高原季节性冻土地区隧道施工防寒保温技术.pdf

・隧道／地下工程・高原季节性冻土地区隧道施工防寒保温技术谢江胜（中铁二十局集团有限公司陕西西安７１００１６）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。关键词季节性冻土隧道保温综合技术中图分类号ｕ４５５文献标识码Ｂ———文章编号１００９４５３９（２０１５）０９００２２０５Ｃｏｌｄ－ｐｒｏｏｆａｎｄＨｅａｔ’ＰｒｅｓｅＩｖａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｂｒＴｕｎｎｅｌＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｉｎＰｌａｔｅａｕＳｅａｓＯｎａｌＦｒｏｚｅｎＳｏｎＡｒｅａＸｉｅＪｉａｎｇｓｈｅｎｇ（ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙ２０山Ｂｕｒｅａｕ“Ｇｍｐ’Ｃｏ．Ｌｔｄ．，ＸｉａｒＩＳｈａｎｘｉ７１００１６，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＢａｓｅｄｏｎｔｈｅｃｏｎｓｔｍｃｔｉｏｎｐｍｃｔｉｃｅｓｏｆＱｉｌｉａｎＭｏｕｎｔａｉｎＴｕｎｎｅｌａｎｄＤａｌｉａｎｇＴｕｎｎｅｌｉｎ—ＬａｎｚｈｏｕｘｉｎｊｉａｎｇＨｉｇｈ・ｓｐｅｅｄＲａｉｌｗａｙ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｅｘｐｏｕｎｄｓｔｈｅｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｓｃｈｅｍｅｓ，ｔｈｅｍａｉｎｔｅｃｈｎｉｃａｌｐｏｉｎｔｓａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆ—ａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｄｏｕｂｌｅｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｌｉｎｉｎｇｆｂｒｔｕｎｎｅｌ，ｃｏｌｄ・ｐｍｏｆｄｉｓｃｈａｒｇｅｔｕｎｎｅｌ，ｈｅａｔｐｒｅｓｅｎｒａｔｉｏｎｓｉｄｅｄｉｔｃｈａｎｄｔｈｅｈｅａｔｉｎｇｃａｂｌｅｉｎｐｌａｔｅａｕｓｅａｓｏｎａｌｆｒｏｚｅｎｓｏｉｌａｒｅａ．Ｔｈｅｎｉｔｐｕｔｓｆｏｒｗａｒｄｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓｆｏｒｔｕｎｎｅｌ—ｃｏｌｄｐｒｏｏｆａＩｌｄｈｅａｔ“ｐｒｅｓｅｒｖａｏｎｍｅａｓｕｒｅｓ，ｗｈｉｃｈｃａｎｐｍｖｉｄｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓｆｏｒｓｉｍｉｌａｒｐｒｏｊｅｃｔｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｓｅａｓｏｎａｌｆｒｏｚｅｎｓｏｉｌ；ｔｕｎｎｅｌ；ｈｅａｔｐｒｅｓｅｒｖａｔｉｏｎ；ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，工程概况需墓誓蒹毒器新建兰新高铁祁连山隧道、大梁隧道地处青藏高是地下水遇负温冻结。原东北缘，位于３５００～４３００ｍ祁连山中山区，是目防寒保温是高寒地前世界海拔最高的高铁隧道。隧址处属高原大陆性区隧道施工的一项关键℃℃气候，年平均气温１．８，极端最低气温一３１．５，最技术，是防止季节性冻大冻结深度２３０ｃｍ，全年除７月、８月外均为降雪期，土（岩）反复冻融、暖季图１祁连山隧道自然条件见图１。其中祁连山隧道长９４９０ｍ，采用一２０％淖面漏水、寒季挂冰、冰漫道床、排水系统冻结等的重要下坡；大梁隧道长６５５０ｍ，采用＋６％。、一９％。的人字手段，避免隧道衬砌混凝土产生冻胀开裂、酥碎、剥形坡；最大开挖断面达１８６．９８ｍ２；两座隧道均地下水‘落等冻胀病害２【。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１０５１２３ｍ，／ｄ。２防寒保温总体技术方案‘高原季节性冻土地区隧道１。与普通隧道有较高寒地区季节性冻土隧道地下水产生季节性大的区别，其地下水会发生季节性冻融现象，对隧冻融、冻胀变化作用，造成的周期性的加载、卸载作—‘—磊百五ｉｉ＝－ｉ一用将对隧道主体结构尤其是洞口段的支护措施、衬篡釜最。百：青海省科技计划项目（２０１１一Ｊ．１１ｌＡ）砌结构、防排水体系造成破坏，进而影响运营期间２２铁道建筑技术ＲＡｌＬＷＡＹｃｏＮＳＴＲＵｃＴｌｏＮＴＥｃＨＮＯＬＯＧＹ２０１５《９１万方数据・隧道／地下工程・的安全性及结构的寿命。工中，仅靠设计钢筋承担防水保温层重量，刚度不为了避免隧道冻胀病害的发生，在祁连山隧道能满足要求，易造成拱顶脱空、下沉等现象，使得防和大梁隧道的洞口段均采取了防寒保温综合技术水保温层极易侵人二次衬砌净空，导致混凝土厚度措施，其具体方案主要有以下几个方面：不足等质量缺陷。针对祁连山隧道和大梁隧道建２．１保温衬砌设的工程实际，进行了防水保温衬砌工艺改造，综祁连山隧道进口段及大梁隧道进、出口段均位“合采取胶粘＋纵向钢丝崩挂＋环向安装钢架支顶于浅埋及断层破碎带，采取双层保温衬砌结构支”法无钉铺设防水保温层施工工艺，有效地解决了护，结构形式为：初期支护＋模筑混凝土３０ｃｍ＋防防水保温层侵入二次衬砌净空的难题，取得比较满水板＋保温层５ｃｍ＋防水板＋二次衬砌，模筑支护意的效果，保证了施工质量。完成后至少经历一个年度的冻融期后施工二次衬３．１．１工艺原理砌。其中祁连山隧道进口端保温衬砌１８００ｍ，大梁通过粘结剂粘结，并采用纵向崩钢丝顶挂防水隧道进口、出口端分别为７５０ｍ、７８０ｍ。保温层、环向钢筋支撑改为１１２型钢措施，从而增加２．２侧沟保温及伴热电缆对防水保温层的承载力，避免了因保温层挤压而改在隧道进出口段均采用双侧侧沟保温设置。变原有二次衬砌钢筋的受力特点和二次衬砌净空设置范围为大梁隧道进出口的洞口段２０００ｍ，祁连不达标的现象发生。山隧道进出口洞口段１０００ｍ。３．１．２防水保温层结构形式在海拔相对较低的祁连山隧道出口段，在双侧侧初支喷混凝土＋模筑支护（３０ｃｍ）＋防水保温沟内洞口段ｌ０００∞ｍ范围内布设保温伴热电缆Ｊ。隔热层（分离式防水板＋保温层５ｃｍ＋防水板）＋２．３保温中心水沟二次衬砌，防水板及保温隔热层位于模筑支护与二在隧道进出口段均采用中心水沟保温设置。次衬砌之间，沿隧道全断面铺设。设置范围为大梁隧道进出口的洞口段２０００ｍ，祁连无纺布请没予燃面，无纺布采用大于４００ｇ／者山隧道进出口洞口段１０００ｍ。的土工布，具有良好的过滤和排水功能，良好的耐２．４防寒泄水洞穿刺性、耐水性、耐腐蚀性和耐菌性，并具有一定的根据地下水发育情况和隧道的坡度设置等因强度、抗变形能力和一定的阻燃性能。素，沿着隧道线路走向，在隧道洞口段的正洞下方防水板要具有一定的抗拉裂能力及抗化学侵蚀、设置１５００一２０００ｍ的防寒泄水洞Ｈ。５Ｊ。地下水侵入影响等能力，同时要能承受微小的沉降和隧道二次衬砌背后的地下水经纵环向盲管汇收缩，并方便施工操作。第一层厚度为１．５ｒ砌，第二层至侧沟及中心水沟，再利用侧沟和中心水沟检查井厚度为１姗，采用肌～懒（乙烯一醋酸乙烯板），内的竖向孔排至泄水洞，最后排出洞外。密度ｐ＝０．９２ｇ／ｍ２，其余指际满足防水板的性能要求。３防寒保温措施主要技术要点轮廓嚣罂篡黧霉翥裟３．１双层保温衬砌∞Ａ＜０．ｗ／ｍ・ｋ；抗压强度，拱墙部位＞０．３胁，基为防止隧道所处高寒地区围岩冻融循环破坏底部位＞０．５胁；体积吸水率＜３％，自重＞６０∥ｌｍ３，衬砌结构，确保高海拔大断面隧道防水保温衬砌质≥弹性模量Ｅ７～１０胁，老化寿命＞５０年，具有一定量，在祁连山隧道进口和大梁隧道进、出口段均设弹性，具低毒性。“置了模筑混凝土＋防水保温层＋二次衬砌混凝３．１．３防水保温层施工工艺”土双层保温衬砌结构。防水保温层施工采用防水保温层粘贴与钢架由于原设计参照单线铁路小断面隧道考虑防支顶相结合的施工工艺，见图２。水保温材料自重相对较轻的参数，是在模筑混凝土３．１．４施工顺序“表面直接安装土工布＋防水板＋保温板＋土工布清理模筑支护混凝土表面＿清扫模筑表面灰尘、”＋防水板５层结构材料。然而，在特大断面隧道施水渍－÷安装盲管－＋在模筑支护表面上涂抹环氧树脂铁道建篱技术ＲＡｆＬＶ队ｙＣｏ￣ｓ丁开ＵＣ丁『Ｏ～丁￡．ＣＨ『ｖ０ＬＯＧｙ２Ｄ７５ｆ９Ｊ２３万方数据・隧道／地下工程・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＿根据二次衬砌台车长度（纵向每１２ｍ或９ｍ一循环），一端在已施工图２防水保温层施工二次衬砌、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一涂抹胶粘剂、无钉铺设第二层防水板＿÷每２ｍ安装环向钢架支顶。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２５ｃｍ×４０ｃｍ（高×宽）及４０ｃｍ×４０ｃｍ（高×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６ｏ，设置范围为正洞洞口ｌｋｍ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。！量薹壑墨旦！！里壁隧道中心■—Ｃ３５钢筋混凝土盖板＼一聚氨酯保温材料∥徽盛鲨凌綦签２根伴热电缆／隆面秀乏＝＝间距１５ｃｍ２号盖板采用５ｃ厚浸油木盖板享蔫甏＼聚乙烯保温材料，厚６ｃｍ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０．２５℃Ａ／ｍ（一１０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（２）防潮层：防潮层需搭接适度，厚薄均匀，完整中心水沟采用混凝土预制管，内径６０ｃｍ，壁厚严密，无气孑Ｌ，无鼓泡或开裂等缺陷。作为保温层绝６ｃｍ。在隧道进、出口端正洞中心水沟均设置ｌ０００ｍ热重要的一层，应具有阻燃、防水、防蒸汽渗透及抗老长的保温措施。保温结构采用在中心水管外包裹一化等性能，施工中采用涂刷一层沥青作为防潮层。层６ｃｍ厚的保温结构，并由内至外施作保温层、防（３）保护层：铝皮是保温结构的外保护层，应具潮层和保护层。有防水、防湿、抗腐蚀、足够的机械强度和使用寿命（１）保温层：采用６０ｍｍ厚聚乙烯泡沫，保温层长等特点，其接缝处应处理严密。接缝处采用专用包扎带包扎，确保绝热效果。采用保温设置的中心水沟段，检查井也进行保２４铁道建筑技术只ＡｆＬ眦ＡｙＣＯＮＳ丁尺ＵＣ丁『Ｏ～丁￡＿ＣｌＨ～ＯＬＯＧｙ２Ｄ７５ｆ９Ｊ万方数据・隧道／地下工程・温设计，采用双层盖板＋填充保温材料。上层盖板采用８ｅｍ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１５００“ｍ，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２２０ｃｍ×２５０ｃｍ（高×宽），泄水洞内纵向每隔２５０ｍ设置一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根叫００ｔ砌ＰｖＣ波纹管泄水竖孑Ｌ将正洞与泄水洞相连通，并及时引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孑Ｌ，安设由８０ｍｍ打孔波纹管，长６一１０ｍ，纵、环向间距１ｍ，用于排泄周边Ⅳ围岩的地下水。防寒泄水洞断面较小，级、Ｖ级围岩Ⅲ采用预留核心土风镐开挖、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，巾５０ｃｍ通风管压人式通风。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；力口热措施主要为没置伴热电缆。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，并设置铁道建笥技术ＲＡｆＬＷＡｙＣ０～Ｓ丁开ＵＣ丁『Ｏ～丁Ｅ－ｃｌＨ～０ＬＯＧｙ一定数量的泄水洞横通道（垂直正洞走向），利用竖向孑Ｌ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：（１）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。（２）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。（３）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。（１）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，并加大竖向孑Ｌ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人泄水洞中，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。２Ｄ７５ｆ９Ｊ２５万方数据・隧道／地下工程・（２）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。（３）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¨Ｊ，防止冻害波及正洞。（４）在高寒地区，在隧道设计时应在隧道供电系统和洞口段洞内综合洞室设置方面应留有富余空间，为后期伴热电缆等措施增设创造条件。（５）因高原高寒地区早晚及阴阳面气温差距较大，洞口保温措施的设计长度应充分调查论证。如祁连山隧道保温段长度建议调整为２０００ｍ。参考文献［１］杨旭，严松宏，马丽娜．季节性冻土区隧道温度场分析—与预测［Ｊ］．隧道建设，２０１２（２）：５７６０．［２］张德华，王梦恕．青藏高原永久冻土区隧道施工新技术—［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００４，２３（２４）：４２３４４２３７．［３］谢红强，何川，李永林．寒区公路隧道保温层厚度的相变温度场研究术［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００７，２６—（ｓ２）：４３９５４４０１．［４］翟大勤，贾翔军，张铮．高海拔寒冷地区隧道施工防冻涨—技术研究［Ｊ］．西部探矿工程，１９９９，１１（Ｓ１）：１１５１１８．［５］王先义，徐小涛．对寒区隧道防寒泄水洞的一些探讨［Ｊ］．水利与建筑工程学报，２０１３，１１（３）：１２７一１３１．［６］张长国，喻岩．新型的管道防冻一电伴热保温施工技—术［Ｊ］．国防交通工程与技术，２００５（２）：６１６３．［７］中华人民共和国铁道部．铁建设［２０１０］２４１号高速铁路隧道工程施工技术指南［Ｓ］．北京：中国铁道出版—社，２０１１：１２７１２９．［８］赖远明，吴紫汪，张淑娟，等．寒区隧道保温效果的现—场观察研究［Ｊ］．铁道学报，２００３，２５（１）：８１８６．欢迎订阅２０１６年度铁道建筑技术（月刊）■主管、主办单位：中国铁道建筑总公司■中国科技核心期刊、中国科学引文数据库来源期刊、中国学术期刊综合评价数据库来源期刊、中国学术期刊（光盘版）入编期刊、中国科技期刊网入网期刊、万方数据（ｃｈｉｎａｌｎｆ０）一数字化期刊群入网期刊、《Ｃ刖一ｃＤ规范》执行优秀期刊、铁道部优秀科技期刊、全国性土木工程交通工程实用技术杂志，首都广告行业精神文明先进单位■标准刊号：ＩｓｓＮ—１００９４５３９ＣＮ１卜３３６８／ＴＵ■发行方式：国内自办发行（联系本社订阅）；国外邮发代号：Ｍ３６１７。国内每期定价１２．５０元，全年价格１５０．００元；国外每期定价￥１２．５０，全年价格￥１５０．００主要内容铁路、公路、桥梁与结构工程、隧道与地下工程、水利工程、岩土工程、房屋建筑、工程机械、工程爆破、工程材料、交通工程抢修、工程管理等方面的科技成果、先进技术和经验；本行业的产业政策、法规、规范；相关领域的最新动态、信息等主要栏目桥涵工程、隧妙地下工程、线路／路基、四电工程、轨道工程、岩土工程、房建工程、市政工程、建筑材料、工程测量、管理、设备／仪器、其他等读者对象铁道、交通、建筑、水电、冶金、有色、煤炭、城建、市政、地矿等部门从事相关专业的勘测、设计、施工、科研等工作的技术、管理人员及相关专业的院校师生地址：北京市大兴区康庄路９号杂志社邮编：１０２６００电话：（０１０）５３２７１７７３联系人：杨超网址：ｈｔｔｐ：／／、佃ｍｒ．ｒｃｔｅｃｈ．ｃｏｍ．ｃｎ杂志社微信公众号：ｔｉｅｄａｏｊｉａｎｚｌｌｕｊｉｓｈｕＺｚＥ－ｍａｉｌ：ｔｄｊｚｊｓ＠１６３．ｅｏｍ户名：《铁道建筑技术》杂志社“”账号：０２０００１１４０９０２４６１５２４３（请注明期刊费）开户行：中国工商银行股份有限公司北京大兴支行铁道建筑技术ＲＡｌＬｗＡＹｃＯＮＳＴＲＵＣｌ、ｏＮＴＥＣＨＮｏＬＣ坞Ｙ２０１５１９ｌ万方数据