高寒地区有水隧道冻害治理措施

陈建平, 郑 波

(1.中铁八局集团有限公司, 四川成都 610036； 2. 中铁西南科学研究院有限公司, 四川成都 611731)

1 工程概况

1.1 隧道概述

新建锡(林浩特)至乌(兰浩特)铁路工程为国铁Ⅰ级单线铁路，扎尔斯台隧道为单线隧道，全长5 470 m。隧道进口段位于曲线上，曲线半径2 500 m，其余段落位于直线上。隧道进口段路堑为1 ‰上坡，变坡点设置在洞口外30 m处，向隧道内变为4.2 ‰下坡，竖曲线长52 m。隧址区地形平坦、地势开阔，为典型的草原牧场。在隧道进口洞顶、距隧道洞口245 m处，白霍一级重载公路以填方形式通过。公、铁两路斜交角度约为25 °，在铁路线路左侧、隧道洞口上游，设有一座1.0～2.0 m公路排洪涵。交叉段隧道洞顶最大埋深13.5 m，最小埋深10.4 m，公路路基填土高度2.5～3.2 m。

1.2 气象情况

扎尔斯台隧道地处内蒙古科尔沁大草原，冬季漫长而寒冷，风雪天气较多。根据设计气象资料显示，隧区年平均气温2 ℃左右，冬季平均气温-20 ℃，最低温度-36 ℃，极端最低气温-39.4 ℃，土壤最大冻结深度2.83 m。

在隧道施工期间，施工现场极端最低气温出现在2010年12月，极端最低气温为-48.1 ℃，现场土壤最大冻结深度实际有3.3～3.5 m。

1.3 隧道设计

扎尔斯台隧道起讫里程为DK380+130～DK385+600，DK380+130～DK380+230段为明洞衬砌，DK380+230～DK380+500段为Ⅵ级围岩复合式衬砌。明洞衬砌结构为C35钢筋混凝土，拱墙衬砌厚度50 cm；Ⅵ级围岩段落采用复合式衬砌，其二次衬砌结构为C35钢筋混凝土，拱墙衬砌厚度45 cm。

扎尔斯台隧道防水等级为一级，衬砌混凝土抗渗等级为P10。在隧道进口端500 m范围内，设置有双侧保温水沟，其双层盖板间填充聚氨脂保温材料；在拱墙部位的二次衬砌和初期支护之间设置有环向深埋保温盲沟和纵向盲沟。

2 冻害情况

2.1 轨面结冰

扎尔斯台隧道于2012年9月贯通，随后于10月末冬休。2013年3月初，隧道洞口段地面上(未铺轨)约200 m范围内大面积积冰，冰层最大厚度达到1 m左右；2014年3月初，洞口段约220 m范围内的道砟面和轨道上大面积结冰，部分地段冰面高度超过轨顶标高。2015年3月(铁路未开通)，洞口段230 m范围内的道砟面和轨道上大面积结冰，线路全部冰封，冰面高度超过水沟电缆槽盖板顶面约20～50 cm；洞口段370 m长度范围保温水沟内结满了冰，洞外路堑的道床上和路堑水沟平台上也有结冰现象，冰雪厚度约0.8～1.0 m。现场结冰照片如图1所示。

图1 隧道洞口段轨面结冰照片

2.2 衬砌裂缝

2013年3月，发现隧道进口段衬砌结构受冻，解冻后发现存在若干条纵向、水平细微裂纹，之后无明显发展。到2014年3月，DK380+240～+282段双侧边墙上出现明显的纵向水平裂缝，并在衬砌表面产生错位现象。经实测，衬砌裂缝最宽约10 mm，衬砌表面错台最大约5 mm；解冻后，随着气温升高，裂缝出现收缩现象，衬砌表面错台逐渐变小、直至完全消失。完全解冻后，对隧道衬砌裂缝进行了为期2个月的全面观测，右侧边墙1～2#缝最宽7.5 mm，较3月时的缝宽值有所减小，缝长和缝宽值均无变化。

在2014～2015年冬季的季节性观测过程中，2014年10～12月期间裂缝无发展、道砟面未结冰；2015年1～3月期间，裂缝数量由12条变为21条(右侧12条、左侧9条)，衬砌裂缝范围向洞口方向延伸24 m、向洞内方向延伸43 m，原有的12条裂缝均有不同程度的发展，缝长最大发展2.573 m，缝宽最大增宽6.0 mm，累计缝宽13.5 mm，纵向裂缝两侧结构表面最大错台5.2 mm。冰冻期间裂缝处无水无冰，解冻期间个别裂缝开始出现渗漏水和挂冰现象。现场裂缝照片如图2所示。

图2 隧道洞口段衬砌裂缝照片

3 隧道冻害原因分析

3.1 衬砌裂缝产状分析

衬砌纵向裂缝左、右边墙具有对称性，裂缝主要分布在水沟盖板顶上2～4 m范围内，相对隧道高度而言，处于边墙中间位置，在开裂严重段落，裂缝数量通常为平行的3条裂缝。

纵向裂缝具有明显的季节性，裂缝发展主要出现在寒冷的冬季，当气温升高后，裂缝宽度有一定收缩性，但不能完全恢复到前一年的水平。

初砌裂缝发展程度具有一定积累性，在衬砌开裂段，裂缝的数量、宽度、长度相比上一年有进一步发展的趋势，符合季节性冻胀开裂的特征。

3.2 冻结圈模拟分析

根据当地气象条件和热力学参数，中铁西南科学研究院有限公司对隧道周边围岩在季节冻融条件下的冻结圈厚度进行了模拟分析，其计算结果显示：最大冻结深度出现在2月，明洞段地表冻结深度为2.56 m，隧道轮廓以外的围岩冻结圈厚度为2.58 m，底部冻结深度为2.55 m；DK380+230～+500暗洞段地表冻结深度为2.48 m，隧道轮廓以外的围岩冻结圈厚度为2.16 m，底部冻结深度为2.53 m。根据现场钻探勘察，计算结果与现场实际基本相符。

3.3 衬砌结构受力分析

根据各断面勘探取样数据和冻结圈厚度计算结果，针对不同的结构形式和地层特性，分别建立不同的有限元模型，其计算结果显示：对于含水量较大的粉质土围岩，在冬季负温持续作用下，产生的冻胀力会使隧道边墙处产生较大的弯矩，导致边墙中间部位出现拉裂缝；其后，随着冻胀圈不断发展、冻胀力不断增大，在拉裂缝附近会出现较大剪切力，当剪切力达到一程度时，边墙衬砌会被剪断，致使衬砌出现错台现象。

洞口段围岩原状土试样含水量在20 %以上，粉质黏土冻胀率高，尤其对于单线铁路隧道高宽比较大，受围岩冻胀力影响，边墙中部产生较大弯矩，故在隧道边墙中部最先出现受弯矩作用的拉裂缝。在冻胀力作用下，边墙衬砌通常会出现3条平行裂缝，这与实际情况完全符合，进一步验证了扎尔斯台隧道进口端边墙衬砌开裂是由于围岩冻胀力所导致。

3.4 现场情况分析

内蒙古地区冬季风力较大，扎尔斯台隧道冬季休工期间，洞口积雪厚度可达2～4 m，同时有部分积雪进入隧道内。当气温或中午直射温度略有升高时，洞口积雪会发生一定程度的融化。受洞外地势平坦、地形特殊的因素影响，洞口周边的融雪水汇集于洞口，未能及时沿路基水沟排走，一部分流入洞内结成了冰。如此反复进行，导致洞内冰面逐渐升高、结冰段落逐渐蔓延。

扎尔斯台隧道进口段围岩地质为粉质黏土，围岩渗透系数小，渗水量小，保温水沟水量小、流速慢，在冬季极低气温下，极易结冰。保温水沟结冰堵塞后，加剧了洞内冰面蔓延，并导致衬砌背后结冰加剧、冻胀压力增大，最终导致衬砌开裂。

4 冻害整治措施

4.1 衬砌裂缝治理

沿边墙衬砌纵向裂缝，在裂缝上、下侧各打设一排Φ25砂浆锚杆，对局部破损的衬砌结构进行补强。锚杆长5 m，纵向间距80 cm。锚杆施工完毕后，采用环氧树脂砂浆封口，最后安装锚垫板和螺母。

对裂缝缝口进行开槽处理，斜向埋设注浆嘴，将环氧树脂砂浆压入槽内，采用环氧树脂灌缝并用环氧树脂砂浆封口。

4.2 衬砌表面保温层

在DK380+130～+530段400 m范围内的拱墙衬砌表面，喷涂可发性聚氨酯泡沫保温层，厚15 cm。为了防止保温层脱落，喷涂时在保温层结构中部加入一层钢丝网，其网眼大小为18 cm×18 cm，并采用钢膨胀螺栓锚入衬砌混凝土结构中连接固定，锚钉间距1.0 m×1.0 m。聚氨酯喷涂时加入阻燃剂以改善其防火性能。

聚氨酯保温层喷涂完成后，采用抗裂砂浆抹平，压入一层网格布后再抹一层抗裂砂浆饰面，最后均匀喷涂两道防火涂料，使其达到A级防火等级要求,如图3所示。

图3 衬砌保温施工照片

4.3 侧沟结冰治理

在隧道洞口段500 m范围的双侧水沟内，布设电加热板，以防水沟内结冰。具体布设方案为：(1)在DK380+130～+500段，水沟内按底部和两侧壁的三面铺设电加热板；(2)在DK380+500～+630段，侧沟底部铺设电加热板；(3)在DK380+130～+230段，隧道仰拱填充面上每隔6 m设置两道电加热带，并加套镀锌钢管保护装置。

电加热板性能标准：宽度20 cm，长度122 cm，用电电压36 V，电伴热面板功率为80 W/m，表面温度为45 ℃。

4.4 挡雪设施

在隧道进口路堑段及路堤零填方段设置挡雪设施，防止洞口段路堑内造成大量风积雪，以减轻洞口段和路堑段的积雪和融雪水量。

4.5 整治效果

通过采取以上工程措施对扎尔斯台隧道进行了冻害整治，锡乌铁路于2015年9月20日正式开通运营。经过两个冬季的通车运营，实践证明以上工程措施切实可行，整治效果良好，为锡乌铁路的冬季运营安全提供了保障。整治效果如图4所示。

图4 通车运营期间整治效果现场照片

5 结束语

随着铁路运营里程的逐渐延伸，铁路建设项目所处的地理位置也逐渐走向全国各地，使高寒地区建设铁路项目成为一种可能，高寒地区的有水隧道发生冻害现象将成为一种较为常见的病害。本文以锡乌铁路扎尔斯台隧道为例，介绍了衬砌保温、水沟加热、挡雪堵水等冻害治理方案和措施。该整治方案施工简单，工期短，可满足业主短期内开通铁路运营的要求；对周围环境影响少，避免了由于工程施工导致的社会影响和环境影响；工程造价相对较低，有利于节约投资。经过冻害整治后两个冬季的观察，证明整治效果良好，满足了铁路运营要求，为铁路正常运营提供了有利的安全保障，也为类似工程的冻害治理和措施优化提供了重要经验依据。