嚴寒區域下穿隧道保溫型防排水施工技術的應用研究

張拓

摘要：嚴寒區域氣象條件惡劣，常導致隧道結構形成滲漏、混凝土剝落等凍害，為此研究嚴寒區域下穿隧道保溫型防排水施工技術非常必要。通過鋪設并焊接防水板作為防水層，采用雙層隔熱法設置保溫隔熱層，以排水溝、集水井和出水口組成排水系統，實現嚴寒區域下穿隧道保溫型防排水施工。實例結果表明：施工后隧道圍巖溫度較施工前上升了6.24℃，保溫效果較好，證明設計施工技術可以有效防止隧道發生凍害。

關鍵詞：嚴寒區域；下穿隧道；保溫型防排水施工；施工技術

0? ?引言

我國高海拔、高寒地區的地質復雜且環境惡劣，圍巖容易產生凍融凍脹等現象，從而引發鐵路隧道凍害問題愈發突出。為保障鐵路的運營安全，我國交通運輸部門每年都需要投入大量資源與精力來整治隧道凍害，耗資巨大。鑒于此，采取必要的措施，從源頭上解決嚴寒區域下穿隧道的凍害問題變得十分重要。

通常我國對已建或新建的隧道采取保溫與防排水措施，來解決隧道的凍融和滲漏水問題。根據相關研究成果發現，目前我國隧道保溫防排水工程中仍存在很多問題，如對隧道凍害理論掌握較少，常見保溫防排水措施適用范圍有限等。本文在搜集并整理相關嚴寒區域下穿隧道凍害資料的基礎上，深入研究一種下穿隧道保溫型防排水施工技術，以期為類似工程提供參考。

1? ?嚴寒區域下穿隧道保溫型防排水施工要點

1.1? ?鋪設和焊接防水板

我國相關規范要求，在進行嚴寒區域下穿隧道防水層施工時[1]，需要采用防、堵相結合的施工方式。簡單來說，就是先利用圍巖注漿技術，將隧道滲漏水的地方堵住，避免水滲流至隧道內影響后續防水效果，再通過鋪設防水板的方式形成隧道防水層。

1.1.1? ?防水板材料選型

防水板的材料直接關系到防水效果，本文綜合考慮防水性以及隧道運營期間的荷載作用，選用EVA防水板。該防水板不僅防水穩定性較好，而且具有較強的抗拉伸性。

1.1.2? ?鋪設土工布

在正式鋪設防水板之前，需要在隧道圍巖上鋪設一層土工布作為緩沖層，這不僅可以緩解隧道圍巖對防水板的壓力，而且可以對水中顆粒進行過濾，避免破壞防水板。

鋪設土工布時要確保土工布對稱且平整，由隧道中線位置出發，向拱部兩側開始鋪設，這樣不僅可以保障土工布的鋪設效果，而且可以提升后續防水板的鋪設質量。一般情況下，采用射釘將土工布以及防水板的墊圈一起固定在隧道圍巖平面上，如圖1所示。

1.1.3? ?防水板的鋪設

本文主要通過半自動鋪設臺車來輔助人工進行鋪設，從隧道拱頂的中線處開始，向隧道兩側拱腳進行鋪設。鋪設過程中，確保防水板平順且松緊適度，相鄰兩塊防水板之間的搭接處需整齊嚴密[2]。

1.1.4? ?焊接防水板

采用微波焊接技術將防水板固定在隧道圍巖上。微波焊接技術就是將墊圈表面鋼絲網進行熔化，在和防水板接觸面充分熔合后冷卻定形，以此實現牢固的連接。焊接時注意多塊防水板之間的焊縫應錯開，不能有三塊以上的防水板搭接在一起，防水板焊接如圖2所示。

在進行防水板焊接施工時，施工人員需一只手頂壓防水板，另一只手拿著焊接機焊槍，將防水板焊接在墊圈上，每一個焊縫的焊接時間為3s。在全部防水板焊接成功后，需要進行質量檢查工作。如果存在漏焊、假焊等現象，需要及時進行補焊。如果存在焊穿、燒焦等現象，需要更換防水板進行覆蓋修補。保證每一條焊縫寬度均勻且表面平整，檢查無誤后進入下一道工序。

1.2? ?設置保溫隔熱層

嚴寒區域下穿隧道圍巖會因凍融、凍脹等現象導致隧道凍害的形成，所以在做好隧道防水層施工后，需要設置保溫隔熱層[3]。

1.2.1? ?保溫層設置方法

針對嚴寒區域下穿隧道施工的實際要求，本文采用雙層隔熱法進行保溫層的設置，簡單來說就是在隧道二次襯砌的內外兩側分別鋪設一層保溫材料，以保障隧道的保溫效果。雙層隔熱法如圖3所示。

1.2.2? ?推算出隧道保溫層的厚度

根據隧道的融化深度推算出隧道保溫層的厚度，其計算公式如下所示：

（1）

式中，h表示嚴寒區域下穿隧道保溫隔熱層的厚度；α表示隧道圍巖的導熱系數；T表示隧道內的年平均溫度；δ表示常數，由隧道內年最高溫度和最低溫度做差獲得；D表示科士威常數；P表示隧道圍巖土體的密度；Q1表示隧道圍巖中的含水量；Q2表示隧道圍巖在凍融現象下的未凍水量。

1.2.3? ?保溫材料的選取

本文針對嚴寒區域下穿隧道的實際地質條件與施工要求，選擇聚酚醛泡沫作為保溫隔熱層的材料[4]。該材料具有緩沖性小、耐熱性能好等優勢，完全滿足嚴寒區域下穿隧道保溫層的施工要求。

1.2.4? ?注意事項

分別在隧道防水層與二次襯砌之間、二次襯砌和襯套之間，按照式（1）所求厚度，將聚酚醛泡沫以外貼式的方式設置在隧道上。與此同時，綜合考慮嚴寒區域下穿隧道長度、隧道內外溫差以及風速風向等因素，需要在隧道洞口段一定范圍內，保留保溫隔熱層的設防長度，一般為600m左右。至此隧道的保溫隔熱層施工完成，做好檢查工作后進行下一道工序。

1.3? ?排水系統施工

1.3.1? ? 排水系統施工的重要性

無論是降雨還是地下水，都會對下穿隧道結構造成影響。嚴寒區域下隧道圍巖性能穩定性較差，如果遇到降雨天氣或者地下水將會發生滲漏。排水系統可以保證隧道內排水暢通，避免水分堆積破壞防水層[5]，所以為確保隧道整體結構的穩定，需要做好排水系統的施工。

1.3.2? ?設置排水溝

設置排水系統時，需要綜合考慮隧道襯砌不滲水、道床不浸水以及襯砌背后不積水這幾個原則。本文設置一個由排水溝、集水井和出水口組成的排水系統。

為有效疏導隧道襯砌背后的積水，需要在隧道設置排水溝，將襯砌背后積水引至集水井。在本文設計的排水系統中，將排水溝設置在凍土層之下，這樣不僅可以避免因天氣寒冷造成排水溝內水流結冰，影響排水系統的排水效果，且可以防止排水溝內水流到道床上，因水結冰而威脅行車安全。

一般來說，隧道排水溝需要設置橫向、縱向以及環向這3種排水管，綜合考慮嚴寒區域的實際地質條件。選擇單壁打孔波紋管作為排水管，沿下穿隧道兩側，先分段開挖土方形成底部排水溝，再將波紋管設置在排水溝中，用于引水。波紋管主要為承插式，需要采用橡膠圈將多節波紋管進行密封，同時采用PE板窄條和長水泥釘將波紋管錨固在隧道圍巖上，然后進行土方回填至管頂。

1.3.3? ?設置集水井

集水井顧名思義主要用于收集排水溝排出的水。需要在下穿隧道兩側每100m就設置一個集水井，便于分段的排水溝將水引至集水井。為確保隧道洞口的水可以順利排出，需要在洞內反坡排水時進行集水井的設置，并在隧道實際運營期間，通過污水泵與抽水機將集水井內積水抽出。

1.3.4? ?設置出水口

出水口主要負責將隧道內水排出洞外，所以出水口一般設置在下穿隧道的背風、向陽以及坡度較大的跌水處，并采用原包頭式出水口。鑒于排水口設置在隧道外，需要做好防凍措施。綜上，本文以防水板為主設置隧道防水層，并輔以保溫材料設置隧道的保溫隔熱層，最后通過完整的排水系統，保障隧道排水通暢，以此實現了嚴寒區域下穿隧道的保溫型防排水施工。

2? ?實例應用

2.1? ?工程概況

某鐵路隧道位于我國青藏高原東北部，是青藏高原周邊城市的重點基礎設施工程之一。該隧道全長980m，海拔2765m，由于隧道所處地理位置海拔較高，其地質條件與水文條件極其復雜，隧道上覆淤泥質土、粉質黏土以及卵石土，周圍巖漿活動頻繁且強烈，巖石呈斷裂發育。

隧道所處地區屬我國高原寒冷氣候帶，年平均氣溫在0℃以下，導致隧道結構出現中等程度的凍脹破壞，且該地區長年多雨，隧道滲漏水問題嚴重。因此，需要采用本文設計施工技術對該隧道進行保溫防排水施工。

2.2? ?應用效果分析

2.2.1? ?主要儀器選型

在隧道保溫型防排水施工結束后，為驗證本文設計施工技術的正確性，對隧道溫度進行監測，根據隧道圍巖的溫度，來判斷本次施工的保溫效果。表1為本次隧道測溫使用的主要儀器。

2.2.2? ?溫度監測

在隧道圍巖上不同高程位置處布置測溫孔，如圖4所示。然后由專人對隧道的圍巖溫度進行觀測。為避免極值溫度影響監測結果，每隔3h進行一次測溫并記錄，最后對比日平均值，對比結果如表2所示。

2.2.3? ?數據分析

根據表2數據可知，該隧道未進行保溫型防排水施工時，隧道圍巖各測點處平均溫度為-6.4℃。分析認為，此時隧道圍巖易發生凍融與凍脹現象，導致圍巖松動、變軟，從而影響隧道整體結構，不僅會滲漏水，且隧道整體結構可能會下沉。

在進行保溫型防排水施工后，隧道圍巖各測點處平均溫度為-0.16℃，較施工前上升了6.24℃。分析認為，此時隧道圍巖固定牢靠，不僅不易剝落，而且不會因冷熱交換而發生滲漏等凍害。由此可以說明，本文設計的保溫型防排水施工技術可行可靠，于嚴寒區域下穿隧道較適用，可以有效避免隧道凍害的形成。

3? ?結束語

本文以嚴寒區域下穿隧道保溫型防排水施工技術的應用研究為課題，針對嚴寒區域下穿隧道所處地質環境復雜、氣候條件惡劣等特點，設計一種由防水板、保溫層及排水系統構成的保溫型防排水施工工藝，并通過實例應用驗證了設計施工技術的有效性，有效解決了我國嚴寒區域下穿隧道易凍害的問題。

在本次研究中既有成功經驗也有一定不足之處，如文中主要針對施工工藝進行了詳細研究。今后應該開發出一套適用于嚴寒區域施工的成套施工機械設備，以此提升隧道施工效率，并為類似工程提供借鑒。

參考文獻

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