寒冷地区铁路隧道病害类型及防治措施

发表时间：2015-03-13T11:50:56.427Z 来源：《工程管理前沿》2015年第4期供稿 作者： 李岩

[导读] 通过施工过程中采取的各项应对措施和取得的成果，详细阐述寒冷地区隧道病害类型及相应防治措施。

李岩

中铁隧道集团一处有限公司 重庆 401121

摘 要：随着铁路建设进入一个新的发展时期，铁路隧道工程质量问题逐渐暴露,备受社会各界关注，特别是寒冷地区铁路隧道的各种病害，不仅增加了施工成本，更为后期交验运营及工务维护埋下安全隐患和困难。本文结合新建吉林至珲春铁路工程建设，通过施工过程中采取的各项应对措施和取得的成果，详细阐述寒冷地区隧道病害类型及相应防治措施。 关键词：寒冷地区；铁路隧道；病害成因；预防措施 1.工程概况

新建吉林至珲春铁路工程位于吉林省中东部，本项目隧道4.5座，长约8km，设计时速250km/h，双线。项目管段位于吉林省朝鲜族延边州，属于长白山低山区，沿线水系发达，植被较发育；属北亚温带湿润半湿润大陆性季风气候，四季分明，冬季漫长，寒冷多雪，偏西北、西南风，年平均气温4.0～6.5℃，1月平均气温-10.3～-23.4℃，极端最低气温-29.2～-42.5℃，年平均降水量528～670mm；季节性冻土，冻结深度约2m。

2.寒冷地区铁路隧道病害的类型

寒冷地区铁路隧道病害主要有隧道衬砌裂损、衬砌渗水结冰、洞门墙开裂、隧道内排水冻害等。 2.1拱部、边墙和挡渣墙裂损

隧道裂损的类型主要分为：干缩裂缝、温度裂缝、外荷载作用产生的变形裂缝、施工缝处理不当引起的接茬缝等。裂缝产生的原因很复杂，就其裂缝类型进行分析引起裂缝有两大类原因，一种由外荷载（如静、动荷载）的直接应力和结构次应力引起的裂缝；一种是结构因温度、膨胀、收缩、徐变和不均匀沉降等因素由变形变化引起的裂缝。

寒冷地区铁路隧道裂缝主要产生在拱部、边墙和挡渣墙。拱部裂缝分为纵裂、斜裂和环裂，其中纵向斜裂最多，危险性最大多，较集中在圆弧拱腰处。常因拱腰遭到挤压向内变形，使得拱顶被迫向上移动，从而拱顶衬砌变形。就裂损情况而言，大多是拱顶内缘遭到反向作用压力挤裂掉块，拱腰受拉张裂，拱部产生不同程度的麻面、蜂窝、裂纹、剥落等现象。

边墙裂缝以水平及斜向开裂为主，大部分位于直墙中部，内轨面上2～3m处，水平纵裂占多数，变形趋于隧道内。东北寒冷地区由于洞内外温差较大，且边墙脱模较早，易产生温度收缩裂纹，加上拱部裂纹经过冬冻春融的结构作用力，使得拱部裂纹延伸加长。 挡渣墙裂缝以纵裂及斜裂为主，多为围岩变化地段沉降、一次施工长度较长断裂等因素造成裂损。 2.2衬砌渗漏水、结冰

衬砌背后的水以及衬砌开裂形成的渗漏水，在适合的温度条件下，就会产生冻融或冻胀现象。寒冷地区，水是造成隧道工程病害的主要因素，特别是在隧道运营阶段，基本病害几乎都离不开“水”这个原因。

因拱部和边墙衬砌被裂缝划分，围岩面与衬砌之间的防排水若出现问题，边墙会出现渗水、冒水，拱部会出现滴水、漏水，在进入冬季后，继而产生冰块、冰柱及冰锥，形成隧道渗漏水、结冰的病害，给运营行车造成安全隐患。 2.3洞门墙开裂

温差对混凝土开裂影响较大，严寒季节，混凝土因温降会产生较大的拉应力，试验结果表明：若温降15℃，产生的拉应力

σ=1.24MPa，若温降10℃，则σ=0.825MPa。吉林和延边地区冬、夏季温差近60℃，按温降与应力变化关系推算，混凝土表面的拉应力高达4.98MPa，已经远远大于混凝土容许拉应力。隧道洞门因常年暴露于外界环境中，故易出现混凝土表面开裂现象。

斜切式洞门由于帽沿处钢筋和模板安装难度大，施工中易造成帽沿钢筋保护层较厚，混凝土振捣不密实等现象，拆模后洞门混凝土长时间暴露于自然环境中，常出现水平裂纹、斜向裂纹及脱皮掉块的病害。

端墙式洞门在洞门墙拱腰至帽石间易出现贯通裂缝，或出现垂直裂纹，伴随错台，裂纹形状外大里小、上大下小。 2.4隧道内排水冻害

隧道内排水常见为侧沟排水，寒冷地区侧沟排水易产生结冰冻胀，本项目设计采用深埋中心沟排水，虽然中心水沟埋至仰拱下，但施工中保温措施不到位也将产生结冰冻胀的病害，继而对结构体和后期安全运营造成较大威胁。 3.寒冷地区铁路隧道病害的防治措施 3.1拱部、边墙和挡渣墙裂缝防治措施

施工中加强观测，掌握地质资料和裂缝变形情况，不同裂损地段采取不同施工措施的裂缝整治原则。 3.1.1预防措施

3.1.1.1提高光面爆破水平,加强隧洞开挖断面检测,严格控制超欠挖,为衬砌施工创造良好的条件。 3.1.1.2应在围岩和初期支护变形基本稳定时进行衬砌施工。

3.1.1.3选用合格的施工材料，严格按施工配料单计量，加强砂石料含水率检测,及时调整拌合用水量。

3.1.1.4经常观察模板的位移和混凝土浇捣的密实情况，不能漏振、过振，且在第一次振捣后间隔20～30min后，宜进行第二次复振。这样可排除混凝土泌水并减少内部裂缝与气孔的形成，提高抗裂性。浇捣时，振捣捧要快插慢拔，根据不同的混凝土坍落度正确掌握振捣时间。 混凝土应振捣密实，时间以10～15秒/次为宜。

3.1.1.5混凝土养护主要是保持适当的温度和湿度条件。保温能减少混凝土表面的热扩散，降低混凝土内部和外界的温差，防止表面裂缝。由于散热时间延长，混凝土强度和松弛作用得到充分发挥，使混凝土总温差产生的拉应力小于混凝土的抗拉强度，防止了贯穿裂缝的产生。浇筑时间不长的混凝土，仍然处于凝结、硬化过程，水泥水化速度较快，适宜的潮湿条件可防止混凝土表面脱水而产生收缩裂缝。同时在潮湿条件下，可使水泥的水化充分、完全，从而提高混凝土的抗拉强度。

3.1.1.6衬砌浇筑完成后，为填塞衬砌背后水囊，封闭围岩裂隙，消除积水条件，固结破碎层，改善、恢复、提高岩石承载能力和抗渗

能力，迫使裂隙水向既有排水系统流动，先用1∶1水泥砂浆进行全断面压浆，再用1∶1水泥水玻璃防水材料进行全断面双液注浆，弥补砂浆空隙，以此来消除冰冻对衬砌结构的威胁和破坏。 3.1.2处理措施

3.1.2.1细微裂纹处理

这种裂缝较为稳定,一般可自愈,不会影响结构的使用和耐久性。从美观考虑,可先清洗干净裂缝表面,然后涂刷调好配合比的砂浆或混凝土原浆,最后用刮抹料、调色料处理混凝土表面,使其颜色与周围衬砌混凝土颜色一致。 3.1.2.2灌浆法

灌浆法主要适用于对结构整体性有影响或有防渗要求的混凝土裂缝的修补。它是利用压力设备将胶结材料压入混凝土的裂缝中，胶结材料硬化后与混凝土形成一个整体，从而起到封堵加固的目的。常用的胶结材料有水泥浆、环氧树脂、甲基丙烯酸酯、聚氨酯等化学材料。

3.1.2.3嵌缝封堵法

嵌缝法是裂缝封堵中最常用的一种方法，它通常是沿裂缝凿槽，在槽中嵌填塑性或刚性止水材料，以达到封闭裂缝的目的。常用的塑性材料有聚氯乙烯胶泥、塑料油膏、丁基橡胶等等；常用的刚性止水材料为聚合物水泥砂浆。 3.2衬砌渗漏水、结冰防治措施

本着“防、排、截、堵结合，刚柔相济、因地制宜、综合治理”和“以排为主，以堵为辅”的施工原则，施工中将衬砌背后的裂隙水从高处集中到低处，从拱部集中到墙脚，从多处集中到几处，在裂隙水较大的地段开凿降水点，通过环向排水管引排至仰拱深埋中心水沟中。衬砌渗漏水、结冰防治需从以下几方面加强： 3.2.1加强注浆作业

针对本项目项目环境特点，同时洞口段又是洞内气温较低的段落，设计要求洞口段500m范围，围岩根据不同地层和地下水发育情况进行径向注浆，以减小围岩空隙率，注浆深度按2m设计。

注浆设计及注浆参数：a.注浆孔按梅花型布置，孔口环向间距约180cm，孔底环向间距约250cm，纵向间距260cm。孔口管采用

φ50mm，壁厚3.5mm的热轧无缝钢管，孔口管应埋设牢固，并有良好的止浆措施。b.注浆材料采用水灰比为1：1的水泥浆。c.注浆压力：0.5～2.0MPa, 注浆前应进行现场注浆试验，根据实际情况调整注浆参数。 3.2.2加强防排水施工作业

初支面检查：为保证防排水设施不被损坏，施工中要严格检查初支面，确保初支面无凸起硬物（如：钢筋头、锚杆、注浆管等），一旦发现应及时切除并用砂浆填实封平。

环、纵向排水管：铺设土工布前先安装好环、纵向排水管，隧道环向采用φ80单壁打孔波纹管，纵向采用φ100纵向双壁打孔波纹管，排水管用土工布包裹，防止杂物堵塞孔道，并采用U型钢筋进行定位，防止后续作业中造成偏斜失去排水作用。

洞口500m范围内按5m/道设置，洞内500以上按8m/道设置，施工中根据台车长度与围岩段裂隙水大小灵活调整间距，以满足排水要求。

土工面铺设：采用专用热熔衬垫及射钉固定在喷射混凝土上，专用热熔衬垫及射钉按梅花型布置，拱部间距0.5～0.8m，边墙0.8～1.0m，基面凹凸较大处增加固定点，使缓冲层与基面密贴。土工布铺设要松紧适度，幅间搭接宽度大于10cm。

防水板铺设：采用自动爬行式热合机热熔焊接。铺设时应留有一定的松弛程度，保证全部面积均能抵到围岩，特别是在灌注拱部混凝土时不被挤破。防水板搭接缝应与变形缝、施工缝等防水薄弱环节错开1m以上，纵向搭接采用下部压上部搭接，环向搭接采用下坡方向压上坡方向搭接。防水板焊缝宽度不小于15mm，防水板搭接宽度须大于15cm。多层防水板焊接时，搭接部位的焊缝必须错开，不得有三层以上的接缝重叠。焊缝若有漏焊、假焊应予补焊，若有烤焦、焊穿、破顺处应及时补焊，补丁应剪成圆角，补丁边缘距破损边缘的距离不得小于7cm。防水板搭接接缝的焊接质量应按充气法检查（即密封性检查）。防水层的铺设位置应超前二次衬砌施工1～2模。

中埋、背贴止水带：本项目环向施工缝采用中埋式遇水橡胶止水带+背贴式遇水橡胶止水带，变形缝处采用中埋式遇水橡胶止水带+背贴式遇水橡胶止水带+聚硫密封胶+填缝料、沥青木丝板；止水带的安装必须在中部，预留一半，埋在衬砌混凝土里面一半，并确保止水带的安装外观成形质量圆顺，无破损，搭接长度达到设计要求。 3.3洞门墙开裂防治措施

为防止洞门墙、洞门帽沿开裂，洞门施工需放在气温暖和季节，施工前彻底清除洞门基础处的杂物至稳定岩面，施工中采取在混凝土表面增设防裂钢筋网片、严格定位控制结构钢筋保护层、加强混凝土施工振捣的方法以起到有效防裂作用。 3.4隧道内排水冻害防治措施

虽然中心水沟埋至仰拱下，但施工中保温措施不到位也将产生结冰冻胀的病害，施工中需从中心深埋水管预埋深度、回填碎石厚度、保温板安效果（10cm厚硬质聚氨酯保温板）装等方面严格控制，确保水沟有效排出衬砌后围岩裂隙水，且不在中心深埋水管中结冰。 4.结语

新建吉林至珲春铁路隧道工程已基本完工，通过项目针对以上寒冷地区隧道病害问题的研究和采取相应防治措施，经过三个冬天的考验，衬砌裂纹得到了有效防治，渗漏水、结冰病害未发生。总之，寒冷地区隧道病害成因错综复杂，既有地质、环境方面的客观因素，也有施工、设计方面的人为因素，相信随着多年铁路隧道施工经验数据的积累和新技术、新材料的不断研究，寒冷地区铁路隧道工程病害将得到有效控制。 参考文献

[1]杨昌贤，夏勇. 浅谈严寒地区隧道防排水设计[J]. 中国高新技术企业. 2012(01)

[2]彭林军，杨晓杰，陶毅，李术忱. 寒区铁路运营隧道渗漏水防治技术[J]. 西安科技大学学报. 2010(04)