西察公路高海拔高寒富水区关角山隧道防冻害措施研究

刘冬雯

(中铁五局集团第一工程有限责任公司 长沙 410116)

1 工程概况

新建西(海)至察(汗诺)公路工程关角山分离式隧道位于青海省海西州天峻县境内，全长3638m，隧道最大埋深410.53m。隧址地层主要由二叠系砂岩(P1-2CI)、三叠系砂岩及灰岩(T1-2d)和第四系全新统坡、洪积层(Q4dl+pl)组成，存在多条断层和岩性接触带[1]。

关角山隧道进出口与相邻废弃老青藏铁路关角山隧道相距230、1150m，两隧道地质条件相似，老青藏铁路隧道底板高程4010m，新建西察公路关角山隧道底板高程3684～3693m，老青藏铁路隧道测量涌水量10126m3/d，新建西察公路关角山隧道设计单洞涌水量30000m3/d。隧址属大陆性高原气候，寒长暑短，年平均气温-1.1℃，极端最低气温-35.8℃[2]。

新建西察公路关角山隧道是典型的高海拔高寒富水隧道，如何减少冻害整治成本，确保建成运营无冻害，防止冻害事故发生，建设单位组织技术力量，进行了冻害调查、设计优化、推广工装工艺工作。

2 建成隧道冻害调查

2018年12月、2019年5月份两次对青海省建成运营的花久、玉曲等多条公路隧道，兰新铁路第二双线、西格铁路隧道进行现场调查，一是调查隧道冬期冻害类型，二是调查冻害整治情况，冻害调查情况和整治情况如下。

二衬背后均有防水板设计，仰拱顶部纵向施工缝、拱墙环向施工缝均有中埋式止水带等防排水设计，主要由于施工工艺原因造成防、排水系统失效，富水段落或运营期间由于地下水势能发生变化，富水区域外扩段落均会出现冻害，如图1、图2所示，冻害表现形式为二衬背后积水通过仰拱纵向施工缝、拱墙环向施工外渗到路面结冰，易造成行车安全事故。

图1 仰拱纵向施工缝防水系统失效结冰

图2 拱墙施工缝防水系统失效结冰

2.1 冻害类型

2.1.1 止水系统冻害

(1)施工缝止水系统失效的危害

施工缝施工主要存在:①混凝土接缝未凿毛，新旧混凝土结合不好，易发生渗流；②止水带安装不合格甚至破损未起到止水作用等施工问题[3]。

据现场调查，不同的隧道在洞口向里约800～1000m左右范围内施工缝漏水会产生路面结冰，特别是自洞口向里500m范围尤其严重，超过距洞口1000m范围多以水的形式存在不易成冰[4]。

(2)施工缝止水失效的原因分析

如图3所示，拱墙止水带由于无工装定位及防倒措施，止水带安装不居中，由于自重使得止水带下垂切割混凝土或形成空洞，止水带不但不能止水，而且会形成混凝土病害[5]。

图3 二衬拱墙止水带主要失效形式

如图4所示，仰拱顶部纵向施工缝：①上环二衬浇筑时混凝土砂浆通过二衬台车堵头板缝隙外流至仰拱顶部的砂浆未及时清理形成结构软弱面，同时也是防渗薄弱部位；②未清除仰拱顶部浮浆，降低了防渗能力；③止水带安装未使用定位、焊接工装工艺及防倒伏措施，止水带安装不合格，止水带止水效果差。

图4 仰拱顶部纵向施工缝未清理浮浆及止水带不居中无防倾覆措施

2.1.2 排水系统冻害

(1)排水系统设计

拱墙环向排水盲管原设计为平均3m均匀布置，排水盲管与拱墙环向施工缝距离较远，在防水板失效的前提下，排水盲管排除施工缝附近的压力水作用不大。

拱环向导水管设计为平均5m均匀布置，一环二衬一般施作12m；设计参数无法在一环二衬内相对固定的位置进行设置排水盲管和导水管，不利于后期维护时定位排水盲管和导水管位置。

拱墙环向排水盲管、仰拱环向导水管、纵向排水管与三通联接易出现脱节，混凝土堵塞管道，衬砌背后积水无法排出，加大止水带止水压力。

洞口段500m范围内，纵向排水盲管、仰拱导水管未在冻结深度以下，如果流水量不大和流速小易发生冰塞堵孔。

深埋水沟在冰期自洞口向里逐渐发生冰塞堵沟，使得排水不畅，如图5所示。

图5 仰拱导水管冰塞

(2)排水系统设计调整[6]

如图6所示，拱墙排水盲管调整为按单环二衬不均匀进行布置，按距施工缝0.5m布置一道，其余均匀布置，可减轻施工缝止水压力。

图6 拱墙排水盲管优化设置示意图

如图7所示，仰拱导水管按距施工缝3m布置，易于单环二衬导水管定位。

图7 仰拱导水管优化设置示意图

拱墙排水盲管和纵向排水盲管之间、纵向排水盲管与仰拱导水管之间均采用三通联接(如图8)，三通与排水管之间必须联接牢固。

图8 三通接头与导水管、排水盲管采用尼龙扎带穿孔固定

现场整治调查发现，二衬背后积水排泄不畅，凿开积水部位，存在两种现象，一是漏设排水管，二是排水管被混凝土堵塞；三通与排水管宜采用尼龙扎带穿过三通和排水管的扎孔进行联接，防止混凝土振捣时三通与排水管脱节造成混凝土堵孔。

2.1.3 二衬混凝土冻害

(1)二衬混凝土冻害的危害

如图9所示二衬混凝土存在冷缝，特别是洞室周边,防水板破损防水失效后，二衬背后积水易通过冷缝渗出结冰，同时劣化混凝土。

图9 二衬混凝土冷缝及洞室渗水结冰

如图10所示，二衬混凝土存在空洞，富水地段必然形成水囊发生冻胀，劣化混凝土，严重时造成拱顶掉块[7]。

图10 二衬混凝土脱空

(2)二衬混凝土冻害原因分析

混凝土浇筑未采用分层逐窗布料系统，混凝土浇筑间隔时间未控制好，造成混凝土离析和结构冷缝，使得混凝土密实度不好，降低了混凝土自身的抗渗性能[8]。

拱部混凝土冲顶不饱满，易形成空洞，空洞积水结冰后体积膨胀巨大，经多次冻融循环冻胀使拱顶损伤变形，形成冻害[9]。

二衬混凝土宜采用防治缺陷成套技术措施，提高混凝土施工质量。

2.2 整治情况

2.2.1 整治影响交通

整治需要破坏路面或搭设管架，需要封闭交通，影响通行能力，如图11所示。由于整治部位多，时间较长，封闭交通有时达到2个月左右，社会影响大。

图11 仰拱横向导水管返工

2.2.2 整治费用高

某单位施工某分离式隧道独头1700m，一年的整治费用达200多万元，由于整治方案不合理，整治效果不好，发生多年多次整治现象。

2.2.3 整治难度大

整治条件相对较差，如购买商品混凝土运输距离长，工人生活条件差等。

特别是排水系统冰塞整治，如果只是清除塞冰，次年冬期仍会出现冰塞。铁路隧道会发生结冰塞住道岔造成灾难事故，如图12所示。仰拱导水管、中央排水沟冰塞需要系统整治，整治难度大。

图12 某铁路隧道防排水系统失效道床结冰

二衬混凝土离析、冷缝，仰拱与拱墙施工缝新旧混凝土结合不好等二衬混凝土劣化整治目前只能采钻孔引水和注浆加固等方案，整治效果差，无法达到设计要求，会严重降低使用寿命。

3 防止冻害措施

高海拔、高寒、富水隧道冻害的主要三个原因：

一是包括防水板、止水带、仰拱顶部施工缝新旧结合面等防水系统的施工出现质量问题，防水系统失效，发生施工缝渗漏水形成冻害，其特点是路面结冰易形成交通事故、整治效果无法达到设计状态、对混凝土使用年限造成劣化影响；

二是包括拱墙排水盲管和仰拱导水管布设不合理、三通管联接等排水系统失效，排水不畅加剧防水系统失效部位的防水压力，防水效果恶化，形成冻害，其特点是整治需封闭交通，整治安全风险高；

三是二衬混凝土施工存在冷缝、离析造成密实度不好、特别是洞室部位易出现混凝土薄弱面，降低了混凝土自身防水能力，防水系统失效后，二衬背后积水易通过混凝土结构薄弱面渗水形成冻害，其特点是整治效果差、劣化混凝土，缩短使用年限；

四是部分隧道由于运营期间排水量少，排水坡度小、排水速度慢，易出现排水系统从出水口开始向洞内陆续结冰冻塞，其特点是整治难度大，增设的加热保温系统需要电力扩容。

根据形成冻害的主要原因，从设计优化、施工措施两方面提出相应的预防措施，防止冻害发生。

3.1 防水系统防止冻害措施

3.1.1 防水板

(1)焊接：采用超声波焊接工艺，减少防水板与热熔垫片焊接破点。

一是操作程序的冲突问题。《民事诉讼法》《人民调解法》《最高人民法院关于人民调解协议司法确认程序的若干规定》和《最高人民法院关于适用〈中华人民共和国民事诉讼法〉的解释》相关条款的规定，申请人民调解协议司法确认，双方当事人应当在达成调解协议后30天内，共同向人民法院提出申请；法院收到当事人的申请后，进行立案审查，在3日内决定是否受理；法院受理当事人的申请后，应当指定一名审判人员对调解协议进行审查。根据上述规定，司法确认程序的启动，是调解程序完成之后，审查确认工作也在法院受理后进行。“一站式”司法确认机制，在当事人申请司法确认之间即提前介入调解程序，与现行法律和司法解释的规定产生了冲突。

(2)搭接：加强防水板搭接焊缝质量管理，特别是洞室棱角部位。

3.1.2 止水带

(1)焊接：止水带采用热硫化焊接工艺，提高接缝质量。

(2)定位：采用合适的堵头板或夹具，对中埋式止水带进行定位，做到“两个居中”，即止水带埋入一半露出一半、止水带位于混凝土的中间位置。

(3)防扭曲：沿止水带纵向位置每隔0.5m的两侧各设一根φ6.5钢筋进行固定，防止中埋式止水带受重力和混凝土浮力影响发生扭曲。

(4)防损：对于仰拱环向中埋式止水带易受到仰拱开挖爆破和清渣影响造成损坏，宜对仰拱堵头模板进行分块包裹设计，即按中埋式止水带设计位置对堵头板分上下两块夹住止水带保证止水带的“两个居中”，堵头板采用“L”形对止水带进行包裹，可以有效防止止水带受损。

3.1.3 仰拱纵向顶部施工缝

(1)清漏浆：二衬拱墙混凝土浇筑时，部分砂浆会通过堵头板缝隙污染仰拱顶部，要及时清理，防止形成防水薄弱面。

(2)清浮浆：根据规范要求采用人工或小型混凝土凿毛设备对仰拱顶部混凝土浮浆进行清理，保证新旧混凝土结合良好，防止形成防水薄弱面。

3.2 排水系统防治冻害措施

3.2.1 做好排水盲管及三通的联接

(1)定位：考虑在防水系统失效的情况下，合理设计拱墙排水盲管与二衬环向施工缝的距离，有效排除施工缝附近压力水，减轻施工缝止水带防水压力；做好仰拱横向导水管在每环二衬的定位工作，有利于后期维护定位。

(2)联接：采用合适的方式做好三通与排水盲管的联接，防止排水盲管与三通被混凝土施工影响造成脱节使得排水系统失效。

(3)保温：仰拱横向导水管顶部设泡沫混凝土进行保温，防止冰塞；纵向排水管预设穿管铁线、预留保温电源容量，一旦发生排水管冰塞可以增加纳米热棒加热保温消除冰塞[10]。

3.2.2 做好中央深埋排水沟清淤和保温

(1)清淤：交工前做好排水沟清淤工作，保证排水通畅。

(2)保温：如果发生水沟冰塞可以采用机械老鼠辅助增设纳米热棒加热保温。

3.3 保证混凝土自身防冻害能力

3.3.1 防止混凝土离析

二衬台车采用“分层逐窗滑槽”混凝土布料工装，可以防止混凝土自由倾落高度超过2m的离析，也可以防止混凝土入仓后靠自身重力长距离水平运输的离析，做好振捣工作，保证混凝土密实度，提高自身防渗能力。

3.3.2 防止混凝土浇筑间隔超时

做好混凝土运输时间管控工作。

3.3.3 使用带模注浆工艺[11]

后期注浆，拱顶混凝土可能已被积水污染，浆液与拱顶混凝土结合不好，甚至会有分层现象，对部分后期注浆拱顶取芯发现注浆与混凝土有明显的界面。

带模注浆施工工艺，是在拱顶混凝土初凝前进行注浆，浆液强度与二衬混凝土强度相同，流动性好，无收缩，其特点是：

(1)带模注浆由于是在拱顶混凝土初凝前进行注浆，浆液与拱顶混凝土结合好，不会出现分层；

(2)带模注浆浆液强度高，不会减弱二衬混凝土结构厚度，有利于结构受力；

(3)带模注浆无收缩，普通的净浆收缩率高注浆后还会留有空洞。

4 结论

通过对相似地理环境的公路隧道冻害调查，从防水系统、排水系统、二衬混凝土三个方面分析产生冻害的原因，提出相应的“工装工艺”和设计优化应对措施，在施工过程中落实严格的检测和奖惩措施，一定会减少高海拔、高寒、富水隧道冻害，从而减少整治成本，减少整治对运营期间的交通影响和社会影响，保证隧道使用寿命。