張 弛

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,天津 300308)

引言

近年來,隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)快速發(fā)展,在寒冷地區(qū)修建的隧道數(shù)量也越來越多。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),近十余年來,我國在東北及華北北部的高緯度寒區(qū)已建成運(yùn)營鐵路隧道500余座,總長超過1 000 km。由于受到冬季氣溫低,冰凍期長且周期性劇烈變化的顯著氣候特點(diǎn)影響,一些寒區(qū)鐵路隧道運(yùn)營后表現(xiàn)出襯砌結(jié)構(gòu)開裂、掛冰等情況,有些甚至出現(xiàn)剝落、掉塊等嚴(yán)重問題,很大程度上弱化了隧道的使用功能,同時(shí)也給運(yùn)營行車帶來了極大安全隱患[1]。因此,如何有效解決寒區(qū)隧道凍害問題已成為業(yè)界迫切需要克服的困難,特別是針對(duì)新建隧道如何在設(shè)計(jì)和施工階段提升隧道結(jié)構(gòu)的防寒抗凍耐久性能,對(duì)寒區(qū)鐵路的高質(zhì)量建設(shè)管理至關(guān)重要。

1 寒區(qū)鐵路隧道襯砌抗凍主要建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

近年來,東北地區(qū)牡綏鐵路、哈牡高鐵、吉圖琿高鐵等項(xiàng)目大量寒區(qū)鐵路隧道的建設(shè)及運(yùn)營實(shí)踐表明,結(jié)合不同的氣溫條件,通過設(shè)置保溫水溝、中心深埋水溝等防凍排水設(shè)施,充分利用隧址區(qū)的地溫條件,基本能夠保障隧道周邊地下水的暢通引排,從而實(shí)現(xiàn)防凍的目的[2]。然而,由于溫度的周期性變化導(dǎo)致部分隧道襯砌產(chǎn)生的季節(jié)性溫差裂縫,在很大程度上又影響了結(jié)構(gòu)的耐久性[3]。因此,寒區(qū)隧道襯砌抗凍的關(guān)鍵就在于控制溫度應(yīng)力的破壞作用,而圍繞這個(gè)技術(shù)問題,相關(guān)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)提出了系列要求。

1.1 相關(guān)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)概述

1.1.1 國家標(biāo)準(zhǔn)

GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(2015版)[4]針對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)作用明確了分析方法,并對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)伸縮縫的最大間距給出了建議數(shù)值。GB 55001—2021《工程結(jié)構(gòu)通用規(guī)范》[5]針對(duì)結(jié)構(gòu)的溫度作用效應(yīng)計(jì)算方法進(jìn)行了要求,同時(shí)提出最冷月平均氣溫低于-15℃地區(qū)的隧道,以及位于永凍土及凍脹土(季節(jié)凍脹深度大于2 m)的結(jié)構(gòu),應(yīng)考慮凍脹力作用。GB/T 50476—2019《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[6]則針對(duì)凍融環(huán)境下的混凝土抗?jié)B、抗凍、摻和劑指標(biāo)等進(jìn)行了規(guī)定。

1.1.2 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

TB10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]提出最冷月平均氣溫低于-3℃地區(qū)的隧道均應(yīng)設(shè)置抗凍設(shè)防段,并原則性明確了抗凍段襯砌的結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)造措施等設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。TB10005—2010《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]針對(duì)凍融環(huán)境作用下隧道襯砌混凝土的性能指標(biāo)提出了要求。

1.1.3 企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

Q/CR9207—2017《鐵路混凝土工程施工技術(shù)規(guī)程》[9]針對(duì)鐵路混凝土工程的鋼筋連接、澆筑工藝及冬季施工等項(xiàng)目進(jìn)行了規(guī)定。Q/CR9250—2020《鐵路隧道襯砌施工技術(shù)規(guī)程》[10]對(duì)鐵路隧道襯砌混凝土施工的各環(huán)節(jié)提出了總體要求,特別是對(duì)寒區(qū)隧道襯砌混凝土一次性澆筑的縱向長度提出了建議標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 需研究完善的內(nèi)容

根據(jù)前述內(nèi)容分析可知,目前鐵路隧道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于寒區(qū)隧道抗凍襯砌方面的規(guī)定,雖然能夠體現(xiàn)加強(qiáng)襯砌結(jié)構(gòu)、設(shè)置溫度變形縫及保溫層等關(guān)鍵的原則性措施,但部分內(nèi)容仍需進(jìn)一步研究完善,如TB10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中要求抗凍段襯砌應(yīng)考慮凍脹作用并采用鋼筋混凝土襯砌,但凍脹力的確定尚缺乏可靠依據(jù)[11];應(yīng)設(shè)置溫度伸縮縫,但設(shè)置原則并未明確;同時(shí),對(duì)于保溫層的應(yīng)用亦過于簡略。另外,Q/CR9250—2020《鐵路隧道襯砌施工技術(shù)規(guī)程》中,寒區(qū)隧道襯砌一次性澆筑長度不宜大于9m的規(guī)定的適用條件也需要結(jié)合理論分析和工程實(shí)踐,進(jìn)一步研究探討。

2 寒區(qū)鐵路隧道襯砌抗凍主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的探討

寒區(qū)鐵路隧道抗凍襯砌的主要設(shè)計(jì)原則包括:二次襯砌采用防水鋼筋混凝土;設(shè)置溫度伸縮縫以消減溫度應(yīng)力的影響;隧道拱墻、仰拱、仰拱填充的接縫貫通對(duì)齊,以協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)變形避免開裂;以及設(shè)置保溫隔熱層,減小襯砌的溫差影響等。

2.1 襯砌結(jié)構(gòu)縱向配筋

由于寒區(qū)冰凍持續(xù)時(shí)間長、氣候寒冷且具有較大的負(fù)溫差,寒區(qū)隧道襯砌結(jié)構(gòu)需適應(yīng)由較大負(fù)溫差引起的拉應(yīng)力作用,特殊情況下還需要考慮凍脹力作用影響,而工程實(shí)踐表明:混凝土中配置適量的鋼筋能夠起到控制裂縫擴(kuò)展,減少裂縫寬度的作用。因此,目前寒區(qū)鐵路隧道洞口結(jié)構(gòu)抗凍設(shè)防段范圍襯砌均采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),其縱向分布鋼筋一般按構(gòu)造要求開展設(shè)計(jì)。但控制因溫差變化引起的混凝土收縮裂縫的產(chǎn)生,仍需要進(jìn)一步研究細(xì)化抗凍設(shè)防襯砌結(jié)構(gòu)的配筋參數(shù)。

混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫一般均由拉應(yīng)力引起,如軸拉、彎拉、剪拉,而即使是軸向受壓的結(jié)構(gòu)物也會(huì)因內(nèi)部存在劈拉應(yīng)力區(qū)而易產(chǎn)生裂縫。而混凝土結(jié)構(gòu)是一種非均質(zhì)體,承受拉應(yīng)力作用時(shí),各截面各質(zhì)點(diǎn)受力是不均勻的,存在大量不規(guī)則的應(yīng)力集中點(diǎn),當(dāng)這些應(yīng)力集中點(diǎn)達(dá)到抗拉極限強(qiáng)度時(shí),局部出現(xiàn)塑性變形,無筋時(shí)繼續(xù)受力將導(dǎo)致應(yīng)力集中處出現(xiàn)裂縫;而進(jìn)行適當(dāng)配筋時(shí),鋼筋將約束混凝土的塑性變形,分擔(dān)混凝土的內(nèi)應(yīng)力,推遲混凝土裂縫的出現(xiàn),提高混凝土的最終相對(duì)拉伸變形能力,即混凝土極限拉伸,相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式見式(1)[12]。

(1)

式中εpa——配筋后的混凝土極限拉伸;

Rf——混凝土抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度,MPa;

p——截面配筋率×100;

d——鋼筋直徑,cm。

依據(jù)公式(1),以速度350 km/h雙線隧道Ⅲ級(jí)圍巖抗凍襯砌為例,相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)為:襯砌厚度,拱墻40 cm、仰拱50 cm,采用C35防水鋼筋混凝土,Rf取1.57 MPa;環(huán)向主筋直徑為18 mm,間距200 mm;縱向配筋分別采用直徑為10,12 mm或14 mm、間距分別為250,200 mm或150 mm進(jìn)行組合對(duì)比研究。計(jì)算對(duì)比說明如表1所示。

表1 抗凍設(shè)防段襯砌縱向配筋計(jì)算

由表1可以看出,抗凍襯砌的縱向分布鋼筋采用“較細(xì)較密”的配置方式可降低襯砌混凝土的極限拉伸值,也能夠相應(yīng)提高結(jié)構(gòu)的抗裂性能。

2.2 溫度伸縮縫設(shè)計(jì)

一般情況下,沿隧道縱向溫度場的變化規(guī)律基本呈拋物線形分布:冬季時(shí),洞口兩端溫度低,洞身中間溫度相對(duì)較高;夏季時(shí),洞口端溫度高,而中間溫度較低。因此,隧道洞口抗凍設(shè)防段襯砌結(jié)構(gòu)需設(shè)置溫度伸縮縫消除溫差引起的溫度應(yīng)力。JTG3370.1—2018《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第一冊(cè) 土建工程》[13]中要求“嚴(yán)寒與酷熱溫差變化大地區(qū),特別是最冷月平均氣溫低于-15℃的寒冷地區(qū),距洞口100～200m范圍的襯砌段應(yīng)根據(jù)情況設(shè)置伸縮縫?！倍鳷B10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中則要求最冷月平均氣溫低于-3 ℃時(shí),應(yīng)在隧道抗凍設(shè)防段設(shè)置伸縮縫。對(duì)比發(fā)現(xiàn),鐵路隧道溫度伸縮縫的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)過于寬泛,需要結(jié)合具體工程實(shí)例更深入的研究細(xì)化。

新建朝陽至凌海南站客運(yùn)專線為設(shè)計(jì)時(shí)速350 km高速鐵路,當(dāng)?shù)刈罾湓缕骄鶜鉁?8.5 ℃。沿線的2座短隧道(長度均小于500 m)均未設(shè)置帶縫寬的溫度伸縮縫,施工時(shí)僅按照襯砌環(huán)向施工縫處通縫留設(shè),且縱向鋼筋在接縫處斷開,經(jīng)過近2個(gè)冬季的持續(xù)觀測,現(xiàn)場并未發(fā)現(xiàn)冬季襯砌因低溫而產(chǎn)生變形開裂的情況。

分析其原因可能與隧道所處地區(qū)處于東北高緯度嚴(yán)寒地區(qū),冬季隧道內(nèi)混凝土入模及養(yǎng)護(hù)的溫度均要求不得低于5 ℃,而開通運(yùn)營后冬季隧道內(nèi)的溫度明顯偏低,因此,結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的負(fù)溫差遠(yuǎn)大于夏季時(shí)的正溫差。綜上所述,隧道結(jié)構(gòu)僅需考慮因混凝土結(jié)構(gòu)自身收縮變形和因“負(fù)溫差”引起的縱向溫度應(yīng)力的影響,此時(shí)溫度伸縮縫可不設(shè)縫寬。

2.3 保溫層防水工藝

寒區(qū)隧道一般通過對(duì)隧道洞口段、地下水豐富的節(jié)理密集帶及構(gòu)造帶等地段設(shè)置保溫層,從而緩解冬季隧道周邊溫度較高的圍巖與隧道內(nèi)的冷空氣發(fā)生劇烈熱交換,降低襯砌或圍巖的溫度變化幅度,達(dá)到防止凍害發(fā)生的目的。目前的鐵路隧道襯砌保溫層多采用雙層防水板間夾保溫板的“夾心式”設(shè)置,將保溫層固定在初期支護(hù)與二次襯砌之間。然而,很多研究表明,常作為隧道抗凍結(jié)構(gòu)保溫層的聚氨酯保溫板在遇水后的材料性能降低十分嚴(yán)重。因此,襯砌抗凍也要重點(diǎn)考慮保溫層的防水問題。

聚氨酯保溫板研究采用“包裹式”和“噴涂式”兩種防水工藝,并開展現(xiàn)場試驗(yàn)對(duì)比研究。

2.3.1 試驗(yàn)方法

(1)保溫板“包裹式”防水

將保溫板單元塊(尺寸為60 cm×200 cm)周圈采用厚1.5 mm的EVA防水板嚴(yán)密包裹后采用雙焊縫密封接頭部位,相對(duì)于傳統(tǒng)的“夾心式”保溫板安裝方法,大幅降低了因局部滲漏后保溫層大面積吸水而引發(fā)的保溫性能下降的風(fēng)險(xiǎn)?！鞍健狈浪匕瀣F(xiàn)場實(shí)施情況如圖1所示。

圖1 “包裹式”防水保溫板加工

(2)保溫板“噴涂式”防水

針對(duì)“包裹式”防水保溫板施工中出現(xiàn)的加工工序復(fù)雜,且難以實(shí)現(xiàn)嚴(yán)密拼接鋪掛等問題,進(jìn)一步研究保溫板表面直接采取“噴涂式”防水處理工藝的可行性?，F(xiàn)場對(duì)保溫板單元塊(尺寸為60 cm×200 cm)周圈分別噴涂橡膠瀝青與聚合物水泥2種防水材料開展防水處理試驗(yàn),其噴射厚度均為1.2 mm。其中噴涂橡膠瀝青防水保溫板如圖2所示。

圖2 噴涂橡膠瀝青防水保溫板加工

2.3.2 實(shí)施效果對(duì)比分析

(1)保溫板“包裹式”防水

“包裹式”防水保溫板相比于傳統(tǒng)采用的“夾心式”保溫板工藝,節(jié)省了外層防水板鋪掛時(shí)間,襯砌施工的整體工效相對(duì)較高。但由于包裹防水板的保溫板邊緣縫隙過大或不均勻,使其無法實(shí)現(xiàn)嚴(yán)密拼接,影響整體保溫性能。另外,在襯砌混凝土澆筑過程中,也可能造成保溫板錯(cuò)位嚴(yán)重?！鞍健狈浪匕迮c“夾心式”保溫板安裝效果如圖3所示。

圖3 “包裹式”(左)和“夾心式”(右)保溫板實(shí)施效果

試驗(yàn)結(jié)果表明,采用橡膠瀝青與聚合物水泥兩種噴涂防水材料均能夠滿足聚氨酯保溫板的防水要求。但相比橡膠瀝青,聚合物水泥的阻燃性能更高且經(jīng)濟(jì)性也更好。因此,寒區(qū)隧道襯砌采用聚氨酯保溫板作為保溫層時(shí)可提前采用“噴涂式”防水處理,可在每塊單元板周邊均勻噴涂聚合物水泥防水涂料,確保運(yùn)營期不因防水板局部滲漏導(dǎo)致保溫層失效。

2.4 小結(jié)

(1)寒區(qū)鐵路隧道抗凍襯砌的縱向鋼筋可采用“細(xì)而密”的配置方式,以提高結(jié)構(gòu)的抗裂性能。

(2)洞口設(shè)防段可結(jié)合氣溫、隧長等因素,進(jìn)一步研究“零縫寬”溫度伸縮縫的設(shè)置條件。

(3)襯砌保溫層用聚氨酯保溫板可采用噴涂聚合物水泥進(jìn)行防水處理,確保有水環(huán)境保溫層的保溫效果。

3 寒區(qū)鐵路隧道襯砌施工技術(shù)探討

大量工程實(shí)踐表明,在同樣的溫度年較差和日較差情況下,寒區(qū)隧道襯砌裂縫更容易產(chǎn)生與發(fā)展。然而,隧道襯砌混凝土裂縫產(chǎn)生的根源不外乎材料、施工和設(shè)計(jì)3個(gè)方面,其中由于施工因素造成混凝土早期裂縫的可能性達(dá)到80%[14]。因此,寒區(qū)隧道襯砌施工更是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)抗凍耐久的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

3.1 寒區(qū)鐵路隧道襯砌的溫度裂縫

3.1.1 混凝土的季節(jié)性溫差裂縫

混凝土結(jié)構(gòu)中的絕大多數(shù)構(gòu)件為具有多余約束的超靜定結(jié)構(gòu),隧道襯砌就屬于典型的超靜定結(jié)構(gòu)。超靜定結(jié)構(gòu)由于其連續(xù)性強(qiáng)而具有很好的整體穩(wěn)定性和抗震性能,但也因?yàn)樽冃魏臀灰剖艿街萍s,往往在微小的外界作用下即會(huì)產(chǎn)生約束作用,而當(dāng)約束拉應(yīng)力(或應(yīng)變)積聚到一定程度以后,就會(huì)在抗拉性能差的混凝土中產(chǎn)生裂縫,這種非荷載因素引起的裂縫通常成為“間接裂縫”[15]。引起間接裂縫的因素很多,主要包括混凝土的收縮、溫差、強(qiáng)迫位移、施工缺陷、環(huán)境條件等,而外界溫度的周期性變化,使得混凝土結(jié)構(gòu)的不同區(qū)域和不同部位就可能產(chǎn)生溫度差,這就必然會(huì)在超靜定的混凝土結(jié)構(gòu)中引起約束作用,從而導(dǎo)致季節(jié)性溫差裂縫的產(chǎn)生。

3.1.2 混凝土的溫度應(yīng)力

(1)溫度應(yīng)力的特點(diǎn)

混凝土的溫度應(yīng)力是由混凝土內(nèi)的溫度改變而引起的。當(dāng)混凝土中各部分溫度發(fā)生變化時(shí),將引起熱脹冷縮的變形,而這種變形受到混凝土內(nèi)各部分之間的相互約束及邊界上約束的限制,不能完全自由地發(fā)生,這些約束引起的約束反力,即溫度應(yīng)力[16]。它具有以下特點(diǎn)。

①與一般荷載應(yīng)力不同?；旧蠎?yīng)力與應(yīng)變不再符合簡單的虎克定律關(guān)系,會(huì)出現(xiàn)應(yīng)變大而應(yīng)力小,應(yīng)變小而應(yīng)力大的情況。

②因混凝土結(jié)構(gòu)的溫度分布是瞬時(shí)變化的,所以結(jié)構(gòu)中的溫度應(yīng)力也是瞬時(shí)變化的,具有顯著的時(shí)間性。

(2)溫度應(yīng)力的計(jì)算

寒區(qū)隧道襯砌溫度應(yīng)力可根據(jù)《工程結(jié)構(gòu)裂縫控制》[12]中的相關(guān)公式進(jìn)行定量計(jì)算。

(2)

式中E——混凝土的彈性模量;

α——混凝土線膨脹系數(shù),取1.0×10-5℃-1;

T——綜合降溫差,T=T1+T2+T3,T1、T2、T3分別表示混凝土水化熱降溫差、收縮當(dāng)量溫差和環(huán)境溫差;

(3)

其中Cx——地基水平阻力系數(shù);

d——襯砌厚度;

L——襯砌模段長度(環(huán)向施工縫間距)。

由公式(3)可以看出,溫度應(yīng)力首先和溫差成正比:升溫為正,應(yīng)力為負(fù),即引起壓應(yīng)力;降溫為負(fù),應(yīng)力為正,即引起拉應(yīng)力;收縮值換算為當(dāng)量溫差,永遠(yuǎn)為負(fù)值,應(yīng)力為拉應(yīng)力,因此混凝土結(jié)構(gòu)的降溫與收縮同時(shí)發(fā)生時(shí),混凝土結(jié)構(gòu)將承受互相疊加的拉應(yīng)力,容易開裂。

3.2 寒區(qū)鐵路隧道襯砌模段長度的確定

JTG/T D31-06—2017《季節(jié)性凍土地區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》[17]中,依據(jù)寒冷程度和圍巖地下水狀況對(duì)隧道凍害的影響,提出“一級(jí)、二級(jí)抗凍設(shè)防等級(jí)的隧道襯砌設(shè)縫分段長度不宜大于10 m”的要求,具體見表2。而Q/CR 9207—2017《鐵路隧道襯砌施工技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定寒區(qū)隧道“襯砌混凝土一次性澆筑的縱向長度不宜超過9 m”。相比于公路隧道的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn),鐵路隧道的施工要求顯得過于嚴(yán)格,可能需結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)一步研究完善。

表2 一級(jí)、二級(jí)抗凍設(shè)防等級(jí)的公路隧道劃分

3.2.1 最大施工縫間距計(jì)算方法

當(dāng)襯砌混凝土受到的拉應(yīng)力大于混凝土的極限拉應(yīng)力時(shí),襯砌結(jié)構(gòu)將開始產(chǎn)生裂縫。因此可由公式(4)推導(dǎo)得出襯砌施工縫最大間距計(jì)算式為

(4)

式中εp——襯砌混凝土的極限拉應(yīng)變;

[Lmax]——最大施工縫間距。

3.2.2 計(jì)算過程

(1)計(jì)算參數(shù)選擇

混凝土水化熱降溫差T1,可根據(jù)GB50496—2018《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》[18]中給出的公式進(jìn)行計(jì)算,C40混凝土近似取10 ℃。

混凝土收縮當(dāng)量溫差T2,可假定采用降低溫度的方法計(jì)算,對(duì)于整體灌注的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)取15 ℃。

環(huán)境溫差T3,由于隧道結(jié)構(gòu)受地溫影響較大而受到日氣溫變化的影響較小,根據(jù)相關(guān)研究,可取區(qū)域的年均氣溫和最冷月的平均氣溫差作為計(jì)算值[19]。

隧道襯砌厚度d,按TB10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》要求取40 cm。

地基水平阻力系數(shù)Cx,取60×10-2N/mm3;

襯砌混凝土的極限拉應(yīng)變?chǔ)舙,取2×10-4。

(2)計(jì)算結(jié)果

將上述計(jì)算參數(shù)代入式(3)中,計(jì)算可得表3。

表3 寒區(qū)鐵路隧道襯砌環(huán)向施工縫間距計(jì)算

.(3)工程實(shí)例

朝凌高鐵巴圖營隧道全長6 200 m,為全線最長隧道。隧址區(qū)最冷月平均氣溫-8.5 ℃,屬嚴(yán)寒地區(qū);區(qū)域年均溫9.5 ℃,環(huán)境溫差18 ℃,計(jì)算可得襯砌環(huán)向施工縫最大間距11.7 m,施工階段全隧采用12 m長襯砌臺(tái)車。隧道自2017年10月開工,2020年7月貫通,線路自2021年8月開通運(yùn)營至今,襯砌結(jié)構(gòu)完好。

3.3 襯砌保溫層施工新技術(shù)

目前,鐵路隧道襯砌保溫層多采用吊掛法施工。保溫層一般采取雙層防水板間夾保溫板的結(jié)構(gòu)形式,并采用防水板連接點(diǎn)環(huán)向張拉法進(jìn)行防水板和保溫板的施作。雖然該工藝較為成熟,但也存在吊帶熱熔焊接強(qiáng)度低,易導(dǎo)致拱頂部位外側(cè)防水板連接不牢、下墜等問題,并且整體作業(yè)效率較低,大致需要6人,花費(fèi)3 d時(shí)間才能完成一板(12 m長)雙線隧道襯砌保溫層的鋪設(shè)。

某在建寒區(qū)高鐵項(xiàng)目,為解決分塊安裝寒區(qū)隧道襯砌背后保溫層的技術(shù)難題,現(xiàn)場研究了“工”字形可雙面焊接的卡具,卡具要求與熱熔墊片同材質(zhì),卡具橫斷面示意如圖4所示,施工工藝如圖5所示。

圖4 卡具橫截面示意(單位:mm)

圖5 卡具施工工藝

(1)鋪設(shè)第一層防水板后,可選擇2個(gè)“工”字形卡具,將卡具墊片的下部支撐板外側(cè)分別通過電磁焊接固定在預(yù)鋪的第一層防水板上,然后將每塊保溫板依次插入卡具固定,并重復(fù)上述操作,直至完成一環(huán)保溫層拼裝。

(2)鋪設(shè)第二層防水板時(shí),通過電磁焊機(jī)把卡具墊片的上部支撐板和第二層防水板通過電磁焊接固定。

該方法施工工藝相對(duì)簡化,操作便捷,具有一定的推廣前景,采用該卡具輔助安裝保溫板如圖6所示。

圖6 卡具輔助安裝保溫板

3.4 小結(jié)

(1)寒區(qū)鐵路隧道襯砌施工時(shí),首先應(yīng)研究優(yōu)化襯砌施工方案,確定每次澆筑的混凝土方量、施工縫間距、澆筑時(shí)間、運(yùn)輸及振搗方式等。模板臺(tái)車長度可根據(jù)隧址區(qū)的具體氣象條件計(jì)算確定,且不宜過短,以免增大接縫滲漏水幾率,引發(fā)凍害。

(2)襯砌保溫層采用雙面焊接熱熔墊片卡具輔助安裝工藝,可提高工效。

(3)寒區(qū)隧道襯砌還應(yīng)從優(yōu)化混凝土配合比,合理澆筑和振搗以及加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)等方面控制施工質(zhì)量,減少施工階段的襯砌裂縫[20]。

4 結(jié)論

本文通過分析寒區(qū)鐵路隧道的特點(diǎn),對(duì)照梳理出目前襯砌抗凍主要建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)存在的問題以及需要完善的內(nèi)容,提出了抗凍設(shè)防段襯砌、溫度伸縮縫和保溫層等相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)化建議,并結(jié)合具體工程實(shí)例驗(yàn)證了抗凍段襯砌模板臺(tái)車長度的計(jì)算方法,提出了一種保溫板安裝的新工藝。主要研究結(jié)論如下。

(1)寒區(qū)鐵路隧道結(jié)構(gòu)抗凍方面的規(guī)定,雖然能夠體現(xiàn)加強(qiáng)襯砌結(jié)構(gòu)、設(shè)置溫度伸縮縫及保溫層等關(guān)鍵的原則性措施,但部分內(nèi)容仍需進(jìn)一步研究細(xì)化。

(2)寒區(qū)鐵路隧道抗凍設(shè)防段襯砌宜重點(diǎn)研究采用“細(xì)而密”的縱向鋼筋,“零縫寬”溫度伸縮縫及“噴涂式”防水保溫板,提高結(jié)構(gòu)的抗裂性能。

(3)由于隧道結(jié)構(gòu)埋置于地面以下,其受到氣溫變化的影響較小。因此,寒區(qū)隧道襯砌混凝土的環(huán)境溫差,應(yīng)在隧址區(qū)最冷月平均氣溫的基礎(chǔ)上將年均溫作為重點(diǎn)考量因素。襯砌模板臺(tái)車長度可根據(jù)隧址區(qū)的具體氣象條件計(jì)算確定,且不宜過短。