衬砌背后脱空等质量缺陷，进而造成高铁开通运营后隧道冻害问题时有发生。通过采用衬后注浆封堵和波纹钢板加固综合整治技术，有效解决了隧道衬后积水结冰和衬砌混凝土冻胀开裂、脱落问题，为今后已开通运营铁路隧道同类病害整治积累了宝贵经验。赤喀客专铁路隧道衬砌和排水防寒设计、施工，在借鉴既有隧道冻害整治经验的基础上，采取了一系列有效地加强与改进措施，为今后寒冷地区高速铁路隧道建设积累了有益的设计和施工经验。