中铁二十一局集团四公司 陕西 西安 710065
摘要：根据共玉高速公路某隧道施工经验，介绍了高原隧道洞口地段环向排水盲管、纵向排水盲管、防寒泄水洞、电热保温系统等防冻防渗漏技术措施，对设计缺陷提出了有关优化方案，为类似工程提供借鉴。
关键词：高寒 隧道 防冻防渗漏 措施
1工程概况
某隧道位于青海省海南藏族自治州境内，隧道全长4.2km。隧道设计为双向四车道分离式双洞，行车速度为60km/h，建筑限界净宽10.25m，净高7.18m。行车路面海拔4300m。该地区属于典型的高原大陆型半干旱气候，年平均气温-4.2℃，极端最高温度26.6℃，极端最低温度-48.8℃。地表水主要为山顶雪水及山坡大气降水，多年平均蒸发量1372mm，最大积雪深度16cm，最大冻结深度2.77m。[1]
该隧道地理位置独特，自然环境恶劣，地质条件复杂，是国内较长的高原冻土公路隧道，是共和至玉树高速公路的重点和控制性工程。
高寒地区隧道保温防冻问题如果没有解决好，后期运营时就会出现隧底冒水积冰，衬砌挂冰，衬砌开裂、酥碎、剥落，水沟电缆槽结冰、洞门开裂，地表截排水沟、出水口被冻结等情况，严重威胁行车安全，降低隧道使用寿命。
为保护隧道衬砌不受冻胀而产生破坏，该隧道设计中采用了防排水与保温相结合的方案。隧道的防排水及保温设计考虑以下几方面[2]：
（1）为确保围岩裂隙水能顺畅的排出隧道，减少围岩冻胀造成隧道衬砌破坏和衬砌结构本身冻胀破坏发生的机会，隧道二次衬砌采用C45混凝土，通过在衬砌混凝土中添加高效复合防水剂，提高结构自身防水等级，使结构混凝土防水等级达到S10以上；防水层采用无纺土工布（400g/m2）加EVA防水板（厚1.5mm）；同时在施工缝、沉降缝处均设置中埋式橡胶止水带；通过Φ100mm环向排水管、Φ160mm纵向排水管、深埋中心水沟、防寒泄水洞等措施排水。
该隧道洞口至洞内250米处设置防寒泄水洞。防寒泄水洞顶距离路面5.0米，开挖断面尺寸为3.34m×3.54m(高×宽)，防寒泄水洞采用直墙式衬砌，衬砌后净空为2.2m×2.4m(高×宽)。
（2）为确保衬砌背后地下水保持一定的温度，避免冻结现象发生，在隧道衬内轮廓表面增设了保温层。保温层材料采用厚度为4.5cm福利凯板。
该隧道于2016年10月交工验收，验收时隧道内衬砌未发生渗漏水现象，各项验收指标均合格。
2渗漏情况及原因分析
经过一个冬季的使用，2017年3月中旬，该隧道左线距洞口100～200m处隧道水沟电缆槽以上3m及部分施工缝位置处出现大面积渗漏水结冰现象。洞内400m以后范围内未发现渗漏现象。
通过对施工现场进行了查勘，由于隧道区域气温在-20℃以下，气候寒冷，隧道山顶冰雪覆盖，截水沟完全冻结；隧道防寒泄水洞功能正常，有水流出随即在洞外结冰。拆除洞内渗漏水处保温板，发现渗漏处衬砌表面出现结冰，打开纵向排水管检查井，发现纵向排水管中水全部冻结，导致地下水不能从排水管流出。经过专家分析，隧道出现冻害主要原因如下；
2.1冻结从最薄弱环节开始----敞开式纵向盲管检查孔
隧址区冬季气温在-20℃以下，冻结深度2.77m，隧道贯通后，隧道洞口地段受外界气温影响较大，温度变化较大。设计的50cm厚衬砌和4.5cm保温板不能满足抵抗冻结深度要求，导致隧道纵向排水管冰冻堵塞，纵向排水系统失效。由于隧道衬砌背后地下水不能通过纵向排水管进入中心排水沟中，致使衬砌背后水压力增大，二衬和仰拱防排水薄弱点处出现渗漏现象。[3]
2.2设计防排水缺陷
该隧道防水板设计只在二衬背后铺设，在拱脚处将φ160mm纵向双壁波纹管向后反卷，仰拱中未设置防水设施，导致衬砌背后地下水通过隧道拱脚防水板反卷处进入二衬砼与防水板之间，随着渗水增多，水压力逐渐增大，进而导致隧道二衬施工缝处表面及水沟、电缆槽与仰拱湿接缝处等衬砌防水薄弱处出现渗漏水。
隧道设计防排水如下图所示。
图1 防水板未深入至仰拱示意图
2.3防寒泄水洞泄水孔堵塞
防寒泄水洞及其支洞预衬砌预留泄水孔中有大量的乳白色钙质沉淀物，导致泄水孔淤积严重，流水不畅。
经实地查勘防寒泄水洞发现，隧道主洞中心排水沟汇入防寒泄水洞中的水流正常。但是流水颜色为乳白色，由此推测隧道正洞内盲管也发生了一定程度的钙质沉淀物淤积堵塞现象。
3处理施工技术措施
3.1施工缝及裂缝渗漏处理
因隧道地处高海拔高寒地区，无法采用刻槽预埋排水管引排的方法处理施工缝及裂缝渗漏点。经过方案比选，最终采用压力注浆法处理施工缝及裂缝渗漏点。
压力注浆法在裂缝处采用适应高海拔严寒地区的快凝膨胀型高分子PU灌浆堵漏材料，外层选用的KP高分子堵漏密封材料进行堵漏。选用E44合成高分子环氧树脂灌浆材料对衬砌结构进行补强；采用渗透结晶防水涂料对衬砌混凝土进行修复，并采用高分子柔性防水涂料进行衬砌表面防水处理。[4]
3.2纵向排水系统的疏通
首先对设计预留检查井进行保温封堵。外侧采用填塞聚氨酯保温板和安装表面防火板封闭。
处理后的纵向排水管检查井如下图所示。
图2 纵向排水管检查井保温封闭示意图
同时凿开二衬边墙底部，找到纵向排水管，在距隧道出口200m区域内放置恒功率电伴热带系统，主动加热纵向排水管中的水，防止结冰堵塞。
3.3环向排水系统的疏通
在环向增加4道引入中心排水沟的横向排水管。横向排水管采取聚氨酯材料进行包裹，管内放置恒功率电伴热带，对管中水进行加热，防止冰冻现象发生。管道接好后采用碎石覆盖，覆盖厚度5cm以上，碎石覆盖层作为过滤层，可防止水泥浆、泥土进入排水系统，造成堵塞。管槽用C50膨胀混凝土进行封闭，混凝土分两层进行浇筑。并将原设计的纵向排水管检查孔用混凝土进行了封堵，以免纵向排水管内发生冰冻。[3]
3.4电伴热保温系统的运用
本次处理隧道渗漏，在部分环纵向排水盲管内放置了电伴热带。
电伴热系统是这次渗水处理的关键，电伴热保温系统由恒功率电伴热带、防爆温控器、电器控制箱组成。恒功率电伴热带由镀锡铜丝、芯线绝缘层、内护套、发热丝、外护套、编织层、加强层组成。恒功率电伴热带具有柔软形变、任意切割、发热稳定、防漏电、使用寿命长等特点。目前国内电伴热系统设计生产工艺都较成熟，厂家也较多。电伴热保温系统可以解决了隧道排水系统在冬季冻结引起渗漏的难题。
3.5防寒泄水洞内预留孔洞的疏通清理
由于在泄水洞内预留泄水孔内外都发现了大量的白色结晶物，我们参考隧道地质水文资料和有关文献对的可能来源分析如下[5]：
1、围岩。当地下水流经石灰岩等富含碳酸钙矿质的岩层时，将会携带有大量的钙盐物质。流水进入隧道区域后，在管道内流速较缓或存有积水的部位将会产生钙质沉淀，经长期的沉淀积累，这些沉淀将会结晶凝结成块，最终堵塞排水管。
2、环境水。假如环境水中含有大量硫酸盐或硫酸根离子，这些硫酸盐往往会与混凝土中的氢氧化钙反应生成硫酸钙（石膏）。这些硫酸钙与混凝土中的铝酸钙发生再次发生反应，产生可以析出的硫铝酸钙晶体（钙矾石）。
3、混凝土原材料。混凝土主要是由胶凝材料，细、粗集料，以及外加剂与水拌制而成的混合体首先水泥作为胶凝材料，在影响白色结晶物形成的原因上，占据决定性因素。石膏在水泥中起到调节凝结硬化时间的作用，所以是水泥产品中必要的矿物。石膏中的硫酸根极有可能与某些金属离子结合成相应的硫酸盐，而少部分硫酸盐同样也会以白色晶体的形式从混凝土当中析出。
由于设计上没有有效的反冲洗设计措施，所以无法采用隧道盲管结晶堵塞清除剂（化学方法）。实践中，采用高压水对防寒泄水洞内预留孔洞和检查井处可见盲管进行了冲洗疏通（物理方法），清除大量了洞内白色钙化物沉淀。
4 处理效果
2017年底，对已安装了恒功率电伴热带系统的纵向排水管进行检查，发现管内没有冻结，排水通畅。泄水洞内预留孔洞比前次增加了部分淤积白色沉淀物（不足管径的1/3），但流水依然畅通。隧道整体没有发现渗漏，前期的采取的综合技术措施处理具有很好的效果，达到了预期目的。
5 总结
随着我国经济的发展，高原高寒地区公路隧道不断出现，此类隧道冬季排水系统冻结引起的渗漏水病害治理是一个难题，在许多高原高寒地区铁路隧道设计时已采用电热保温系统来解决这个问题，此类公路隧道设计也应在以后的设计中予以考虑。
高原高寒地区公路隧道防水措施设计应进行加强，首先要改变敞露式纵向排水盲管检查井设计，改为开合式设计，增加保温措施封闭。同时隧道防水板设置应该借鉴高速铁路隧道设计深入至仰拱底部。
提高隧道排水盲管内钙化物的防治处理意识。充分认识到当隧道排水盲管堵塞后，大量积水将会留存于衬砌背后，如果得不到及时治理，就会导致隧道渗漏等较严重后果，影响行车安全。设计时应考虑预留反冲洗装置。使隧道盲管系统可以得到物理和化学的反冲洗式疏通。另外应重视泄水洞的维保，将泄水洞的维保措施编制成册，工程交付后应由养路部门按照要求定期进行养护维保。
高原高寒地区隧道渗漏水病害处理难度大，费用高，而且反复性强。应采取预防为主、综合治理原则来制定相关技术措施。在设计阶段就要完善专项设计方案，多采用新技术、新材料、新工艺、新方案。从源头上克服高寒气候条件对隧道带来的不利影响。施工阶段必须采取有效措施来强化排水系统施工工艺质量。
参考文献
［1］刘党朝．高原浅埋冻土隧道施工技术［A］．工程技术，1671-5659（ 2016） 58-0188-02．
［2］丁静康 韩龙武.多年冻土与铁路工程[M].中国铁道出版史,2011：363-365.
［3］张剑．高寒地区铁路隧道防冻排水设计探讨［A］．铁道建筑，1003-1995( 2014) 10-0016-06．
［4］邓雄．高寒地区公路隧道渗漏水治理技术［A］．山西建筑，2014，1009-6825( 2014) 20-0226-02．
［5］许彦辉. 山岭隧道排水盲管白色结晶物形成原因分析及相关问题探讨［A］建筑建材装饰，1674-3024（2016）22-0151-01.
论文作者:何海洋
论文发表刊物:《防护工程》2019年10期
论文发表时间:2019/8/13
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