鄭 波, 吳 劍, 陳建平

(1. 中鐵西南科學(xué)研究院有限公司， 四川 成都 611731； 2. 中鐵八局集團(tuán)有限公司， 四川 成都 610036)

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寒區(qū)隧道洞口襯砌開裂和道床冰害原因分析及整治

鄭 波1, 吳 劍1, 陳建平2

(1. 中鐵西南科學(xué)研究院有限公司， 四川 成都 611731； 2. 中鐵八局集團(tuán)有限公司， 四川 成都 610036)

為解決寒冷地區(qū)隧道內(nèi)部產(chǎn)生的冰害問題，以東北地區(qū)某鐵路隧道為例，采用綜合分析的方法，對(duì)案例隧道洞口襯砌開裂、滲水以及道床冰害產(chǎn)生的原因進(jìn)行研究，并提出相應(yīng)的整治措施。研究結(jié)果表明： 1)隧道洞口圍巖襯砌開裂主要由圍巖凍脹力引起，采用噴涂保溫層+防火砂漿的保溫措施以及錨桿補(bǔ)強(qiáng)和裂縫嵌補(bǔ)的結(jié)構(gòu)措施可以有效避免襯砌的開裂； 2)引起道床冰害的洞內(nèi)水主要來源于洞口路塹的積雪融化水和仰拱局部滲水，采用雙側(cè)水溝布設(shè)電加熱設(shè)施、洞口道床底部設(shè)置小型擋水壩并加設(shè)橫向電加熱設(shè)施和進(jìn)口路塹位置及路堤零填段設(shè)置擋雪設(shè)施的措施可以有效解決道床冰害問題。

鐵路隧道; 凍脹力; 襯砌開裂; 道床冰害; 保溫措施； 電加熱設(shè)施

0 引言

在我國(guó)西北和東北等高緯度嚴(yán)寒地區(qū)，鐵路隧道襯砌開裂、滲水以及道床冰害等現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響隧道的正常運(yùn)營(yíng)安全，特別是近年來，隧道襯砌開裂、滲水及道床冰害等問題不斷增加。目前，在圍巖凍脹理論方面已有大量的研究成果，張德華等[1]采用彈性力學(xué)的方法提出了襯砌所受凍脹力的彈性解析解；王建宇等[2]針對(duì)巖石隧道襯砌背后空洞內(nèi)的積水空間和土質(zhì)隧道所含的均勻水體，分別提出了巖石隧道和土質(zhì)隧道凍脹力的理論計(jì)算公式；張祉道等[3]在北川修山等人的研究基礎(chǔ)上，建立了凍脹力的彈簧分析模型，并給出了相應(yīng)的計(jì)算公式；文獻(xiàn)[4-5]提出了凍脹力的三維約束凍脹模型和計(jì)算方法；黃繼輝等[6]在考慮圍巖不均勻凍脹性的情況下推導(dǎo)了寒區(qū)隧道凍脹力的解析解；夏才初等[7]對(duì)巖石凍脹率的計(jì)算公式進(jìn)行了修正，并推導(dǎo)了巖體凍脹率的計(jì)算公式。在凍脹力引起隧道襯砌開裂及整治措施方面也有大量的研究成果，例如： 師亞龍等[8]研究了含水量對(duì)圍巖凍結(jié)圈范圍的影響以及凍脹力對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)體系的影響；吳劍等[9]以準(zhǔn)朔鐵路梁家坪2號(hào)隧道為例，針對(duì)季節(jié)性凍土地區(qū)的隧道凍害，提出了錨固、注漿和掛網(wǎng)噴混凝土的襯砌開裂整治措施；翟正平[10]針對(duì)高寒地區(qū)亮馬臺(tái)隧道春融期的滲漏水結(jié)冰情況，提出了U型槽導(dǎo)水+嵌入隔熱材料的整治措施；祝安龍[11]認(rèn)為季節(jié)性凍土區(qū)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分認(rèn)識(shí)凍脹力的大小、采用合理的凍脹力計(jì)算方法；張恒[12]以東北大興安嶺地區(qū)的伊敏至伊爾施鐵路隧道為例，提出了更換襯砌和增加保溫層的治理方案；潘紅桂等[13]以內(nèi)蒙古集包鐵路某隧道為例，提出了注漿與加熱保溫相結(jié)合的綜合整治技術(shù)；楊旭等[14]研究了季節(jié)性凍土區(qū)吐庫(kù)2線中天山隧道溫度場(chǎng)的變化規(guī)律及防寒保溫參數(shù)。

我國(guó)現(xiàn)行的公路隧道和鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)凍脹力均有規(guī)定： 最冷月份氣溫低于-15 ℃地區(qū)的隧道應(yīng)考慮凍脹力，凍脹力可根據(jù)當(dāng)?shù)刈匀粭l件、圍巖冬季含水量及排水條件等確定[15-16]。但該條文僅做了原則性的規(guī)定，缺乏必要的計(jì)算分析方法和具體指導(dǎo)，缺乏可操作性?？傮w來說，目前關(guān)于隧道工程凍脹力的計(jì)算理論和設(shè)計(jì)規(guī)范均不夠成熟，不能滿足國(guó)內(nèi)寒區(qū)隧道的設(shè)計(jì)需要；對(duì)于凍脹力引起襯砌開裂的原理認(rèn)識(shí)不夠深刻，導(dǎo)致采取的措施不完全是對(duì)癥下藥，出現(xiàn)了許多不必要的整治措施費(fèi)用支出。本文以東北地區(qū)某鐵路隧道為例，采用綜合分析的方法，對(duì)隧道襯砌開裂、滲水以及道床冰害產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的病害整治措施，以期為類似地區(qū)隧道設(shè)計(jì)和病害整治提供參考。

1 工程概況

依托工程隧道起點(diǎn)里程為DK380+130，終點(diǎn)里程為DK385+600，全長(zhǎng)5 470 m，為單線隧道，隧道最大埋深約為140 m。隧道進(jìn)口段路塹為上坡，坡率為1‰； 洞外DK380+100至洞內(nèi)DK380+500為下坡，坡率為4.2‰； DK380+500至隧道出口為下坡，坡率為4.5‰。DK380+330～+420隧道洞頂為某一級(jí)重載公路的填方路堤，交叉段隧道洞頂最大埋深為13.5 m，最小埋深為10.4 m，路基填土高度為2.5～3.2 m。DK380+130～+230段為明洞襯砌，DK380+230～+500段為Ⅵ級(jí)圍巖復(fù)合式襯砌。DK380+130～+500段的圍巖等級(jí)為Ⅵ級(jí)。地質(zhì)情況從上至下依次為： 細(xì)、中礫砂，潮濕-飽和，為松散結(jié)構(gòu)；粉質(zhì)黏土，為松軟結(jié)構(gòu)；安山巖，全-強(qiáng)風(fēng)化，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，呈角礫狀松散結(jié)構(gòu)，含第四系孔隙潛水和基巖裂隙水。根據(jù)勘探和地質(zhì)資料可知，隧道區(qū)域主要為單斜構(gòu)造，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，無(wú)不良地質(zhì)構(gòu)造。圍巖原狀土含水量為20.9%，飽和原狀土含水量為22.4%，含水量較大，圍巖基本趨于飽和狀態(tài)。隧道進(jìn)口段地質(zhì)剖面如圖1所示。DK380+130～+350段基巖裂隙水的滲透系數(shù)為1.0 m/d，正常涌水量為1 290.7 m3/d，最大涌水量為2 581.3 m3/d；DK380+350～+500段基巖裂隙水的滲透系數(shù)為0.03 m/d，正常涌水量為74.1 m3/d，最大涌水量為148.2 m3/d。

圖1 隧道進(jìn)口段地質(zhì)剖面圖Fig. 1 Geological profile of tunnel portal section

隧道防水等級(jí)為一級(jí)，明洞襯砌和Ⅵ級(jí)圍巖復(fù)合式襯砌采用C35鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土抗?jié)B等級(jí)為P10。隧道進(jìn)口500 m范圍內(nèi)，隧道兩側(cè)設(shè)置保溫水溝，在其2層蓋板間填充約厚40 cm的保溫材料。在拱墻部位的二次襯砌和初期支護(hù)間設(shè)置φ50 mm的環(huán)向深埋保溫盲溝，邊墻墻腳處設(shè)置φ80 mm的縱向盲溝，并采用保溫板覆蓋，環(huán)向和縱向盲溝與洞內(nèi)的側(cè)溝相連，盲溝水由側(cè)溝排出。隧道防排水設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2 隧道防排水設(shè)計(jì)方案Fig. 2 Design of waterproof and drainage of tunnel

隧址區(qū)處于內(nèi)蒙古大草原，冬季漫長(zhǎng)而寒冷，風(fēng)雪天氣較多。年平均氣溫為2 ℃，冬季平均氣溫為-20 ℃；最低溫度為-36 ℃，極端最低氣溫為-39.4 ℃，極端氣溫年較差約為60 ℃； 每年10月底或11月初日平均氣溫開始處于0 ℃以下，次年4月初開始上升到0 ℃以上，每年凍結(jié)期約為5個(gè)月。現(xiàn)場(chǎng)鉆孔實(shí)測(cè)凍結(jié)深度為3.3～3.5 m。

2 病害情況

在冬季停工期間，采用被褥堵塞洞口，2013年以前未發(fā)生襯砌開裂和洞內(nèi)道床冰害的現(xiàn)象。2013年3月首次出現(xiàn)了隧道進(jìn)口段邊墻襯砌開裂和洞內(nèi)道床冰害的現(xiàn)象，隧道洞口段地面(未鋪軌)約200 m范圍內(nèi)出現(xiàn)了大面積結(jié)冰，冰層最大厚度約為1 m，兩側(cè)邊墻上出現(xiàn)了若干縱向、水平細(xì)微的裂紋，截至2013年底，裂縫沒有明顯發(fā)展。2013年3月隧道洞口結(jié)冰情況如圖3所示。

(a)

(b)

2014年3月進(jìn)場(chǎng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)隧道洞口段道砟面和軌道上約220 m范圍內(nèi)出現(xiàn)了大面積積冰，部分地段冰面高度超過軌頂標(biāo)高。在DK380+240～+282段隧道兩側(cè)邊墻上出現(xiàn)了明顯的縱向水平裂縫，裂縫寬度約為10 mm，部分襯砌裂縫表面出現(xiàn)了錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象，最大錯(cuò)臺(tái)長(zhǎng)度約為5 mm，隨著氣溫升高裂縫出現(xiàn)了收縮現(xiàn)象。2014年3月隧道洞口道床結(jié)冰情況如圖4所示。

2015年3月22日，出現(xiàn)了與2013年和2014年類似的冰害情況。路面結(jié)冰范圍約為230 m，冰面高度超過水溝電纜槽蓋板頂面20～50 cm，邊墻水平裂縫的數(shù)量、寬度和長(zhǎng)度均有不同程度的發(fā)展，冰凍期裂縫處無(wú)水無(wú)冰，解凍期個(gè)別裂縫出現(xiàn)滲水和掛冰現(xiàn)象。2015年3月隧道洞口結(jié)冰情況如圖5所示。

(a)

(b)

(a)

(b)

截至2015年4月，隧道進(jìn)口段共有21條凍脹裂縫，其中右側(cè)邊墻12條，主要位于DK380+216～+312；左側(cè)邊墻5條，主要位于DK380+235～+388。隧道襯砌最大裂縫寬度以及裂縫分布情況如圖6所示。邊墻襯砌開裂現(xiàn)場(chǎng)照片如圖7所示。裂縫主要表現(xiàn)為縱向裂縫，與水溝蓋板頂面的距離為2～4 m。

(a) 右側(cè)邊墻

(b) 左側(cè)邊墻

圖上的數(shù)據(jù)代表最大裂縫寬度,mm。

圖6 隧道襯砌最大裂縫寬度及裂縫分布情況
Fig. 6 Distribution of tunnel lining cracks and maximum crack width

(a)

(b)

左側(cè)邊墻裂縫集中出現(xiàn)在DK380+235～+270段和DK380+305～+342段，其均為Ⅵ級(jí)圍巖復(fù)合式襯砌，其中DK380+316～+342段的裂縫為2015年新增裂縫。在DK380+384～+388段局部出現(xiàn)了1條寬2 mm、長(zhǎng)3.8 m的縱向裂縫。

右側(cè)邊墻的裂縫集中出現(xiàn)在2個(gè)區(qū)域，即DK380+240～+283段和DK380+282～+312段，其均為Ⅵ級(jí)圍巖復(fù)合式襯砌。在DK380+216～+235段和DK380+294～+305段出現(xiàn)多條新增裂縫，新增裂縫區(qū)域均為此前裂縫密集區(qū)域。左右兩側(cè)邊墻裂縫具有一定的對(duì)稱性。

2015年4月以后，由于氣溫升高，部分邊墻裂縫處出現(xiàn)了滲水現(xiàn)象，如圖8所示。其中某處的邊墻滲水流量約為1.85 m3/d。邊墻滲水的原因是襯砌背后的凍結(jié)圈先于水溝解凍，凍結(jié)圈融化水及地下水只能通過薄弱的裂縫滲出。當(dāng)水溝的冰完全解凍后，排導(dǎo)系統(tǒng)恢復(fù)排導(dǎo)功能，裂縫處滲水量變小甚至消失。2015年5月13日，再次對(duì)隧道進(jìn)口段進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)邊墻滲水處已不再滲水。由此可知，襯砌背后排導(dǎo)系統(tǒng)堵塞以后，在整個(gè)凍季期間，襯砌周邊的圍巖基本處于飽水狀態(tài)，為圍巖凍脹力的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件。

3 病害原因分析

3.1 襯砌開裂特點(diǎn)及原因分析

隧道進(jìn)口段邊墻縱向裂縫具有以下特點(diǎn)：

1)左、右邊墻縱向裂縫具有對(duì)稱性。裂縫主要分布在水溝蓋板頂面2～4 m處，處于邊墻中間位置。在開裂嚴(yán)重的地方，通常為3條基本平行的裂縫。

2)邊墻縱向裂縫具有明顯的季節(jié)性。裂縫發(fā)展主要出現(xiàn)在寒冷的冬季，當(dāng)氣溫升高后，裂縫寬度會(huì)有一定的收縮，但不能完全恢復(fù)原狀。

3)邊墻裂縫發(fā)展程度具有一定的積累性。在襯砌開裂段，裂縫的數(shù)量、寬度和長(zhǎng)度均有逐年發(fā)展的趨勢(shì)，符合季節(jié)性凍脹開裂的特征。

在圍巖凍結(jié)圈的凍脹力作用下，結(jié)合圍巖含水量情況、土質(zhì)類型及冬季溫度條件，經(jīng)計(jì)算得到： 明挖段DK380+210斷面隧道襯砌向內(nèi)變形，邊墻為最不利位置，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)K1=0.66；暗挖段DK380+250斷面現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)K2=0.36，邊墻為最不利位置，說明隧道進(jìn)口段襯砌開裂是由凍脹力引起的。凍脹力作用下邊墻產(chǎn)生縱向裂縫的原理如圖9所示。

(a)

(b)

圖9 邊墻產(chǎn)生縱向裂縫的原理示意圖Fig. 9 Sketch of longitudinal cracking mechanism of sidewall

由于隧道附近公路的修建、排洪涵的設(shè)置及夏季降雨量的影響，圍巖中的地下水位上升，導(dǎo)致隧道進(jìn)口段襯砌開裂嚴(yán)重段的圍巖含水量增加，甚至處于飽和狀態(tài)。對(duì)于含水量較大的粉質(zhì)黏土圍巖，在冬季負(fù)溫持續(xù)作用下，產(chǎn)生的凍脹力會(huì)引起隧道邊墻處出現(xiàn)較大的彎矩，從而產(chǎn)生拉裂縫。隨著凍結(jié)圈的不斷發(fā)展，凍脹力不斷增大，拉裂縫附近產(chǎn)生較大的剪切力，當(dāng)剪切力達(dá)到一程度時(shí)，襯砌邊墻被剪斷，襯砌出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象。因此，在凍脹力作用下，隧道邊墻會(huì)出現(xiàn)3條平行裂縫，這與實(shí)際情況吻合，進(jìn)一步說明了隧道進(jìn)口段邊墻開裂是由圍巖凍脹力引起的。但由于混凝土抗拉性能差，而抗剪、拉壓性能較強(qiáng)，一般很少出現(xiàn)剪切裂縫。

3.2 洞口段洞內(nèi)道床冰害原因分析

由于地形條件限制，隧道采用單坡縱斷面，從洞外距洞門30 m處開始面向隧道下坡。隧道洞口地形圖如圖10所示。由設(shè)計(jì)資料可知，洞口軌道面與地面高差約為11 m。根據(jù)隧址區(qū)歷史氣象資料可知，該地區(qū)常年風(fēng)力較大，一般為3～4級(jí)風(fēng)，偶爾有5～6級(jí)大風(fēng)。在此風(fēng)力條件下，洞外草原上的積雪很容易被風(fēng)吹走并堆積在地勢(shì)相對(duì)較低的地方。因此，即使降雪量較少，由于洞外地勢(shì)平坦，洞口路塹內(nèi)也容易堆積較厚的冰雪，甚至?xí)惶钇健?/p>

(a)

(b)

圖11示出隧道進(jìn)口段洞外積雪變化情況。從圖中可知，在冬季該地區(qū)降雪量較大，洞口路塹堆積雪較多，基本上已看不出路塹所在位置。根據(jù)2012年11月13日—2013年3月29日路塹堆雪的程度和過程來看，冬季溫度升高時(shí)堆積雪發(fā)生一定程度的融化，由于洞口路塹位置相對(duì)較低，融化的水流入到隧道內(nèi)，在溫度較低的情況下，流到洞內(nèi)的水因未能及時(shí)排出而發(fā)生凍結(jié)。可見，洞口路塹積雪融化水成冰是導(dǎo)致隧道洞內(nèi)道床結(jié)冰的主要原因。

根據(jù)防排水設(shè)計(jì)資料可知，仰拱處未設(shè)置防水板。若施工時(shí)仰拱處出現(xiàn)薄弱部位，則會(huì)出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。在DK380+300附近，存在幾處仰拱滲水點(diǎn)。

(a) 2012年11月13日

(b) 2013年3月29日

隧道采用的是有砟軌道，道砟層高度約為70 cm，由平均直徑6～8 cm的碎石組成，碎石為一種多孔介質(zhì)。由于孔隙的存在，道砟層的導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較小，在隧道內(nèi)，道砟層內(nèi)的空氣幾乎靜止，外界熱量很難通過導(dǎo)熱方式進(jìn)入道砟層下的道床。根據(jù)文獻(xiàn)[17]可知，鐵路道砟層具有保溫的作用，暖季能阻止外部熱量進(jìn)入隧道內(nèi)，冷季能阻止道床內(nèi)部熱量的擴(kuò)散，因此隧道中道砟層下仰拱的滲水比路面上的自由水難凍結(jié)。仰拱局部裂隙的標(biāo)高比保溫水溝中排水孔的標(biāo)高低，地下水易從仰拱局部的裂隙處進(jìn)入到洞內(nèi)，遇冷時(shí)結(jié)冰。由于道砟層的保溫作用，大部分滲水聚集在道床，加劇隧道洞內(nèi)道床的冰害。由此可見，仰拱滲水是隧道洞內(nèi)道床冰害的來源之一。

由以上分析可知，洞內(nèi)的水主要來源于洞口路塹積雪融化水和仰拱局部滲水，洞口路塹積雪融化水是引起隧道洞內(nèi)結(jié)冰的主要原因。洞口路塹積雪融化水流入洞內(nèi)和仰拱局部滲水引起洞內(nèi)路面結(jié)冰，襯砌背后圍巖滲水和洞外積雪融化水流入保溫水溝導(dǎo)致排水溝堵塞，加速了洞內(nèi)冰害的發(fā)生。

4 病害整治方案

4.1 襯砌開裂整治方案

在綜合考慮襯砌凍脹裂縫整治措施優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合該隧道的實(shí)際情況，提出2種可行的整治措施。

1)在隧道進(jìn)口段的襯砌表面噴涂或鋪設(shè)厚12～13 cm的A級(jí)聚氨酯保溫材料或者其他防火保溫材料，防止圍巖出現(xiàn)凍脹；并在保溫材料表面噴涂防火砂漿，防火砂漿應(yīng)滿足A級(jí)防火要求。在裂縫上下各打設(shè)1～2排、長(zhǎng)5 m和縱向間距為1 m的騎縫錨桿，并采用環(huán)氧樹脂嵌補(bǔ)裂縫。

2)在洞外兩側(cè)設(shè)置豎井和泄水洞，在泄水洞徑向設(shè)置放射狀的排水孔，每處設(shè)3～4個(gè)，縱向斷面間距為1～2 m。圍巖中的地下水聚集到泄水洞中，然后通過集中排水的方法，把滲入泄水洞的地下水集中抽排至隧道外，最終達(dá)到降低隧道周邊圍巖地下水位的目的。另外，考慮到該地區(qū)冬季極其寒冷，在豎井和縱向泄水洞周邊設(shè)置保溫材料，加強(qiáng)保溫措施，以免發(fā)生圍巖凍脹導(dǎo)致豎井和泄水洞降水失效。

結(jié)合工期、造價(jià)、有效性及施工難易程度等條件，對(duì)該隧道襯砌裂損段進(jìn)行了保溫處理和結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施。保溫處理措施主要為噴涂保溫層+防火砂漿，處理范圍為DK380+130～+630，總長(zhǎng)為500 m；結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施主要為在襯砌裂縫上下各打設(shè)1排長(zhǎng)度為5 m和間距為1 m的錨桿，并采用環(huán)氧樹脂嵌補(bǔ)對(duì)裂縫進(jìn)行處理。

4.2 洞內(nèi)冰害整治對(duì)策

根據(jù)隧道進(jìn)口段洞內(nèi)水的來源特點(diǎn)，以從源頭上減少甚至消除洞內(nèi)水源為指導(dǎo)原則，提出以下整治措施。

1)在洞口路塹上方設(shè)置一定長(zhǎng)度的遮擋設(shè)施，防止外部積雪堆積在洞口路塹位置。遮擋設(shè)施既要阻止在風(fēng)力作用下積雪進(jìn)入洞口路塹位置，又要阻止冬季雨雪直接落入洞口路塹內(nèi)。另外對(duì)于路塹內(nèi)的冰雪融化水應(yīng)進(jìn)行反坡排水，減少隧道兩側(cè)保溫水溝的水流量。

2)洞口附近設(shè)集水井，并在進(jìn)口軌道道床處進(jìn)行隔斷設(shè)置，以阻止外界水的流入，然后抽走集水井中的水。該方法施工簡(jiǎn)單方便，但在草原上排出集水比較困難。

3)在保溫水溝中設(shè)置電加熱棒或在洞口入口處吹入熱風(fēng)，以順利排走地下水而不產(chǎn)生凍結(jié)，設(shè)置長(zhǎng)度參考近幾年保溫水溝的實(shí)際凍結(jié)長(zhǎng)度并適度延長(zhǎng)。該方法能有效解決保溫水溝冬季結(jié)冰的問題，但采取電加熱法耗能較大，會(huì)增加運(yùn)營(yíng)成本。

4)針對(duì)仰拱滲水，找出仰拱滲水點(diǎn)及防排水的薄弱位置，采取措施阻止地下水通過仰拱滲入洞內(nèi)通道。

結(jié)合整治措施的工期、造價(jià)、有效性及施工難易程度等，對(duì)該隧道洞口道床冰害進(jìn)行防排水及加熱處理，即在隧道DK380+130～+630段雙側(cè)水溝內(nèi)布設(shè)電加熱設(shè)施、在洞口道床底部設(shè)置小型擋水壩并加設(shè)橫向電加熱設(shè)施以及在隧道進(jìn)口路塹位置及路堤零填段設(shè)置擋雪設(shè)施。同時(shí)，加強(qiáng)對(duì)隧道病害段滲、漏水點(diǎn)的排查，然后進(jìn)行專項(xiàng)處理。

5 整治效果與分析

根據(jù)2016年3月整治后現(xiàn)場(chǎng)觀察的情況可知，襯砌表面干燥，無(wú)滲水痕跡，襯砌背后排導(dǎo)系統(tǒng)暢通，未出現(xiàn)排導(dǎo)系統(tǒng)和襯砌背后圍巖凍結(jié)的現(xiàn)象。圖12為2016年3月整治后的隧道進(jìn)口段洞內(nèi)外效果圖。由此可知，采用噴涂保溫層+防火砂漿的措施能有效避免襯砌背后排導(dǎo)系統(tǒng)和圍巖的凍結(jié)及襯砌的開裂滲水，減小結(jié)構(gòu)的凍脹力。同時(shí)，說明了裂縫嵌補(bǔ)和錨桿補(bǔ)強(qiáng)能有效加固襯砌結(jié)構(gòu)，提高結(jié)構(gòu)的安全性。

(a) 洞口

(b) 洞內(nèi)

根據(jù)氣象資料可知，2015年的降雪量與前幾年的降雪量基本相同。根據(jù)2016年3月的調(diào)查情況可知，隧道兩側(cè)水溝內(nèi)沒有出現(xiàn)積水和結(jié)冰現(xiàn)象，說明在兩側(cè)水溝設(shè)置的電加熱棒可以有效阻止水溝內(nèi)的水結(jié)冰以及消除道床冰害； 另外，洞口道床底部設(shè)置的小型擋水壩和橫向電加熱線纜措施有效阻止了洞外融雪水通過道床流入洞內(nèi)，同時(shí)由于設(shè)置了橫向電加熱線纜，防止了道床部分積水、結(jié)冰。說明對(duì)該隧道洞口段道床冰害的原因分析是正確的，提出的整治措施也是可靠、有效的。

6 結(jié)論與建議

以東北地區(qū)某鐵路隧道為例，采用綜合分析的方法，對(duì)隧道洞口襯砌開裂、滲水及道床冰害產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的整治措施，得出的主要結(jié)論為：

1)襯砌開裂主要由圍巖凍脹力所致，道床冰害主要由洞內(nèi)積水未及時(shí)排出引起，而洞內(nèi)水的來源主要為洞口路塹積雪融化水和仰拱局部滲水。

2)針對(duì)襯砌開裂段應(yīng)采取保溫處理和結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施，可采取噴涂保溫層+防火砂漿措施進(jìn)行保溫處理，并在襯砌裂縫上下打設(shè)錨桿、采用環(huán)氧樹脂嵌補(bǔ)裂縫進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)處理。對(duì)于道床冰害，應(yīng)進(jìn)行防排水及加熱處理，同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)隧道病害段滲、漏水點(diǎn)進(jìn)行排查，然后進(jìn)行專項(xiàng)處理。

3)對(duì)于下穿公路或鐵路的隧道應(yīng)盡量設(shè)置為人字坡。當(dāng)必須設(shè)置單面坡時(shí)，面向隧道下坡位置應(yīng)盡量設(shè)置在洞口端或洞內(nèi)，避免洞外路塹積雪融化水流入隧道內(nèi)，另外應(yīng)減小采用電加熱措施引起的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。

現(xiàn)行鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中，根據(jù)隧址區(qū)自然條件、圍巖冬季含水量及排水條件等計(jì)算凍脹力的研究還不夠深入，迫切需要提出具有可操作性的圍巖凍脹力的計(jì)算分析方法。因此，下一步應(yīng)集中于隧道圍巖凍脹力的研究。

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Analysis of Causes of Lining Cracking and Ballast Bed Freezing at Railway Tunnel Portal in Cold Regions and Their Countermeasures

ZHENG Bo1, WU Jian1, CHEN Jianping2

(1.ChinaRailwaySouthwestResearchInstituteCo.,Ltd.,Sichuan611731,Chengdu,China; 2.ChinaRailwayNo.8EngineeringGroupCo.,Ltd.,Sichuan610036,Chengdu,China)

The causes of lining cracking, water-leakage and ballast bed freezing at portal section of a railway tunnel in Northeast China are analyzed by comprehensive analysis method; and then relevant countermeasures are proposed. The analytical results show that: 1) The cracking of surrounding rock lining is mainly caused by frost-heave force of surrounding rock; and it can be effectively avoided by using insulation measure of spraying insulation layer + fireproof mortar and structural reinforcement measure of anchor bolt + crack filling. 2)The water caused ballast bed freezing in tunnel is mainly derived from snow on portal cutting of tunnel and the local water-leakage of inverted arch; and it can be effectively avoided by setting electric heating facilities in ditches on both sides of the tunnel, setting a small dam and horizontal electric heating facilities under the bottom of ballast bed, and setting snow-covered facilities on portal cutting of tunnel and zero-fill section of embankment.

railway tunnel; frost-heave force; lining cracking; ballast bed freezing; insulation facility; electric heating facility

2016-11-08;

2017-01-06

中國(guó)中鐵股份有限公司科技開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目課題(2012-重大-08; 2014-重點(diǎn)-26)

鄭波(1980—)，男，湖南邵陽(yáng)人，2010年畢業(yè)于中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，橋梁與隧道工程專業(yè)，博士，高級(jí)工程師，主要從事隧道及地下工程方面的科研與技術(shù)咨詢工作。E-mail： my1390@126.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.07.013

U 457+.2

B

1672-741X(2017)07-0864-08