严寒地区铁路隧道衬砌冻胀病害及治理措施研究

张 恒

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

我国冻土面积分布非常广泛，其中多年冻土主要分布在东北大、小兴安岭和松嫩平原北部及西部高山和青藏高原，并零星分布在季节冻土区内的一些高山上［1］。随着近年来我国经济形势的蓬勃发展，对铁路建设的需求也正在快速提高，随着路网日益完善，工程建设正向着高纬度、高海拔等气候条件恶劣的寒冷地区延伸。

在寒冷地区修建的隧道，存在着一般地区隧道所没有的特点，最主要的技术难点是需要控制由于寒冷低温、冻融循环等引起的病害，即对隧道结构造成的严重的破坏。隧道冻胀开裂、渗水挂冰，水沟冻结等问题一直困扰着我国铁路建设和运营。过去对寒区隧道病害机理、周边温度场及冻胀力计算等问题虽然做过一定研究，但是还没能从根本上解决隧道冻害问题。随着科学技术水平的提高和工程经验的增多，弄清隧道冻害原理，根治隧道病害的愿望显得愈发迫切。

1 工程简介

两伊铁路北起内蒙古呼伦贝尔市鄂温克旗伊敏镇，南到兴安盟伊尔施镇，南出口与白阿线相连。线路位于呼伦贝尔草原和大兴安岭山脉西缘上，属大陆性亚寒带型气候，冬季漫长酷寒，夏季短促炎热，昼夜温差较大。全年冰冻期和霜期长达7～8个月，一般每年9月下旬开始下雪，到翌年4月底才开始融化，最冷月平均气温-26℃，极端最低气温达-50℃以下，土壤最大冻结深度3.2 m。林区多雨、多雪，雨量比较充沛，雨量多集中在6～8月，多为连阴天，气候特别潮湿。铁路全长185.4 km，工程于2005年9月开工，2009年12月竣工。全线隧道共6座，总长10km。最长隧道为哈布特盖隧道，长度3 564 m。

主要设计参数［2］:隧道建筑限界采用“隧限—2A”，单线电化复合式衬砌结构。全线隧道暗挖段均采用复合式衬砌，Ⅱ级围岩采用曲墙带底板衬砌形式，Ⅲ～Ⅴ级围岩均采用曲墙带仰拱衬砌形式。二次衬砌除洞口少量Ⅴ级围岩段采用钢筋混凝土结构，其余均为素混凝土结构。防排水设计设置了拱墙防水板，并考虑到严寒地区排水条件，在隧道正下方设置了中心深埋水沟。隧道结构形式如图1所示。

图1 隧道结构形式(单位:cm)

2 病害简介

两伊铁路通车以后，2009年11月至2012年4月的冬季检查中，发现大部分隧道出现了衬砌开裂和中心水沟冻结堵死的情况，病害范围较广，给行车安全造成了隐患。

根据现场调查，存在衬砌开裂现象的有4座隧道，分别是哈布特盖隧道，格吉格特隧道，呼吉日延1号、2号隧道。裂缝的总体表现较为一致，均发生在两侧水沟盖板面上方2～3 m的边墙上，呈纵向对称状，裂缝宽度0.5～6 mm，从洞口向里由宽渐窄，个别处伴有竖向开裂，裂缝宽度0.5～2 mm，洞口段局部有错台，错台宽度0.5～1.5 mm。根据连续几年观察，裂缝宽度随冻融循环而有所变化，每年最冷月12月～1月中裂缝宽度达到最大值，夏季裂缝宽度有明显减小，有些裂缝甚至很难被发现。

3 原因分析

根据铁路运营通车后几年的跟踪观测发现，裂缝发育段均分布在粉质黏土地层中，纵向裂缝一般出现在隧道受弯矩最大的边墙位置，而且越靠近洞口的裂缝越严重，衬砌表面干燥并没有水渗出，。

根据病害产生的特点进行分析研究，隧道病害主要发生在饱和粉质黏土地层Ⅴ级围岩段，由于地处高寒地区，冬季最低气温达-50℃以下，冻结深度更是达到3.2 m，这种极端的气候条件使饱和富水的粉质黏土层受冻产生强大的冻胀力。

本线隧道为单线电气化结构形式，由于边墙部分的圆形半径较大，结构近似于细长的椭圆形，这使衬砌在受到径向冻胀力作用时，边墙受到的弯矩最大，而且本线多数衬砌采用素混凝土，抗拉强度较弱，最终导致衬砌在受力最大的两侧边墙位置产生纵向延展裂缝［3］。

4 整治方案

根据病害的情况反映，在富水的粉质黏土受冻产生的强大冻胀力作用下，不仅素混凝土会受到破坏，就是钢筋混凝土衬砌也会产生裂缝，所以仅依靠提高结构强度是不足以抵抗围岩产生的冻胀力，要从根本上解决衬砌病害就必须采取保温防冻措施，从源头解决问题。病害治理应考虑铁路已经运营的现状，在保证行车与施工安全，尽量减少行车干扰的前提下进行。

方案根据衬砌裂损程度、地质条件、原衬砌结构形式及病害发展趋势等因素综合选取。最终确定对裂损程度较轻，衬砌结构较完整的病害段落采用“裂缝修补+增设表面保温层”的整治方案;对衬砌裂损较严重，危及行车安全的段落采用“更换钢筋混凝土二次衬砌+增设保温层”的整治方案。

4.1 裂缝修补

在设置保温层之前，必须对既有的裂缝进行修复。隧道裂缝修补采用表面压力注浆，修补材料选用AB型环氧树脂，施工流程为:观测裂缝→清洁裂缝→预留并安装底座→封闭底座间裂缝→连接管线与注浆器→浆液注入→拆除注浆器→清除封缝胶及底座［4，5］。边墙裂缝注浆修补示意如图2、图3所示。

图2 边墙裂缝注浆修补示意

图3 A-A大样

4.2 表面增设保温层

根据计算和实测的内净空，设置适当厚度的保温层，以减少围岩内热量流失，可以有效降低甚至避免隧道冻胀病害的发生。

(1)保温层厚度计算［6，7］

各种材料热阻计算公式如下

式中 R——材料层热阻，m2·K/W;

δ——材料层厚度，m;

λ——材料导热系数，W/(m·K)。相关材料导热系数如表1所示。

表1 相关材料导热系数

本地区土壤最大冻结深度3.2 m，隧道衬砌厚度0.4+0.22=0.62 m。

①冻结深度范围土壤热阻

R=δ/λ=3.2/1.16=2.76(m2·K/W)

②混凝土衬砌热阻

R=δ/λ=0.62/1.74=0.36(m2·K/W)

③保证围岩圈不冻结，所需保温层热阻

R=2.76-0.36=2.4(m2·K/W)

④保温层采用聚氨酯材料，导热系数收集相关资料，取为0.022(W/(m·K))，所需聚氨酯保温层厚度

δ=R·λ=2.4·0.022=0.053 m

根据计算，保温层厚度为5.3 cm即可达到防止围岩冻结的效果。实际操作中为降低施工误差影响，安全系数取1.3，选取的保温层厚度为

δ'=δ×1.3=5.3×1.3=6.9 cm≈7 cm

(2)施工前应对隧道内净空进行量测，保温层不得侵入隧道建筑限界。为保证保温层的均匀性与粘结强度，施工方式应采用喷涂，同时考虑防火及耐久性要求，材料选用改性防火聚氨酯泡沫，并在表面涂刷防火砂浆。

4.3 更换衬砌、增加保温层方案

对于受冻胀严重地段，因为衬砌已产生贯通裂缝，严重影响了结构强度，并对运营安全留下了安全隐患。为彻底解决冻害带来的影响，应对结构形式加以完善，彻底整治冻害。

本方案采取“更换钢筋混凝土衬砌+增设保温层”的双重治理措施，对隧道进行整治。具体方案如下。

4.3.1 保温层厚度的确定

根据之前计算结果，保温层厚度取δ=5.3 cm即可防止围岩产生冻胀。综合隧道限界、衬砌强度等因素，确定本方案的保温层设置于初支与二衬之间，厚度取值5 cm。

4.3.2 冻胀量的确定

采用弹性力学理论来确定冻胀量，为简化问题，将隧道看成是处于无限大土体中，并作出如下基本假设:

(1)围岩为均质、各向同性的连续介质;

(2)围岩及衬砌受力属于弹性应变中的平面应变问题;

(3)冻结围岩处于封闭饱和水状态;

(4)不考虑围岩及衬砌的自重。

按线性内插法计算，取土体冻胀率为3.65%［8］，假设保温在反复的冻融循环后，可以起到75%的保温效果，冻结圈内围岩的总膨胀量为

式中 hn——冻胀量，m;

H——冻结层厚度，按保温层效果 75%，取0.75 m;

η——冻胀率，取3.65%。

得出hn=0.027 m

4.3.3 冻胀力计算

外侧冻结圈膨胀被衬砌及外侧未冻结土体所约束，由于冻结圈相对较薄，其冻胀力可看作未冻胀土体的弹性抗力所提供，因此计算出冻胀圈对外侧土体的压缩量，即可通过外侧土体弹性抗力系数计算出衬砌所承受的冻胀力。

通过弹性抗力系数及土体冻胀量，在不考虑衬砌变形的情况下，可大致计算该处的冻胀力

式中 Q——冻胀压力集度，MPa;

k——土体弹性抗力系数，MPa/m，根据经验取20 MPa/m;hn——冻胀量，m。

得出，冻胀力Q=0.55 MPa

4.3.4 衬砌更换方案(图4)

(1)更换衬砌施工流程为:钢架防护→静态爆破凿除裂损段混凝土→清理界面→铺防水板及保温层→植筋→绑扎新更换衬砌钢筋→支模→浇筑混凝土→养护→拆模。

(2)工序及施工技术要点

在保证施工安全与行车安全的前提下，采用预裂静态爆破技术对既有衬砌进行分段拆除。

①钢架防护:首先加工洞内防护钢架，并对准备拆除段的两侧3.0 m范围分别进行支撑防护，钢架间距0.5 m。

②钻爆破孔应在钻孔台架上进行，首先由技术人员划点，钻孔时要确保孔位偏差在允许范围内，要精确控制孔眼深度，不允许打穿二衬，以免爆破对初支产生扰动变形。

图4 更换衬砌及防护

钻孔拆除:每2.0 m作为一个拆除段，两端环向先钻一排断裂孔，孔径φ60 mm，间距10 cm，深35 cm。装药孔径3 cm，环、纵间距30 cm，梅花形布置。采用无损破碎剂，装药量为孔深的80%，孔眼采用干硬性砂浆封闭密实，6～12 h后衬砌即可被压裂拆除。

爆破顺序为:先爆破拆除拱部，其次爆破拆除边墙及小边墙。小边墙应拆除至原施工缝位置，避免残留混凝土夹层影响衬砌强度。爆破过程中应在轨道面铺木板或草垫、橡胶垫等缓冲层，防止衬砌掉落砸坏钢轨。

(3)每拆除一段旧衬砌后立即进行新衬砌的施工。

①铺设初支防水板。

②二衬与初支之间增设一层厚度为5 cm的聚氨酯保温层。保温层在做好初支防水板后铺设，保温层铺设完毕后，在其表面再增设一道防水板。

③绑扎钢筋:钢筋采用双排布置，环向钢筋间距200 mm。由于保温层材料有易燃性，钢筋连接采用无焊接的套筒机械连接方式，钢筋植入小边墙衬砌内［9］。

④浇筑混凝土:考虑到既有线的运营需要，如使用大型衬砌台车将导致列车无法通过，故采用组合钢模板进行衬砌浇筑，利用防护钢架对模板进行支撑、固定。利用天窗时间进行混凝土浇筑，浇筑混凝土时应做好钢架内侧支撑，待混凝土终凝后即可拆除内撑、列车减速通过。在混凝土强度达到设计强度75%后方可拆模，并且不小于12 h。

5 结论

通过对本线隧道冻害原因以及整治方案的分析研究，在寒冷地区有冻融循环的条件下修建隧道工程，应在设计阶段就给予高度的重视。以往的经验表明，水是产生寒区隧道冻害的根源，要防止隧道冻害发生，就必须采取有效的排水、疏导措施。而本线隧道冻害的特点是由于地层中的粉质黏土具有含水及隔水的特性，不利于水的疏导，使富水的粉质黏土类围岩冻胀发生病害。

对于有此类病害特点的隧道，应在设计与施工中考虑以下几点:

(1)加强防排水措施，保证冬季排水通畅，降低隧道范围内的地下水位，减少冻害发生的概率;

(2)采取必要的保温防冻措施，降低冻害程度和冻胀力的影响;

(3)采用钢筋混凝土衬砌形式，提高衬砌抗弯、抗拉强度，提高衬砌的整体性，即使有冻胀裂缝产生也可以通过修补等方法保证结构强度，确保铁路运营安全。

［1］铁道第三勘测设计院.冻土工程［M］.北京:中国铁道出版社，2002.

［2］中铁工程设计咨询集团有限公司.新建铁路伊敏至伊尔施线施工设计［R］.北京:中铁工程设计咨询集团有限公司，2006.

［3］两伊铁路隧道冻害整治方案专家论证会［R］.海拉尔:2012.

［4］JC/T1041—2007 混凝土裂缝注浆用环氧树脂浆材［S］.

［5］薛绍祖.环氧树脂灌浆治理混凝土裂缝技术［J］.新型建筑材料，2009(3):72-74.

［6］GB50176—93 民用建筑热工设计规范［S］.

［7］QB/T3806—1999 建筑物隔热用硬质聚氯酯泡沫塑料［S］.

［8］TB10035—2006 铁路特殊路基设计规范［S］.

［9］JGJ145—2004 混凝土结构后锚固技术规程［S］.

［10］TB10003—2005 铁路隧道设计规范［S］.

［11］孙兵.寒区隧道冻害等级及其设防等级研究［J］.铁道标准设计，2012(4):88-92.