高原严寒地区高铁隧道渗漏水及冻害整治

何炳兴，冀胜利，杨星智

(1.中铁二十局集团第四工程有限公司，山东 青岛 266000； 2.中铁二十局集团有限公司，陕西 西安 710016)

1 工程概况

兰新客专祁连山隧道位于青海省门源回族自治县及甘肃省山丹县境内，隧道全长9 515m。隧道地处祁连山中高山区，海拔3 400.000～4 400.000m。山顶常年积雪，具有春秋季多雪多风，夏季凉爽多雨、多冰雹，冬季寒冷漫长的特点，最低极端气温为-34.5℃，结冰期长达7个月，最大冻结深度230cm。

该隧道主要岩性为灰岩、泥灰岩、砂岩、板岩夹砂岩、页岩及砾岩等，通过F6，F7断层，区内断裂构造复杂，断层破碎带、节理密集带、岩性接触带、向斜、背斜、褶皱密集，节理裂隙发育。地下水主要受大气降水、地表融雪及基岩裂隙水补给，年平均降水量530mm。施工中曾多次发生突水、涌水，隧道日涌水量35 041m3/d，最大涌水量105 123m3/d 。

2 运营情况

自2014年12月开通运营以来，根据现场调查，隧道出现不同程度的渗漏水及结挂冰冻害问题。主要表现为：部分衬砌“三缝”及施工冷缝，夏季出现渗漏水，冬季出现结挂冰；洞口2km段落侧沟和中心水沟冻结堵塞，导致溢出结冰。在入冬和春融季节发生隧道“三缝”渗漏水结挂冰以及局部水沟溢出结冰现象最为严重,分析原因为：入冬时边墙底部盲管率先冻结，排水功能失效，水位上升，部分拱墙出现渗漏水及挂冰，气温进一步下降，拱墙背后盲管全部冻结[1]，渗漏水便消失一段时间；进入春融季节随着气温逐渐回升，山顶冰雪开始融化，雪水经山体裂隙下渗，此时由于隧道周围还未解冻，环、纵向排水管均处于冻结状态，无法发挥其排水功能，因此这些渗水就会通过衬砌的薄弱环节渗漏而出[1]，又因受洞内冷空气的影响，形成结挂冰现象。随着气温的逐步回升 ,隧道冻结圈解冻，排水管道逐渐恢复排水功能，漏水挂冰现象也随之消失[2]。运营后现状如图1所示。

图1 运营后情况

3 冻害危害性及其成因分析

3.1 隧道产生冻害的危害性

1)隧道衬砌背后排水系统被矿物质结晶堵塞或冻结，排水失效，产生渗漏水及结挂冰，直接影响行车安全。

2)侧沟和中心水沟冻结堵塞，产生翻水结冰至道床板，影响运营行车安全。

3)衬砌拱顶背后存在的空腔积水冻结，由于水结成冰时体积大约增加9%，发生冻胀，可能导致衬砌素混凝土开裂，冻融循环作用下，在“三缝”处易形成月牙形裂纹裂缝，影响混凝土寿命，引发掉块，危及行车安全。

3.2 造成隧道冻害的主要因素

3.2.1设计方面

前期设计对复杂环境尤其寒冷气候产生的冻害认识不足，防排水预估及防冻害保温设计综合措施不够全面或不合理，如设计时未考虑到洞身排水系统被冻结堵塞，排水系统的埋深或保温措施与冻结深度不匹配；防排水材料使用年限与混凝土结构寿命设计年限不匹配；同时未注重加大在施工初期支护阶段的堵排设计措施。

3.2.2施工方面

1)隧道施工接缝防水易失效 橡胶止水带在施工时难以做好，存在松动、移位、脱落等问题；中埋式止水带存在搭接，不易形成一个封闭的防水圈等原因易造成施工缝处发生渗漏[3]。

2)隧道防水层失效 衬砌结构在浇筑混凝土过程中撕裂损坏防水层以及浇筑完成后，不同程度的沉降变形超过了防水材料的延伸性，导致防水层或橡胶止水带断裂，致使地下水通过缺损部位渗入结构内部；防水层与基面黏结不良，造成防水层的空鼓、脱落等问题，由此导致防水层的破损失效[4]。

3)隧道衬砌混凝土普遍存在拱顶背后空腔以及施工界面处理不够彻底，都有可能导致渗漏水现象。

4)隧道衬砌混凝土结构自防水失效 衬砌混凝土虽然设计为抗渗混凝土，一般抗渗等级为P6,但在混凝土浇筑施工中往往出现振捣不够密实，造成混凝土气泡多、麻面大等缺陷，加之后期养护不到位，极易造成衬砌混凝土结构面的干缩和收缩性裂纹，这些缺陷都会产生渗漏水病害。

5)隧道超挖回填不严谨不规范 在隧道开挖时没有严格控制光面爆破，使衬砌周围超挖大小不等，超挖回填用料不当，回填不密实不规范，从而导致回填处产生大量积水，在外界低气温环境下，衬砌周围会形成一个季节性冻结圈[5]，循环出现冻融，可产生渗水通道。

3.2.3运营维护方面

山体裂隙水存有大量矿物质，长期沉淀形成结晶，造成隧道衬砌背后预留排水系统堵塞，若运营维护单位不能够及时对排水系统进行疏通，将导致排水系统失效，从而使大量裂隙水不断储存上升，产生高水位高水压，进而从隧道结构薄弱处渗漏，产生冻害。

3.2.4特殊环境条件

由于严寒气候，气温极低，容易产生渗漏水结冰、冻胀。动车组速度高，振动和压缩风高压扰动大，整体道床和隧道底板的应力释放不均匀，在这种振动扰动下极易造成整体道床和底板找平层开裂[6]。山体水系含有钙、镁、铁等易结晶的矿物质，堵塞排水系统，导致排水不畅。

4 综合整治方案

根据隧道渗水、结挂冰病害的成因分析，对高原、严寒地区高速铁路隧道渗漏水及冻害进行整治，坚持以“截水、堵水、排水、防水、保温、加热、维护”综合整治为原则，因地制宜，系统性地进行有效整治，才能取得最佳效果。

1)对渗漏水严重之处，在条件允许的情况下考虑高位截排水技术。在富水地段可以设置高位泄水洞；运营阶段可从考虑通过辅助导坑向正洞洞顶部位增设大直径泄水孔，或通过在渗漏水严重处凿深渠形成永久保温防冻排水渠道。

2)对严寒富水隧道在隧道洞口地段必须设置防寒泄水洞，长大隧道不小于2km，短隧道应贯通，该洞位于正洞正下方，距正洞底部5m，泄水洞每隔一定距离设置纵向泄水孔及连接正洞的大直径竖孔和径向散发型泄水孔。对隧道本身局部“三缝”或施工冷缝处产生的渗漏水而言，采取堵、排、防综合整治技术，即微创堵漏再造防水技术，以“上堵下排”为主。就是在衬砌拱部、边墙采用防渗水、耐低温、耐久性与耐腐蚀比较好的材料注入封堵，在隧道边墙两侧底部钻孔泄水。

3)对侧沟、中心水沟及泄水孔冻结，采取增加电伴热丝加热消冰处理。

5 隧道渗漏水及冻害整治新技术

5.1 高位截泄水技术

5.1.1从平导向正洞顶部钻孔截泄水技术

若隧道一侧有平导时，可在平导内向隧道出水点或富水地段拱部施作仰斜大直径排水孔，排水孔终端与隧道顶部外缘的垂直距离≥5m，每个施工缝处设置3个钻孔，其中对应施工缝设1个孔，两边各1m设1个孔，孔内埋设φ159mm透水钢花管，管内设置φ140mm双壁打孔波纹过滤渗水管，外裹双层无纺布[7]。

5.1.2设置高位泄水洞截排水技术

当隧道所在地水源补给丰富、围岩裂隙发育、隧道掌子面地下水日涌水量≥5 000m3时，可优先采取地表混凝土覆盖防渗引排法；若不能有效防渗引排时，考虑设置洞内高位泄水洞进行截排水。

高位泄水洞断面一般为4m×4.5m(宽×高)。高位泄水洞从隧道正洞壁或平导开口斜向上绕至正洞顶部，高位泄水洞底部与正洞顶部净距必须>5m，坡度>20%，开挖方法采取弱爆破或非爆破机械开挖法。当高位泄水洞进入富水区域后，遇破碎带不能继续前行施工时，封闭掌子面，混凝土厚度≥1m，然后向隧道正洞顶部施作超前管棚截排水，以正洞涌水量较大幅度减小或干涸为准。

5.2 渗漏水处凿渠引排技术

在严重股状漏水处，一般堵排法无法整治时，采用该方法。该方法在股状涌水处全环凿渠，渠宽≥1m，深≥1.5m，渠道形成后，先施工1层25cm厚钢筋混凝土护壁，再安装1层20cm厚保温层，最后施作40cm厚钢筋混凝土衬砌，深埋渠道净尺寸不宜小于0.4m×0.5m，形成防冻保温排水通道，该通道与两侧水沟或中心水沟相连。

5.3 微创堵漏再造防水技术

1)衬砌环向接缝边墙及拱部出现渗漏水较严重时，应采取堵排结合，以“上堵下排”为主，就是在衬砌拱部、边墙采用耐低温、耐久性与耐腐蚀比较好的材料封堵，在隧道边墙两侧底部钻孔泄水+安装电伴热丝。

施工方法：距环向施工缝两侧400mm处斜向45°钻孔(避让中埋止水带)，钻孔直径不应大于20mm，孔间距宜为1.0m，双侧梅花形布置，钻孔深度560mm，通过注浆观察邻近孔有浆液流出时，以此初步确定注浆压力和单孔注浆量，在实施过程中再根据实际情况适当调整；注浆时应掌握和控制注浆压力，宜先低压再逐渐升高，并宜沿裂缝走向自下而上或从一端向另一端依次进行；注浆宜按照同方向依次进行，注浆压力宜为0.3～1.2MPa，单孔注浆量以邻近注浆管出浆为止或以试验确定的注浆量为准；注浆结束后，采用含JX-JH聚合物水泥防水砂浆封孔。

2)对于渗漏水轻微、潮湿、渗水泛白处选择的材料应具有良好的可灌性，能在压力作用下渗入裂隙的深部，填充整个裂纹，同时材料在胶凝后应具有适当的膨胀性、柔韧性、耐压性、耐低温性和耐久性，故采用低黏度环氧树脂化学浆液作为注浆材料，环氧树脂浆液掺少量固化剂调整固结时间，一般掺量为环氧树脂∶固化剂=9∶1(根据现场实际温度可适当调整)。采用手持式注浆机压浆针孔法注浆，注浆压力控制在0.4MPa左右，从上至下，分段左右侧交错，逐孔顺序注浆。

以上两种注浆完成待浆液凝固后，在表面涂刷JX-SJ水泥基渗透结晶型防水涂料，施工时环境温度不能低于4℃[8]，拌合比例为JX-SJ粉料∶水=1∶0.3(质量比)，应采用电动搅拌枪在容器内搅拌均匀至无粉团。基层应清理干净、充分湿润，但不得有明水及微渗水现象，应分层刷涂或喷涂施工(不得采用滚涂),涂层应均匀，不可有漏涂及气孔；底层和面层留槎宽度不应小于50mm；底层固结干燥后(1h左右固化)再进行面层施工；涂层厚度不得大于1.2mm，材料用量不得小于1.8kg/m2，涂层宽度为500mm，并应沿着裂缝走向延长≥500mm。涂层呈半干状态后开始用雾状水喷洒养护，防止涂层过早干燥[9]，每次大约2～3遍。涂刷水泥基材料是为了进一步增强结构的抗渗效果，起到防水堵漏、补强加固双重作用，如图2所示。

图2 微创堵漏再造防水技术效果

5.4 排水技术

5.4.1疏通排水系统

隧道裂隙水中含有大量矿物质，久而久之堵塞排水系统，应定期疏通衬砌背后排水盲管，恢复衬砌背后排水功能。若两线间中心排水管及检查井以及连接泄水洞竖井排水不畅，需对堵塞物进行清理，确保排水体系畅通。

5.4.2钻孔排水降压技术

衬砌环向排水系统无法疏通时，可在水沟电缆槽侧壁垂直向衬砌背后钻孔，恢复衬砌背后排水功能，降低水位，减小水压。

水沟电缆槽侧壁钻孔：在水沟电缆槽侧壁向下60cm处垂直向衬砌背后钻长度≥3m的φ100mm排水孔，钻孔末端1～3m范围插入φ80钢花管，管外以无纺布包裹，排水管安设完成后，在电缆槽侧壁边墙范围的钻孔采用C20细石混凝土封堵[10]。

5.4.3设置防寒泄水洞+径向钻孔泄水+竖向钻孔泄水

防寒泄水洞通过竖井与正洞中心水沟、侧沟进行连接，使正洞中心水沟、侧沟内流水尽早进入泄水洞，可以减轻洞口段侧沟及中心水沟的排水压力，使洞口段冻结减少。同时在泄水洞内打设发散型的径向、竖向泄水孔，将隧道结构外的基岩裂隙水直接引入泄水洞[11]，改善山体径流模式，减轻正洞水害。

1)径向泄水孔

在泄水洞拱部120°的范围，纵向间距1.5m钻1组，每组5个孔(2个孔10m，2个孔6m，1个孔5m)，孔径80mm，钻孔完成后，在孔内插入打孔波纹管，波纹管外裹无纺布作为过滤层。径向泄水孔主要引导基岩裂隙水进入泄水洞流出。

2)竖向泄水孔

在正洞侧沟及中心水沟检查井位置，每隔250m施作1个φ350mm的竖向排水孔，检查井内竖孔与泄水洞垂直相连；侧沟内竖孔与泄水洞横通道相连，竖孔采用3mm厚不锈钢管防护，对空腔灌注砂浆以填充密实，如图3所示。

图3 防寒泄水洞泄水孔布置

5.4.4小凿槽引排技术

小凿槽引排技术不适用于严寒地区的高铁隧道拱墙渗漏水整治，但适用于隧道底部找平层出现渗漏水时的整治。在渗水或者出水点，采用小型空压机配合风枪钻引水孔，钻孔孔径50mm，引水孔个数依现场渗水情况而定，深度为打穿中心水沟。

采用混凝土切割机沿渗水走向对渗流水处切槽，用凿槽工具将混凝土凿出，根据水量确定排水管径，一般凿槽宽15cm、深30cm。用清水冲洗槽体[12]，使槽中不得有杂物和混凝土松散体附着物。将φ80mm的PVC硬质塑料管沿轴线从中间截开，确保PVC引水管安设后和混凝土基面吻贴，有效防止封槽时堵漏材料进入排水管中造成堵塞，影响排水畅通。

由上而下将排水管放入槽中，上部用防水卷材密封，以防杂物或堵漏材料进入。排水管连接应采取“下低上高”(即下游管在外侧且处于低位，上游管在内侧且处于高位)方式进行连接，搭接长度不应小于15cm，坡度控制在3%～5%，确保水不会返流。

固定封闭及养护：采用C35环氧树脂砂浆封闭槽体，设置锚钉配合钢丝网片补强加固。待混凝土固结后，洒水养护，防止混凝土固结过程中开裂。

5.5 保温防寒技术

在严寒隧道运营后，如何使排水系统不被冻结是解决冻害问题的关键。因而在隧道洞口段2.0km(根据洞内冻结情况确定)范围内侧沟及中心水沟检查井全部采取保温防寒水沟和保温防寒检查井措施，采取双层盖板+保温层，保温层厚度≥50cm。

5.6 电伴热丝加热技术

隧道洞口地段受外界环境影响较大，冬季严寒，易造成侧沟及中心水沟结冰、堵塞，翻溢水至道床板，危及行车安全。因而在隧道洞口地段2.0km范围内侧沟、中心水沟安装电伴热丝，采用远程分段控制+人工检查检修，每个控制单元长度120m，可根据冻结病害情况分段开启对应段落的控制柜。同时在水沟电缆槽侧壁泄水孔内安装电伴热丝，进行加热，确保排水系统不冻结，排水畅通[7]。

5.7 应用效果

自从2014年12月通车运营以来，在祁连山隧道采用以上综合整治措施，经过5年半的反复试验、不断探索和整治，取得了较好的效果，保证了高铁的运营安全，达到了整治目的。

6 经验总结

6.1 多措并举

对于高原寒冷高铁隧道防排水及冻害整治应采取多方案综合考虑。截、堵、防、排及保温是关键，在设计、施工阶段对富水区域应合理设置截、排水渠道，加大初期支护阶段的堵漏措施及增强保温措施。

6.2 合理设置保温衬砌

根据祁连山隧道设计情况，进口1km为保温衬砌，出口无保温衬砌，这是严重缺陷。因此，应考虑高原地区全隧道保温衬砌(保温层厚度应≥20cm)和全隧道水沟双层盖板+保温层措施。

6.3 合理设置中心水沟

高寒地区隧道应当采用深埋中心水沟，将水沟埋置于洞内冻结深度以下，利用地温达到水沟内水流不被冻结的目的[13]，同时水沟应设计成盖板矩形保温水沟，以利清淤，方便维护。

6.4 加强检测

对衬砌必须进行严格检测，发现二衬背后有空洞空腔时必须进行补充注浆，确保衬砌背后无空腔无空洞，防止冻胀现象。

6.5 加强维护

从环向盲管流入水沟内的流水较小时，最易在冬季逐渐结冰而翻出水沟。对此维养单位应临时加设电伴热丝来消除。需要强调的是维养单位每年入冬前必须全面检查一次排水系统，应及时清淤和维护电伴热丝。

7 结语

高原严寒地区的隧道经常受到渗漏水和冻害的困扰，主要原因还是排水不畅，保温防寒措施不到位，施工期间不规范，运营期间维护不及时造成，设计、施工、运营维护三方面应共同努力，各尽其职，有效防止高原严寒地区富水隧道渗漏水及冻害产生。