寒区铁路隧道衬砌电热导流板研发及应用

柴金飞,马伟斌,余东洋,郭小雄,李 尧

(1.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所,北京 100081; 2.中国铁道科学研究院,北京 100081)

冻土广泛分布在寒冷地区，约占全球土地面积的1/4。我国寒冷地区面积约占总领土面积的43.5%，其中常年均是冻土的地区面积约占总领土面积的22.3%。在这辽阔的地区有着丰富的可利用资源，如森林、矿产、水等。为了更好地开发利用这些资源，在寒冷地区铁路和公路的建设是不可或缺的。由于寒区多位于极地、中纬度的山区，因此铁路和公路在修建时将会穿越大量的隧道。然而，由于早期对隧道工程特性的认知存在很大缺陷，所以在隧道的修建过程中出现夏季刚完成冬季就暴露出冻害的问题，包括衬砌的开裂、挂冰、路面冒水结冰等。这些问题严重时将威胁行车安全。为了保证列车的行驶安全，工务及设备相关部门花费大量的人力、物力、财力对隧道进行养护与维修。为了更好地认识寒区铁路隧道的冻害特性，文献[1]通过数值分析和理论计算对寒区隧道温度场理论进行了深入研究；文献[2]通过模型试验对冻害产生时的冻胀力进行了计算；文献[3]对隧道冻害等级划分进行了研究并提出了相应的防治技术；文献[4-5]在分析冻害机理的基础上对预防冻害的措施进行了探索；文献[6]通过对比理论计算和现场实测的结果，提出了寒区隧道安全度与可靠度的判断依据；文献[7]通过葡氏击实和冻胀试验，研究了不同细粒土含量的冻胀特性；文献[8]采用有限元法对冻害隧道衬砌结构的受力和变形进行了计算分析，得到了温度应力影响下衬砌的变形和受力规律；文献[9]对膨胀岩环境下隧道掘进现场分析得出防水板和保温板结合使用能有效的预防冻害发生。这些研究让隧道建设者对寒区隧道冻害机理有了深入的认识，对我国寒区隧道建设提供了理论依据。因此对于寒区铁路隧道衬砌冻害防措施研究具有重要的意义。

1 寒区铁路隧道冻害现状

我国西北地区多条线路位于季节性冻土地区，多座隧道建设时由于缺乏经验，勘测、设计、施工中没有特殊措施，导致一系列隧道冻害，甚至造成边建边维修的被动局面。为全面掌握铁路隧道衬砌冻害情况，对某局辖内的隧道进行调研，衬砌冻害约占所有隧道病害类型的10%。衬砌冻害表现为：渗漏出来的地下水在温度较低的情况下凝结成冰柱，在渗水点较多的位置结晶较为明显，最终将形成十至几十厘米的冰锥(又称挂冰)。如不及时清理，冰锥越积越长，最终将侵入隧道限界，对行车安全造成影响，见图1。

图1 隧道冻害

隧道排水沟(槽)保温不良引起冰冻，导致水沟地下排水困难，因结冰堵塞，使水沟(管或槽)冻裂破损，地下水不易排走，衬砌周边因水结冰而冻胀，致使隧道内各种冻害接踵而至。

隧道砌筑在围岩良好地段，一旦衬砌背后有空隙，渗透岩层的地下水，在排水不通畅时水就积在衬砌与壁后围岩间，结冰冻胀产生冰冻压力，传递给衬砌。另外，在衬砌背后存有空隙时会产生冻胀压力，造成衬砌变形与开裂。冻融循环会加速衬砌混凝土的劣化。

隧道冻害导致隧道拱部衬砌发生变形与开裂、边墙变形严重、隧道内线路冻害、衬砌材料冻融破坏、隧底冻胀和融沉等。该类病害多发生在隧道拱顶的施工缝、变形缝、道床、水沟等处，威胁列车在隧道内的行车安全。

2 冻害成因分析

冻害是寒冷地区隧道常见的病害之一。从外观来看，冻害表现多为边墙挂冰、洞顶吊冰柱、路面变冰湖等，对隧道内行车安全有着直接的影响；从破坏情况来看，冻害多表现为衬砌混凝土表面风化拱顶开裂、侧壁鼓起等，对隧道衬砌的长期稳定存在一定的威胁。影响隧道冻胀病害的因素如下：

1)温度。温度是冻土隧道冻害产生的基本因素之一。寒冷地区是指日平均气温在0 ℃以下，年累计值超过300 ℃·d的地区。寒冷地区隧道全年寒冷时间长，隧道围岩温度冷热交换使围岩散失的热量大于外界大气补给的。随着时间的推移，围岩中的温度会形成一种缓慢下降的趋势，从而导致隧道周围有新冻土层产生，新冻土层产生的冻胀力对隧道衬砌是极其不利的。

2)水文。寒冷地区隧道围岩富含地下水，当温度降低到围岩的冻结温度以下时，围岩中的水冻结，引起体积膨胀，就可能发生冻害。隧道围岩的含水率与围岩的透水性及地下水位有关。从理论上讲，如果能够将隧道衬砌背后围岩中的地下水完全排除，冻害将减轻或消除，在实际工程中完全排除围岩中的地下水是不可能的，但在隧道周围设置完善的防排水系统可以在一定程度上减轻冻害。

3)围岩。冻害主要是由于隧道围岩在冻结时膨胀受到约束而产生的冻胀力引起的。围岩的冻胀特性表现在冻胀时的体积膨胀率和冻结时围岩物理力学参数的改变。单轴抗压强度小于5 MPa，干燥重度在15 kN/m3以下，饱和重度小于20 kN/m3，含水率大于25%的围岩易产生冻胀病害。因此，可以采用改变围岩冻胀特性的方法来减轻或消除冻害。

4)施工措施。寒区隧道在设计、施工中采用的工程措施不适当也可能导致冻害的产生。隧道的断面形状、施工工艺、衬砌材料及厚度等也是冻害的影响因素。

寒冷地区隧道在上述冻胀病害影响因素的综合作用下，发生冻胀时产生的冻胀力是隧道衬砌变形的主要外力；冻融循环引起的隧道衬砌残余变形的累积，将最终导致衬砌结构失稳。

3 隧道冻害预防措施

从以上冻害成因分析中可知，应从防排水和温度2个方面预防隧道冻害。目前，铁路隧道采用多道隔水或通过增加地下水在施工缝中渗流途径减小地下水沿施工缝的渗流，从而达到施工缝防水的目的。若将施工缝处约1.0～1.5 m内防水板用导流板替代，将施工缝的防水措施由“全封堵”调整为“以排为主，防排结合”。这将在二次衬砌背后施工缝处形成1个导流通道，及时有效地将地下水引排至隧道侧壁水沟，使得施工缝处于无水压的工作状态，确保施工缝防水措施安全、可靠。

根据调研，目前市场上导流板的类型主要有凸壳型导流板(如图2所示)、凸点型导流板、毛细型导流板、土工格栅型导流板等。结合隧道防排水特点及施工工艺，导流板首先要具有一定的防水能力，同时导流板施作后对结构安全不能产生不利影响。经综合分析，凸壳型导流板更适用于铁路隧道施工缝排水技术要求。

图2 凸壳型导流板结构示意

凸壳型导流板纵向两侧边缘各20 cm范围内为搭接区，接缝方式采用“凸壳嵌扣+胶粘密封”，凸壳呈半球或圆台状形。这种接缝方式简化了施工工艺，提高了施工效率，实现了工厂标准化生产，保障了导流板接缝防水质量。凸壳呈梅花形均匀分布能有效阻滞泥沙流失，分散衬砌背后水压力，保障导流板的排水效果。毛细型导流板纵向两侧边缘各15 cm范围无开槽，其余部位为毛细集水槽导流通道。对于 1 m 幅宽、最小等效管径为68.7 mm的半球状凸壳型导流板，其最小通水量为 1 200.212 cm3/s。能够满足隧道衬砌内排水需求。

为保证导流板内水不冻结，在导流板内安装发热电缆(见图3)，使导流板内的温度既能保证安全，又能溶解冰块。为了寻找合理的安全温度，通过在导流板里安装4根、3根、2根发热电缆，通过功率调节器把功率分别控制在5,10，15,20 W/m，每种工况每间隔1 h记录1次数据(导流板内温度及发热电缆表面温度)，观察3 h。不同发热电缆长度和功率条件下凸壳型导流板内温度(1 m幅宽)见表1。

图3 发热电缆在导流板安装示意

发热电缆/根功率/(W·m-1)导流板内温度/℃发热电缆温度/℃发热电缆/根功率/(W·m-1)导流板内温度/℃发热电缆温度/℃16.016.0518.433.920.335.421.235.922.022.01030.650.434.052.436.255.0424.024.01537.862.641.365.742.866.221.021.02043.077.048.180.950.180.720.020.0527.838.4330.039.831.241.61026.026.031.556.21031.758.733.059.626.026.01537.671.841.175.6343.076.424.021.02040.684.046.984.648.085.124.024.01024.953.526.055.026.956.127.027.021527.966.328.967.829.969.429.029.02030.174.030.975.631.575.5

图4 电热导流板

由表1可知，当导流板内安装3根或4根发热电缆，且发热电缆的功率在15 W/m时，通电后能提高导流板内温度15～20 ℃，发热电缆的表面温度在75 ℃左右，实际应用中可参考以上数据。

通过导流板选型和电热结构选型研究，确定了电热导流板的物理结构和功能需求，设计出了一种隧道电热导流板，如图4所示。在导流板的内部设置有发热电缆。当周围温度低于0 ℃时，电热系统启动加热；当周围温度高于0 ℃时，电热系统停止加热。电热导流板贴合在隧道的缝隙处以引导水流。电热导流板内的发热电缆可防止水流发生冻结，能有效地减轻或消除隧道冻害。

4 电热导流板应用

4.1 工程概况

扎尔斯台单线隧道全长 5 470 m，进、出口洞门均为直切式洞门。从2016年发现第一处渗水开始，截至2017年2月22日发现渗漏水地点共17处，2月18日发现K382+700处渗水情况有加快迹象，从钢轨正上方直接落至轨面，致使轨面结冰厚10 mm，且拱顶和两侧边墙处渗水点由滴水状发展成线状，且出现挂冰现象，如图5所示。

图5 冻害情况

4.2 病害成因分析

经现场踏勘及分析，冻害原因可能是：①衬砌背后排水系统失效，造成地下水在衬砌背后汇集，水压力不断加大，最终导致在衬砌薄弱处涌出。②防水板破损失效。施工中，由于初期支护基面处理不平整或存在尖锐部位造成防水板在铺设过程中已经有破损且未进行修补，或因为焊接质量问题造成接缝处完整性不好，在初砌背后水压的作用下，防水板极易撕裂失效。③止水带失效。设计要求施工缝防水采用背贴式橡胶止水带加中埋式橡胶止水带2道防水措施，但在施工中止水带存在卡具不牢、接头连接不牢固等缺陷，造成目前隧道施工缝处渗漏水问题。如不尽快处理，病害情况将不断恶化，最终将影响行车安全。

4.3 整治方案

为确保列车行驶安全，针对病害形成原因对病害段采用“引排+电热导流板”方案进行整治。施工步骤：

1)凿槽。沿渗漏水施工缝自上而下开凿U形槽，槽深10 cm，槽宽10 cm，清除槽内碎块及残渣，用高压水及钢刷清洗干净。

2)钻设集水孔。凿槽完毕后用观察、撒干粉等方法确定出水点，在出水点打设φ30 mm集水孔，将衬砌背后地下水从孔中排出；若无法确定具体出水位置，则在拱腰及水沟盖板以上1 m处打设集水孔。

3)铺设半管。用金属卡固定φ80波纹半管作为排水通道，在半管与槽体的接触部位封填堵水材料，封堵密实，在全环安装完毕后在半管外铺设电伴热带。

4)封堵槽体。以环氧树脂砂浆将槽体进行封堵填平，待砂浆达到设计强度后，在表面刷涂宽25 cm厚2 mm水泥基渗透结晶性防水涂料。

5)铺设电热导流板。表面处理完毕后，沿施工缝全环铺设电热导流板，宽度67 cm，采用纵横向紧固压条与膨胀螺栓固定牢固；电热导流板宽14 mm，功率25 W/m。

整治后对该病害段进行观察发现：原病害区段再未出现渗漏水现象，寒冷天气也未出现挂冰现象。该效果表明“引排+电热导流板”综合整治方案能有效地预防隧道衬砌冻害的发生。

5 结论

1)围岩冻胀产生的冻胀力是隧道衬砌产生变形的主要外力；在冻融循环下引起的隧道衬砌残余变形的累积，将最终导致衬砌结构失稳，影响行车安全。

2)根据市场调研对比，凸壳导流板更适合隧道施工缝排水技术要求。1 m幅宽半球状凸壳型导流板通水能力最小等效管径为68.7 mm，大于现有环向盲管的通水能力。因此，半球状凸壳型导流板能充分满足隧道排水需求。

3)根据导流板电热试验，考虑冷空气和热空气的对流交换，合理的电热线布设方式对提高导流板内部温度有益，且导流板内在宽度方向温度会相对均恒，不会对排水及排沙造成影响。

4)电热型导流板的研究综合防排水和保温2个方面。通过在扎尔斯台隧道衬砌病害整治的应用效果表明电热导流板能有效地减轻或消除隧道衬砌冻害，可为相似衬砌病害整治提供借鉴。