高原季节性冻土地区隧道施工防寒保温技术

高原季节性冻土地区隧道施工防寒保温技术谢江胜【摘要】依托兰新高铁祁连山隧道和大梁隧道施工实践，阐述了高原季节性冻土地区隧道双层保温衬砌、防寒泄水洞、保温侧沟和伴热电缆等综合技术方案、主要技术要点及优缺点分析，并提出了隧道防寒保温措施的优化建议，为类似工程提供借鉴.【期刊名称】《铁道建筑技术》【年(卷)，期】2015(000)009【总页数】5页(P22-26)【关键词】季节性冻土;隧道;保温;综合技术【作者】谢江胜【作者单位】中铁二十局集团有限公司陕西西安710016【正文语种】中文【中图分类】U4551工程概况新建兰新高铁祁连山隧道、大梁隧道地处青藏高原东北缘，位于3500-4300m祁连山中山区，是目前世界海拔最高的高铁隧道。隧址处属高原大陆性气候，年平均气温1.8°C，极端最低气温-31.5^，最大冻结深度230cm，全年除7月、8月外均为降雪期，见图1。其中祁连山隧道长9490m,采用-20%。单面下坡;大梁隧道长6550m,采用+6%。、-9%。的人字形坡;最大开挖断面达186.98m2;两座隧道均地下水发育，大梁隧道最大涌水量达65780m3/d，祁连山隧道最大涌水量达105123m3/d。高原季节性冻土地区隧道［1］与普通隧道有较大的区别，其地下水会发生季节性冻融现象，对隧道结构产生冻胀作用，而隧道冻胀的核心问题是地下水遇负温冻结。防寒保温是高寒地区隧道施工的一项关键技术，是防止季节性冻土（岩）反复冻融、暖季漏水、寒季挂冰、冰漫道床、排水系统冻结等的重要手段，避免隧道衬砌混凝土产生冻胀开裂、酥碎、剥落等冻胀病害［2］。图1祁连山隧道自然条件2防寒保温总体技术方案高寒地区季节性冻土隧道地下水产生季节性冻融、冻胀变化作用，造成的周期性的加载、卸载作用将对隧道主体结构尤其是洞口段的支护措施、衬砌结构、防排水体系造成破坏，进而影响运营期间的安全性及结构的寿命。为了避免隧道冻胀病害的发生，在祁连山隧道和大梁隧道的洞口段均采取了防寒保温综合技术措施，其具体方案主要有以下几个方面：2.1保温衬砌祁连山隧道进口段及大梁隧道进、出口段均位于浅埋及断层破碎带，采取双层保温衬砌结构支护，结构形式为:初期支护+模筑混凝土30cm+防水板+保温层5cm+防水板+二次衬砌，模筑支护完成后至少经历一个年度的冻融期后施工二次衬砌。其中祁连山隧道进口端保温衬砌1800m，大梁隧道进口、出口端分别为750m、780m。2.2侧沟保温及伴热电缆在隧道进出口段均采用双侧侧沟保温设置。设置范围为大梁隧道进出口的洞口段2000m，祁连山隧道进出口洞口段1000m。在海拔相对较低的祁连山隧道出口段，在双侧侧沟内洞口段1000m范围内布设保温伴热电缆［3］。2.3保温中心水沟在隧道进出口段均采用中心水沟保温设置。设置范围为大梁隧道进出口的洞口段2000m，祁连山隧道进出口洞口段1000m。2.4防寒泄水洞根据地下水发育情况和隧道的坡度设置等因素，沿着隧道线路走向，在隧道洞口段的正洞下方设置1500-2000m的防寒泄水洞［4-5］。隧道二次衬砌背后的地下水经纵环向盲管汇至侧沟及中心水沟，再利用侧沟和中心水沟检查井内的竖向孔排至泄水洞，最后排出洞外。3防寒保温措施主要技术要点3.1双层保温衬砌为防止隧道所处高寒地区围岩冻融循环破坏衬砌结构，确保高海拔大断面隧道防水保温衬砌质量，在祁连山隧道进口和大梁隧道进、出口段均设置了〃模筑混凝土+防水保温层+二次衬砌混凝土”双层保温衬砌结构。由于原设计参照单线铁路小断面隧道考虑防水保温材料自重相对较轻的参数，是在模筑混凝土表面直接安装〃土工布+防水板+保温板+土工布+防水板”5层结构材料。然而，在特大断面隧道施工中，仅靠设计钢筋承担防水保温层重量，刚度不能满足要求，易造成拱顶脱空、下沉等现象，使得防水保温层极易侵入二次衬砌净空，导致混凝土厚度不足等质量缺陷。针对祁连山隧道和大梁隧道建设的工程实际，进行了防水保温衬砌工艺改造，综合采取〃胶粘+纵向钢丝崩挂+环向安装钢架支顶法无钉铺设防水保温层”施工工艺，有效地解决了防水保温层侵入二次衬砌净空的难题，取得比较满意的效果，保证了施工质量。3.1.1工艺原理通过粘结剂粘结，并采用纵向崩钢丝顶挂防水保温层、环向钢筋支撑改为12型钢措施，从而增加对防水保温层的承载力，避免了因保温层挤压而改变原有二次衬砌钢筋的受力特点和二次衬砌净空不达标的现象发生。3.1.2防水保温层结构形式初支喷混凝土+模筑支护（30cm）+防水保温隔热层（分离式防水板+保温层5cm+防水板）+二次衬砌，防水板及保温隔热层位于模筑支护与二次衬砌之间，沿隧道全断面铺设。无纺布铺设于模筑表面，无纺布采用大于400g/m2的土工布，具有良好的过滤和排水功能，良好的耐穿刺性、耐水性、耐腐蚀性和耐菌性，并具有一定的强度、抗变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学侵蚀、地下水侵入影响等能力，同时要能承受微小的沉降和收缩，并方便施工操作。第一层厚度为1.5mm,第二层厚度为1mm,采用EVA防水板（乙烯——醋酸乙烯板），密度p=0.92g/m2，其余指标满足防水板的性能要求。保温层采用50mm聚氨酯板材，采用曲面，与衬砌轮廓曲率一致，其主要性能应满足以下要求:导热系数入＜0.03W/m-k;抗压强度，拱墙部位＞0.3MPa,基底部位＞0.5MPa;体积吸水率＜3%,自重＞60kg/m3，弹性模量E＞7-10MPa，老化寿命＞50年，具有一定弹性，具低毒性。3.1.3防水保温层施工工艺防水保温层施工采用防水保温层粘贴与钢架支顶相结合的施工工艺，见图2。3.1.4施工顺序清理模筑支护混凝土表面一清扫模筑表面灰尘、水渍一安装盲管一在模筑支护表面上涂抹环氧树脂AB胶、铺设第一层土工布、钉设热塑垫圈-在土工布上涂抹胶粘剂、无钉铺设第一层防水板T根据二次衬砌台车长度（纵向每12m或9m一循环），—端在已施工二次衬砌、另一端在模筑支护上打设膨胀螺栓，用紧线器安装直径6.2mm的钢丝，拱部环向间距每50cm一根，边墙环向间距每100cm一根，作为保温板安装过程的纵向支撑一在防水板涂抹胶粘剂一在钢丝靠防水板侧粘结曲型保温板-涂抹胶粘剂、无钉铺设第二层防水板-每2m安装环向钢架支顶。图2防水保温层施工3.2侧沟保温及伴热电缆设置3.2.1保温侧沟隧道保温侧沟上部设双层盖板，在两层盖板间充填保温材料，保温材料采用聚氨酯泡沫型材保温，采用工厂化预制，纵向单元长度采用1m，主要性能指标符合上述保温层材料的相关指标要求。根据祁连山隧道和大梁隧道保温侧沟设置不同，聚氨酯保温块截面尺寸分别采用25cmx40cm（高x宽）及40cmx40cm（高x宽），见图3。3.2.2侧沟电伴热祁连山隧道出口端，因地下水较发育在隧道左右两侧侧沟内设置伴热电缆加热[6]，设置范围为正洞洞口1km范围内，其中洞口600m段采用温控自动控制，其余400m段根据情况采用人工控制。利用电流流过电缆的焦耳效应产生的热能对物料进行加热，以确保侧沟内过水断面内环境为正温;对于洞口600m段采用温控自动控制，由温度和湿度控制器根据洞口温度及湿度自动调节。图3隧道洞口2km范围内侧沟及中心水沟保温措施电伴热加热材料主要采用GM-2XT伴热电缆，其材料主要指标为:工作电压220V,额定频率50Hz,发热功率为33W/m（在冰雪融水中），启动电流为0.25A/m（-10°C环境）。在隧道左右两侧侧沟沟底铺设2根伴热电缆，伴热电缆间距15cm。洞内间距50m，设置单独回路。每个电伴热回路要求单独供电，电源为220V交流电;每个伴热回路需设置20A过流开关，且带30mA漏电保护功能。伴热电缆绝缘电阻应大于20MQ。侧沟伴热电缆布置见图4。图4祁连山隧道侧沟伴热电缆布置(局部)3.3中心水沟保温设置中心水沟采用混凝土预制管，内径60cm，壁厚6cm。在隧道进、出口端正洞中心'水沟均设置1000m长的保温措施。保温结构采用在中心水管外包裹一层6cm厚的保温结构，并由内至外施作保温层、防潮层和保护层。保温层:采用60mm厚聚乙烯泡沫，保温层接缝处采用专用包扎带包扎，确保绝热效果。防潮层:防潮层需搭接适度，厚薄均匀，完整严密，无气孔，无鼓泡或开裂等缺陷。作为保温层绝热重要的一层，应具有阻燃、防水、防蒸汽渗透及抗老化等性能，施工中采用涂刷一层沥青作为防潮层。保护层:铝皮是保温结构的外保护层，应具有防水、防湿、抗腐蚀、足够的机械强度和使用寿命长等特点，其接缝处应处理严密。采用保温设置的中心水沟段，检查井也进行保温设计，采用双层盖板+填充保温材料。上层盖板采用8cm厚混凝土预制而成，下层盖板采用5cm浸油沥青木板，盖板之间保温材料(聚氨酯板材)采用工厂化加工成型，厚20cm。3.4防寒泄水洞根据高原高寒地区气候特点，要使主洞内地下水尽快排出，降低冻胀影响，在隧道进出口的洞口段均设置防寒泄水洞。防寒泄水洞沿隧道中线设置于正洞下方，仰拱底部距泄水洞拱顶围岩厚度不小于5m，坡度与隧道纵向坡度一致，纵向长1500m,是〃堵排并重，防冻保温”的高寒地区防冻害关键措施之一。防寒泄水洞断面尺寸为220cmx250cm(高x宽)，泄水洞内纵向每隔250m设置—处垂直于正洞线路方向的横通道，每个横通道均与正洞的综合洞室连接，在每个横通道正上方对应的正洞侧沟和中心水沟检查井内均设1根中400mmPVC波纹管泄水竖孔将正洞与泄水洞相连通，并及时弓I排正洞内积水至泄水洞，经泄水洞的保温出水口流出洞外，确保冬季水不结冰。泄水洞衬砌拱墙径向打设泄水孔，安设中80mm打孔波纹管，长6~10m,纵、环向间距1m，用于排泄周边围岩的地下水。防寒泄水洞断面较小，IV级、V级围岩采用预留核心土风镐开挖、B级围岩采用风钻钻眼全断面爆破;出碴采用电动立爪扒渣机装碴，小型农用三轮车运输，衬砌采用拱架+小钢模衬砌，中50cm通风管压入式通风。泄水洞施工见图5。图5防寒泄水洞施工4不同防寒保温措施分析针对高原高寒季节性冻土的特点，隧道的防寒保温措施分为防排水措施、保温措施和加热措施，其中防排水措施为拱墙防水板、纵环向盲管及止水带、侧沟、中心水沟和防寒泄水洞等;保温措施为保温衬砌、保温侧沟和保温中心水沟等;加热措施主要为设置伴热电缆。4.1防排水措施的分析除常规的防排水系统外，防寒泄水洞是高寒地区隧道主要的排水措施之一，它设置在正洞下方，并设置一定数量的泄水洞横通道（垂直正洞走向），利用竖向孔将正洞的地下水尽早引入泄水洞，在利用其径向设置的排水盲管排泄隧道周边的地下水，有利于降低隧道周边的地下水位，降低冻胀对隧道结构的不利影响。实践证明，位于高寒地区的祁连山系，地下水发育，隧道防寒泄水洞设置是一项十分有效的排水措施，能有效降低高寒地区地下水对隧道结构的危害。缺点是因其断面太小，作业、运输和通风等均十分困难，特别是工程后期增设或延长的泄水洞工程，为避免对正洞的影响，需采取一定的〃控变防塌”措施，工程造价较高。4.2保温措施的分析采用聚氨酯板材为主的保温措施是近期严寒地区隧道工程防寒保温的主要手段，此工艺相对简便，所用工程措施的投资较低。因存在以下问题，其保温效果受到一定程度的影响：在施工过程中或后期维修保养过程中，在侧沟和中心水沟检查井内很难做到让保温材料与侧壁混凝土完全密贴。在运营过程中，洞内外冷热空气频繁高速流动交换，隧道内地热散失较快。一般保温材料主要使用于隧道阴暗潮湿的环境，很难长期保持良好的保温效果。4.3加热措施的分析目前国内隧道防寒保温系统中采用加热措施主要为设置伴热电缆。该措施特点是能有效提高拟加热段落的环境温度，使其长期处于正温条件，可有效避免水流的冻结。其缺点是需隧道供电系统容量足够和有一定数量的箱变洞室，否则需另行建设供电系统，且该措施后期维修保养费用较高。5隧道防寒保温措施的优化建议具有高寒季节性冻土特点的祁连山隧道和大梁隧道，通过系列的防寒保温措施实施，虽取得了良好的效果，但仍可在以下几个方面进行改进，望能为类似工程的施工提供借鉴。对隧道局部富水段落，除需对围岩采取径向注浆堵水外[7],应适度加密泄水洞横通道，并加大竖向孔的数量，使正洞汇集的地下水尽早流入泄水洞，争取每处竖向孔均能将其上游流入的地下水完全排入泄水洞中，减小下游隧道结构冻胀隐患。必要时，可在隧道左右侧各设置一个泄水洞以加大汇水和排水能力。泄水洞出水口除按要求做好保温出水口外，应尽量将其出口位置设在阳面，并尽量加大排水坡度(建议5%以上)防止冻结堵塞。对于与正洞有联通关系的应急救援通道等辅助通道，为尽量减少环境热量散失，减少甚至避免空气对流作用，应在其适当位置设置双层防寒保温门[8],防止冻害波及正洞。在高寒地区，在隧道设计时应在隧道供电系统和洞口段