高原季節(jié)性凍土地區(qū)隧道施工防寒保溫技術

高原季節(jié)性凍土地區(qū)隧道施工防寒保溫技術謝江勝【摘要】依托蘭新高鐵祁連山隧道和大梁隧道施工實踐，闡述了高原季節(jié)性凍土地區(qū)隧道雙層保溫襯砌、防寒泄水洞、保溫側溝和伴熱電纜等綜合技術方案、主要技術要點及優(yōu)缺點分析，并提出了隧道防寒保溫措施的優(yōu)化建議，為類似工程提供借鑒.【期刊名稱】《鐵道建筑技術》【年(卷)，期】2015(000)009【總頁數(shù)】5頁(P22-26)【關鍵詞】季節(jié)性凍土;隧道;保溫;綜合技術【作者】謝江勝【作者單位】中鐵二十局集團有限公司陜西西安710016【正文語種】中文【中圖分類】U4551工程概況新建蘭新高鐵祁連山隧道、大梁隧道地處青藏高原東北緣，位于3500-4300m祁連山中山區(qū)，是目前世界海拔最高的高鐵隧道。隧址處屬高原大陸性氣候，年平均氣溫1.8°C，極端最低氣溫-31.5^，最大凍結深度230cm，全年除7月、8月外均為降雪期，見圖1。其中祁連山隧道長9490m,采用-20%。單面下坡;大梁隧道長6550m,采用+6%。、-9%。的人字形坡;最大開挖斷面達186.98m2;兩座隧道均地下水發(fā)育，大梁隧道最大涌水量達65780m3/d，祁連山隧道最大涌水量達105123m3/d。高原季節(jié)性凍土地區(qū)隧道［1］與普通隧道有較大的區(qū)別，其地下水會發(fā)生季節(jié)性凍融現(xiàn)象，對隧道結構產生凍脹作用，而隧道凍脹的核心問題是地下水遇負溫凍結。防寒保溫是高寒地區(qū)隧道施工的一項關鍵技術，是防止季節(jié)性凍土（巖）反復凍融、暖季漏水、寒季掛冰、冰漫道床、排水系統(tǒng)凍結等的重要手段，避免隧道襯砌混凝土產生凍脹開裂、酥碎、剝落等凍脹病害［2］。圖1祁連山隧道自然條件2防寒保溫總體技術方案高寒地區(qū)季節(jié)性凍土隧道地下水產生季節(jié)性凍融、凍脹變化作用，造成的周期性的加載、卸載作用將對隧道主體結構尤其是洞口段的支護措施、襯砌結構、防排水體系造成破壞，進而影響運營期間的安全性及結構的壽命。為了避免隧道凍脹病害的發(fā)生，在祁連山隧道和大梁隧道的洞口段均采取了防寒保溫綜合技術措施，其具體方案主要有以下幾個方面：2.1保溫襯砌祁連山隧道進口段及大梁隧道進、出口段均位于淺埋及斷層破碎帶，采取雙層保溫襯砌結構支護，結構形式為:初期支護+模筑混凝土30cm+防水板+保溫層5cm+防水板+二次襯砌，模筑支護完成后至少經(jīng)歷一個年度的凍融期后施工二次襯砌。其中祁連山隧道進口端保溫襯砌1800m，大梁隧道進口、出口端分別為750m、780m。2.2側溝保溫及伴熱電纜在隧道進出口段均采用雙側側溝保溫設置。設置范圍為大梁隧道進出口的洞口段2000m，祁連山隧道進出口洞口段1000m。在海拔相對較低的祁連山隧道出口段，在雙側側溝內洞口段1000m范圍內布設保溫伴熱電纜［3］。2.3保溫中心水溝在隧道進出口段均采用中心水溝保溫設置。設置范圍為大梁隧道進出口的洞口段2000m，祁連山隧道進出口洞口段1000m。2.4防寒泄水洞根據(jù)地下水發(fā)育情況和隧道的坡度設置等因素，沿著隧道線路走向，在隧道洞口段的正洞下方設置1500-2000m的防寒泄水洞［4-5］。隧道二次襯砌背后的地下水經(jīng)縱環(huán)向盲管匯至側溝及中心水溝，再利用側溝和中心水溝檢查井內的豎向孔排至泄水洞，最后排出洞外。3防寒保溫措施主要技術要點3.1雙層保溫襯砌為防止隧道所處高寒地區(qū)圍巖凍融循環(huán)破壞襯砌結構，確保高海拔大斷面隧道防水保溫襯砌質量，在祁連山隧道進口和大梁隧道進、出口段均設置了〃模筑混凝土+防水保溫層+二次襯砌混凝土”雙層保溫襯砌結構。由于原設計參照單線鐵路小斷面隧道考慮防水保溫材料自重相對較輕的參數(shù)，是在模筑混凝土表面直接安裝〃土工布+防水板+保溫板+土工布+防水板”5層結構材料。然而，在特大斷面隧道施工中，僅靠設計鋼筋承擔防水保溫層重量，剛度不能滿足要求，易造成拱頂脫空、下沉等現(xiàn)象，使得防水保溫層極易侵入二次襯砌凈空，導致混凝土厚度不足等質量缺陷。針對祁連山隧道和大梁隧道建設的工程實際，進行了防水保溫襯砌工藝改造，綜合采取〃膠粘+縱向鋼絲崩掛+環(huán)向安裝鋼架支頂法無釘鋪設防水保溫層”施工工藝，有效地解決了防水保溫層侵入二次襯砌凈空的難題，取得比較滿意的效果，保證了施工質量。3.1.1工藝原理通過粘結劑粘結，并采用縱向崩鋼絲頂掛防水保溫層、環(huán)向鋼筋支撐改為12型鋼措施，從而增加對防水保溫層的承載力，避免了因保溫層擠壓而改變原有二次襯砌鋼筋的受力特點和二次襯砌凈空不達標的現(xiàn)象發(fā)生。3.1.2防水保溫層結構形式初支噴混凝土+模筑支護（30cm）+防水保溫隔熱層（分離式防水板+保溫層5cm+防水板）+二次襯砌，防水板及保溫隔熱層位于模筑支護與二次襯砌之間，沿隧道全斷面鋪設。無紡布鋪設于模筑表面，無紡布采用大于400g/m2的土工布，具有良好的過濾和排水功能，良好的耐穿刺性、耐水性、耐腐蝕性和耐菌性，并具有一定的強度、抗變形能力和一定的阻燃性能。防水板要具有一定的抗拉裂能力及抗化學侵蝕、地下水侵入影響等能力，同時要能承受微小的沉降和收縮，并方便施工操作。第一層厚度為1.5mm,第二層厚度為1mm,采用EVA防水板（乙烯——醋酸乙烯板），密度p=0.92g/m2，其余指標滿足防水板的性能要求。保溫層采用50mm聚氨酯板材，采用曲面，與襯砌輪廓曲率一致，其主要性能應滿足以下要求:導熱系數(shù)入＜0.03W/m-k;抗壓強度，拱墻部位＞0.3MPa,基底部位＞0.5MPa;體積吸水率＜3%,自重＞60kg/m3，彈性模量E＞7-10MPa，老化壽命＞50年，具有一定彈性，具低毒性。3.1.3防水保溫層施工工藝防水保溫層施工采用防水保溫層粘貼與鋼架支頂相結合的施工工藝，見圖2。3.1.4施工順序清理模筑支護混凝土表面一清掃模筑表面灰塵、水漬一安裝盲管一在模筑支護表面上涂抹環(huán)氧樹脂AB膠、鋪設第一層土工布、釘設熱塑墊圈-在土工布上涂抹膠粘劑、無釘鋪設第一層防水板T根據(jù)二次襯砌臺車長度（縱向每12m或9m一循環(huán)），—端在已施工二次襯砌、另一端在模筑支護上打設膨脹螺栓，用緊線器安裝直徑6.2mm的鋼絲，拱部環(huán)向間距每50cm一根，邊墻環(huán)向間距每100cm一根，作為保溫板安裝過程的縱向支撐一在防水板涂抹膠粘劑一在鋼絲靠防水板側粘結曲型保溫板-涂抹膠粘劑、無釘鋪設第二層防水板-每2m安裝環(huán)向鋼架支頂。圖2防水保溫層施工3.2側溝保溫及伴熱電纜設置3.2.1保溫側溝隧道保溫側溝上部設雙層蓋板，在兩層蓋板間充填保溫材料，保溫材料采用聚氨酯泡沫型材保溫，采用工廠化預制，縱向單元長度采用1m，主要性能指標符合上述保溫層材料的相關指標要求。根據(jù)祁連山隧道和大梁隧道保溫側溝設置不同，聚氨酯保溫塊截面尺寸分別采用25cmx40cm（高x寬）及40cmx40cm（高x寬），見圖3。3.2.2側溝電伴熱祁連山隧道出口端，因地下水較發(fā)育在隧道左右兩側側溝內設置伴熱電纜加熱[6]，設置范圍為正洞洞口1km范圍內，其中洞口600m段采用溫控自動控制，其余400m段根據(jù)情況采用人工控制。利用電流流過電纜的焦耳效應產生的熱能對物料進行加熱，以確保側溝內過水斷面內環(huán)境為正溫;對于洞口600m段采用溫控自動控制，由溫度和濕度控制器根據(jù)洞口溫度及濕度自動調節(jié)。圖3隧道洞口2km范圍內側溝及中心水溝保溫措施電伴熱加熱材料主要采用GM-2XT伴熱電纜，其材料主要指標為:工作電壓220V,額定頻率50Hz,發(fā)熱功率為33W/m（在冰雪融水中），啟動電流為0.25A/m（-10°C環(huán)境）。在隧道左右兩側側溝溝底鋪設2根伴熱電纜，伴熱電纜間距15cm。洞內間距50m，設置單獨回路。每個電伴熱回路要求單獨供電，電源為220V交流電;每個伴熱回路需設置20A過流開關，且?guī)?0mA漏電保護功能。伴熱電纜絕緣電阻應大于20MQ。側溝伴熱電纜布置見圖4。圖4祁連山隧道側溝伴熱電纜布置(局部)3.3中心水溝保溫設置中心水溝采用混凝土預制管，內徑60cm，壁厚6cm。在隧道進、出口端正洞中心'水溝均設置1000m長的保溫措施。保溫結構采用在中心水管外包裹一層6cm厚的保溫結構，并由內至外施作保溫層、防潮層和保護層。保溫層:采用60mm厚聚乙烯泡沫，保溫層接縫處采用專用包扎帶包扎，確保絕熱效果。防潮層:防潮層需搭接適度，厚薄均勻，完整嚴密，無氣孔，無鼓泡或開裂等缺陷。作為保溫層絕熱重要的一層，應具有阻燃、防水、防蒸汽滲透及抗老化等性能，施工中采用涂刷一層瀝青作為防潮層。保護層:鋁皮是保溫結構的外保護層，應具有防水、防濕、抗腐蝕、足夠的機械強度和使用壽命長等特點，其接縫處應處理嚴密。采用保溫設置的中心水溝段，檢查井也進行保溫設計，采用雙層蓋板+填充保溫材料。上層蓋板采用8cm厚混凝土預制而成，下層蓋板采用5cm浸油瀝青木板，蓋板之間保溫材料(聚氨酯板材)采用工廠化加工成型，厚20cm。3.4防寒泄水洞根據(jù)高原高寒地區(qū)氣候特點，要使主洞內地下水盡快排出，降低凍脹影響，在隧道進出口的洞口段均設置防寒泄水洞。防寒泄水洞沿隧道中線設置于正洞下方，仰拱底部距泄水洞拱頂圍巖厚度不小于5m，坡度與隧道縱向坡度一致，縱向長1500m,是〃堵排并重，防凍保溫”的高寒地區(qū)防凍害關鍵措施之一。防寒泄水洞斷面尺寸為220cmx250cm(高x寬)，泄水洞內縱向每隔250m設置—處垂直于正洞線路方向的橫通道，每個橫通道均與正洞的綜合洞室連接，在每個橫通道正上方對應的正洞側溝和中心水溝檢查井內均設1根中400mmPVC波紋管泄水豎孔將正洞與泄水洞相連通，并及時弓I排正洞內積水至泄水洞，經(jīng)泄水洞的保溫出水口流出洞外，確保冬季水不結冰。泄水洞襯砌拱墻徑向打設泄水孔，安設中80mm打孔波紋管，長6~10m,縱、環(huán)向間距1m，用于排泄周邊圍巖的地下水。防寒泄水洞斷面較小，IV級、V級圍巖采用預留核心土風鎬開挖、B級圍巖采用風鉆鉆眼全斷面爆破;出碴采用電動立爪扒渣機裝碴，小型農用三輪車運輸，襯砌采用拱架+小鋼模襯砌，中50cm通風管壓入式通風。泄水洞施工見圖5。圖5防寒泄水洞施工4不同防寒保溫措施分析針對高原高寒季節(jié)性凍土的特點，隧道的防寒保溫措施分為防排水措施、保溫措施和加熱措施，其中防排水措施為拱墻防水板、縱環(huán)向盲管及止水帶、側溝、中心水溝和防寒泄水洞等;保溫措施為保溫襯砌、保溫側溝和保溫中心水溝等;加熱措施主要為設置伴熱電纜。4.1防排水措施的分析除常規(guī)的防排水系統(tǒng)外，防寒泄水洞是高寒地區(qū)隧道主要的排水措施之一，它設置在正洞下方，并設置一定數(shù)量的泄水洞橫通道（垂直正洞走向），利用豎向孔將正洞的地下水盡早引入泄水洞，在利用其徑向設置的排水盲管排泄隧道周邊的地下水，有利于降低隧道周邊的地下水位，降低凍脹對隧道結構的不利影響。實踐證明，位于高寒地區(qū)的祁連山系，地下水發(fā)育，隧道防寒泄水洞設置是一項十分有效的排水措施，能有效降低高寒地區(qū)地下水對隧道結構的危害。缺點是因其斷面太小，作業(yè)、運輸和通風等均十分困難，特別是工程后期增設或延長的泄水洞工程，為避免對正洞的影響，需采取一定的〃控變防塌”措施，工程造價較高。4.2保溫措施的分析采用聚氨酯板材為主的保溫措施是近期嚴寒地區(qū)隧道工程防寒保溫的主要手段，此工藝相對簡便，所用工程措施的投資較低。因存在以下問題，其保溫效果受到一定程度的影響：在施工過程中或后期維修保養(yǎng)過程中，在側溝和中心水溝檢查井內很難做到讓保溫材料與側壁混凝土完全密貼。在運營過程中，洞內外冷熱空氣頻繁高速流動交換，隧道內地熱散失較快。一般保溫材料主要使用于隧道陰暗潮濕的環(huán)境，很難長期保持良好的保溫效果。4.3加熱措施的分析目前國內隧道防寒保溫系統(tǒng)中采用加熱措施主要為設置伴熱電纜。該措施特點是能有效提高擬加熱段落的環(huán)境溫度，使其長期處于正溫條件，可有效避免水流的凍結。其缺點是需隧道供電系統(tǒng)容量足夠和有一定數(shù)量的箱變洞室，否則需另行建設供電系統(tǒng)，且該措施后期維修保養(yǎng)費用較高。5隧道防寒保溫措施的優(yōu)化建議具有高寒季節(jié)性凍土特點的祁連山隧道和大梁隧道，通過系列的防寒保溫措施實施，雖取得了良好的效果，但仍可在以下幾個方面進行改進，望能為類似工程的施工提供借鑒。對隧道局部富水段落，除需對圍巖采取徑向注漿堵水外[7],應適度加密泄水洞橫通道，并加大豎向孔的數(shù)量，使正洞匯集的地下水盡早流入泄水洞，爭取每處豎向孔均能將其上游流入的地下水完全排入泄水洞中，減小下游隧道結構凍脹隱患。必要時，可在隧道左右側各設置一個泄水洞以加大匯水和排水能力。泄水洞出水口除按要求做好保溫出水口外，應盡量將其出口位置設在陽面，并盡量加大排水坡度(建議5%以上)防止凍結堵塞。對于與正洞有聯(lián)通關系的應急救援通道等輔助通道，為盡量減少環(huán)境熱量散失，減少甚至避免空氣對流作用，應在其適當位置設置雙層防寒保溫門[8],防止凍害波及正洞。在高寒地區(qū)，在隧道設計時應在隧道供電系統(tǒng)和洞口段