寒区铁路隧道抗防冻技术

马志富，杨昌贤

（中国铁路设计集团有限公司 土建工程设计研究院，天津300308）

0 引言

我国地域辽阔，陆域跨越北纬10°～北纬50°，气候呈现明显的南北差异。按照土木工程的相关标准，寒区（不包括高海拔地区）一般指最冷月平均气温低于-3℃的地区，其中-8～-3℃为寒冷地区，-8℃以下则为严寒地区。例如，位于北纬40°的大连，最冷月平均气温为-5℃，冬期长约4个月，位于北纬52°的漠河，最冷月平均气温为-28℃，冬期长达8个月，温度变化及冬期时长随纬度变化差异十分明显。我国地势西高东低，由高到低呈现3级阶梯，阶梯间高差在数百米至数千米。在地势高度起伏明显的高海拔地区，因海拔不同，气候垂直差异非常明显，例如，位于青藏高原东部的川西高原，海拔高度为2 500 m的康定最冷月平均气温约-0.5℃，冬期长约3个月，海拔高度为4 500 m的理塘最冷月平均气温为-8.9℃，冬期长约5个月，温度变化及冬期时长随海拔高度有明显差异。

因此，按高纬度和高海拔的不同气候特点，可将我国寒区分为两大类：一是以东北地区为主的高纬度寒区；二是以青藏高原区为主的高海拔寒区。在此，围绕寒区特点，对隧道抗防冻设计、施工和运维的技术特点进行系统论述。

1 寒区隧道抗防冻设计分区

1.1 高纬度寒区隧道

高纬度寒区以华北北部及东北地区为代表，纬度大致介于北纬40°～北纬52°，最冷月平均气温为-28～-3℃，年平均气温为-4～12℃，近地表不受环境温度影响的恒温带温度大致为-1～15℃。该地区大部分为季节性冻土，仅在大兴安岭及长白山海拔超过1 200 m的局部分布有多年冻土。根据黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古自治区中东部、山西北部及河北北部（含京津）铁路工程所经地区的气象特点及既有隧道工程冻害情况与抗防冻技术特点，将高纬度寒区隧道划分为5个分区［1］（见表1）。

表1 高纬度寒区铁路隧道设计分区

1.2 高海拔寒区隧道

青藏高原深居内陆，地势高亢，高原的东南部山体雄伟，河流深切，高原西北部地势平缓，呈现大范围无人区，季节性冻土广泛分布，多年冻土区的海拔高程基本稳定在4 500～5 000 m以上，海拔高度超过5 000 m的地区，表层土壤虽有冻融，但变温带内的温度难以达到冰点以上［2］。因此，高海拔寒区气候随高程垂直变化明显，季节性冻土层广泛分布、多年冻土连片分布的冻融特点是青藏高原铁路工程抗防冻面临的重要难题。结合海拔高度将高海拔寒区隧道划分为6个分区［3］（见表2）。

表2 高海拔寒区铁路隧道设计分区

值得注意的是，地中海-喜马拉雅地热带是全球重要的地热带，在我国青藏高原基本沿雅鲁藏布江向东至三江地区，南折经云南腾冲再向南出境。由于地热带的作用，使得这一地区恒温带以下温度增长很快，地面以下1 000 m深处的地温基本在50℃以上，局部可达70℃；2 000 m深处的地温在70℃以上，局部可达90℃［6］。表面寒冷、地下火热是该地区隧道工程的另一特色。

2 隧道结构抗冻［7］

2.1 结构抗冻与保温层

2.1.1 保温层设置目的

设置保温层保温是防止寒区隧道结构产生冻害的有效手段之一。通过在隧道易受冻融影响的地段设置保温层，减缓衬砌及围岩与洞内空气发生热交换的时间，避免衬砌背后发生频繁的冻融变化，从而达到预防冻害的目的。

2.1.2 保温层设置位置比较

保温层敷设位置通常有2种方式：一是直接在隧道二次衬砌结构表面设置保温层，另一种是在隧道初期支护与二次衬砌之间设置保温层。其优缺点对比分析见表3。

表3 不同位置设置保温层优缺点对比

比选认为，铁路隧道内行车速度高，列车风或空气压力波动对衬砌表面的气动力影响明显，加之铁路隧道行车密度大，主体结构设计为免维护，维护工作只能在天窗时间内进行，加之保温材料的耐火性能差，为保障施工及运营安全，保温层不应敷设于衬砌结构表面。铁路隧道设置保温层时，应将保温层设置于初期支护和二次衬砌之间。

2.1.3 保温层的环境适应性

实践经验表明，保温层能否达到保温效果的关键在于保温层所处环境的湿度条件。保证材料的干湿程度与导热系数关系很大，限制含水率是保证保温质量的重要环节。在相对干燥的环境中，保温层效果较好。因此，多年冻土地层和季节性冻土地层中地下水的不同形态，对设置于初期支护与二次衬砌之间的保温层的保温效果将产生不同影响。

（1）对于多年冻土区铁路隧道，设置保温层的主要目的是防止夏季隧道周边多年冻土圈产生融化，由于多年冻土地层中地下水为固态，设置于初期支护与二次衬砌间的保温层基本可保持为干燥状态，保温效果有保证。因此，保温层可以实现保温防融目的。

（2）对于季节性冻土区铁路隧道，由于该地层中的地下水为液态，地下水受重力作用影响及防水层破损等原因极易导致地下水在保温层内窜流，位于初期支护与二次衬砌之间的保温层难以保持干燥，一方面造成保温层保温效果大大降低甚至失效，另一方面由于保温层内的窜水不能及时排出时，低温状态下将不可避免地产生冻结，进而对隧道结构产生破坏。因此，季节性冻土区应慎用保温层。季节性冻土隧道如需设置保温层，建议从保温层材料性能入手，研制适合隧道结构、施工工艺、憎水等的保温材料。

2.2 季节性冻土区隧道结构抗冻

2.2.1 隧道结构受温度环境作用特点

对于季节性冻土区，在负温持续阶段，衬砌结构受温度环境作用有以下特点：一是当隧道衬砌混凝土内的孔隙、缝隙及毛细孔含水时，或衬砌混凝土不密实含水，负温将导致隧道衬砌受结构内部冻胀力作用；二是相关实测数据表明：寒区隧道施工期间，洞内温度一般维持在15℃左右，但运营后，洞口段温度与洞外环境温度接近，冬季混凝土结构产生明显的收缩应力；三是隧道围岩属于含水后冻胀性强烈的粉土、黏土等土层或冻胀率较高的泥灰岩、凝灰岩、玄武岩等岩层；四是衬砌内部或衬砌背后有空洞，积水后对衬砌结构形成集中冻胀力。

2.2.2 隧道结构抗冻

（1）初期支护抗冻性能分析。喷射混凝土结构抗冻试验研究结果表明：在冻融循环作用下，喷射混凝土结构表面剥蚀严重，抗压强度和劈裂强度等力学性能指标均有一定程度降低，且微观状态下喷射混凝土内部的孔隙含量进一步增加，水化物变得酥松、劣化，裂缝宽度增大，导致结构承载能力逐渐下降，但由于喷射混凝土结构本身内部形成的封闭球状气泡隔断了混凝土体内渗水的毛细通道，可有效地缓解冻胀压力和渗透压力对硬化水泥基体的破坏。因此，喷射混凝土的抗冻性能优于模筑混凝土。但喷射混凝土加筋却不利于初期支护抗冻，寒区隧道宜在采取围岩注浆等措施提前加固改良地层并减少地下水入渗的条件下，适当减小初期支护的设计刚度，且初期支护喷混凝土时宜减少钢筋网的使用，设计钢架时宜采用格栅钢架。

（2）二次衬砌抗冻措施。季节性冻土隧道洞口受环境温度影响明显地段应设置抗冻结构，其设防段长度可根据隧道长度及坡度、洞口朝向、当地最冷月平均气温、地下水水量、隧道内外气温、风速、风向、列车长度、行车速度和密度等影响因素综合确定。参考当地最冷月平均气温，结合华北北部与东北既有隧道的设防条件类别及效果等，高纬度寒区季节性冻土区隧道结构抗冻设防段长度可参考表4确定，高海拔寒区季节性冻土区隧道结构抗冻设防长度可参考表5确定。

表4 高纬度寒区季节性冻土区隧道结构抗冻设防长度

表5 高海拔寒区季节性冻土区隧道结构抗冻设防长度

抗冻设防段支护结构应满足下列要求：

（1）设防段应采用曲墙带仰拱复合式衬砌，二次衬砌采用防水钢筋混凝土。混凝土抗渗等级不低于P8、抗冻性能指标不低于F300。

（2）设防段结构应设置温度伸缩缝，且温度伸缩缝设置应避开地下水集中出水点。根据隧道二次衬砌浇筑及养护的环境条件要求，加之寒区温差大、冰冻期长的气候特点，且隧道冬季沿纵向温度场的分布一般呈“两端低、中间高”的抛物线形规律，洞口段混凝土低温收缩明显，所以抗冻设防段二次衬砌结构纵向需设置温度伸缩缝消除温差引起的温度应力。

（3）设防段的拱墙、仰拱、仰拱填充及侧沟的施工缝、温度伸缩缝、沉降缝上下应贯通对齐，以避免隧道结构上下部位变形不一致而导致开裂。

需要说明的是，虽然微小的隧道结构裂缝不影响结构承载力，但对于防水和耐久性影响较大。目前隧道设计中，衬砌结构纵向配筋一般按构造配置，不进行计算，钢筋间距一般为200～300 mm，不利于结构抗裂。因此，建议纵向构造钢筋适当加密至100～150 mm［8］。

2.3 多年冻土区隧道结构抗冻

2.3.1 隧道结构受环境作用特点

多年冻土区隧道围岩常年处于冻结状态，围岩自身具有良好的稳定条件，隧道的修建会造成其周围一定范围内的融化，除施工期间对冻土的影响外，运营期列车散热及环境气温影响更是长期的。隧道周边冻土环境发生改变后，一定范围的围岩形成冻融圈，随着寒暖季节交替变化，冻融圈会处于冻融循环的不稳定状态，对结构产生不利影响。自然情况下，冻融圈的最大厚度接近当地冻土上限。冻融圈范围越大，冻融作用越强烈，产生的影响也越大。因此，冻融圈是多年冻土地区影响隧道结构的极其重要因素，减小冻融圈范围，保持围岩的热稳定性，以充分发挥冻土自身的稳定条件，是保证结构稳定的根本手段。

2.3.2 隧道结构抗冻

应用隔热保温技术达到防止衬砌背后围岩融化、减小冻融圈的目的，通常隧道可在初期支护和二次衬砌间设置保温层，以减小洞内外气温与围岩的热交换。

考虑隧道处于严寒、冻融环境，初期支护可采用模筑混凝土，二次衬砌采用模筑钢筋混凝土，支护衬砌均可采用低温早强耐久性混凝土，衬砌充分利用混凝土的自防水能力，抗渗标号不低于P8，抗冻等级不低于F300。施工中可通过调整混凝土配合比、掺加复合高效外加剂、制定特殊施工工艺达到耐久性的要求。

3 隧道排水系统防冻

3.1 季节性冻土区利用地温

在季节性冻土区，在冻结深度以下，地层地温一般高于0℃，因此将排水系统埋置在冻结深度以下，利用地温防冻，是寒区隧道排水系统防冻的主要手段。

总结东北高纬度寒区铁路隧道工程实践，建议高纬度寒区隧道仰拱内保温水沟、仰拱下保温水沟等的设置长度见表6。结合设计分区，建议高海拔寒区隧道保温排水措施设置长度见表7。

表6 高纬度寒区隧道保温排水措施建议长度［1］

表7 高海拔寒区隧道保温排水措施建议长度

3.2 外部加热

外部加热防冻是对隧道排水系统进行加热以防止冻害的发生。加热系统布置方式主要有：（1）采用管式电力加热器；（2）在隧道内的排水系统中设置加热电缆；（3）利用地下热水或蒸汽对水沟进行加热等。

加热防冻技术对防止局部严重冻结地点的冻害和冻结时间比较短的短隧道是可行的，但对于较长的隧道或冻结时间较长的隧道，可能达不到预期效果。且多数技术措施都存在能耗大、运营费用高、设备设施维护困难等缺点，不符合当前国家倡导建设节能型社会的总体要求。目前，电加热防冻技术主要在铁路隧道冻害整治中采用。青藏高原地热丰富，利用隧道内的高岩温或高水温进行隧道洞口防冻是一种值得探索和尝试的新技术。

4 寒区隧道抗防冻设计与施工

4.1 设计原则[9]

（1）隧道位置宜选择在地下水水位较低、储水构造较少地段，宜避免洞口长段落浅埋及洞身以浅埋方式穿越大型沟谷。

（2）隧道宜选择在冻胀敏感性较低的地层，宜避免穿越长段落的黏性土、泥岩等地层。

（3）隧道洞口宜选择在背风向阳、不易积雪、便于排水的位置。当隧道位于降雪量较大山区时，洞口不宜设置在边、仰坡陡峻，易发生雪崩的位置。

（4）隧道内的线路纵坡不宜小于5%，有条件时采用“人”字坡。

（5）防寒段防排水遵循“堵排结合，因地制宜，防寒可靠，排水通畅，施工方便，维护易行”的原则。根据温度条件采用保温水沟、深埋水沟或防寒泄水洞，盲管系统宜采取保温。

（6）隧道洞口受环境温度影响明显的地段，衬砌宜采用钢筋混凝土，并结合温度应力的影响进行衬砌分段。

（7）冻胀性地层的隧道结构基础底面埋置于冻结线以下或采取基底消除冻胀处理。

（8）隧道洞口或浅埋段位于冻胀敏感性高的围岩地段时，宜优先采用明挖法施工，并采用非冻胀性材料回填。

4.2 保温排水设计

寒区隧道保温排水系统主要包括保温水沟、中心深埋水沟、防寒泄水洞（见图1—图3）。设置保温水沟、深埋水沟或防寒泄水洞的寒区隧道，还应配套设置保温检查井、盲管（沟）、泄水孔、排水横沟等洞内配套排水设施。

图1 保温水沟示意图

图2 中心深埋水沟示意图

图3 防寒泄水洞示意图

4.3 施工技术特点

（1）中心深埋水沟施工。中心深埋水沟槽体的开挖易对隧道拱墙部位初期支护的稳定性造成影响，可结合围岩情况采用机械开挖，或采用预裂爆破后机械开挖成槽。中心深埋管沟的C20细石混凝土底座可采用预制压模按设计纵坡现浇完成，从而保证管沟安装的顺直度及稳定性。中心管沟基座及接头示意及其施工实景见图4—图5。

图4 中心管沟基座及接头示意图

（2）深埋环向盲管或边墙碎石盲管。深埋环向盲管的施工采取凿除初期支护喷射混凝土后再掏槽、埋管，形成深埋环向盲管。掏槽可采用控制爆破或机械开挖方式完成。设置深埋环向盲管处邻近有钢架时，钢架纵向间距可根据现场实际情况局部调整。深埋环向盲管支护示意见图6。

图6 深埋环向盲管支护示意图

（3）防寒泄水洞。为防止泄水洞施工对正洞产生影响，同时可兼做隧道正洞的超前导洞，预报正洞前方的工程地质和水文地质情况，为正洞的安全施工提供适当参考。防寒泄水洞一般应满足超前正洞施工的要求，泄水洞可采用钻爆法或掘进机法施工。采用钻爆法施工时，泄水洞及正洞开挖均应采取控制爆破措施，控制爆破震速。

（4）保温层施工。目前铁路隧道的保温层基本位于初期支护与二次衬砌之间，一般采用吊挂法施工。吊挂法施作保温层时，保温层一般采取双层防水板间夹保温板的结构形式，并采用防水板连接点环向张拉法进行防水板和保温板的施作，即第1层防水板与固定无纺布的热熔垫片之间利用手动电热熔接器焊接，设置防水板条带固定保温板并与第2层防水板焊接，从而保证保温层和防水板之间有效连接。保温层施工工艺示意见图7。

图7 保温层施工工艺示意图

（5）冬季混凝土施工。根据相关规范［10］要求，当室外日平均气温连续3 d低于5℃或最低气温低于0℃时，混凝土施工应按冬期施工办理。混凝土搅拌、运输均应采取保温措施，相关原材料还需采取加热保温措施，混凝土浇筑完成应加强养护工作，确保养护环境具有足够湿度，防止混凝土失水过快引起混凝土表面裂纹。此外，钢筋加工的环境温度不应低于5℃。

5 结论

（1）我国寒区按地理地势特点可分为高纬度寒区和高海拔寒区。

（2）高纬度寒区铁路隧道设计可分为5个分区，高海拔寒区铁路隧道设计可分为6个分区。

（3）寒区隧道洞口受温度影响明显时，洞口段隧道结构需进行抗冻设计，洞口段排水系统需进行保温设计。

（4）寒区季节性冻土区保温排水沟包括保温水沟、深埋水沟、防寒泄水洞等。