严寒区域下穿隧道保温型防排水施工技术的应用研究

张拓

摘要：严寒区域气象条件恶劣，常导致隧道结构形成渗漏、混凝土剥落等冻害，为此研究严寒区域下穿隧道保温型防排水施工技术非常必要。通过铺设并焊接防水板作为防水层，采用双层隔热法设置保温隔热层，以排水沟、集水井和出水口组成排水系统，实现严寒区域下穿隧道保温型防排水施工。实例结果表明：施工后隧道围岩温度较施工前上升了6.24℃，保温效果较好，证明设计施工技术可以有效防止隧道发生冻害。

关键词：严寒区域；下穿隧道；保温型防排水施工；施工技术

0   引言

我国高海拔、高寒地区的地质复杂且环境恶劣，围岩容易产生冻融冻胀等现象，从而引发铁路隧道冻害问题愈发突出。为保障铁路的运营安全，我国交通运输部门每年都需要投入大量资源与精力来整治隧道冻害，耗资巨大。鉴于此，采取必要的措施，從源头上解决严寒区域下穿隧道的冻害问题变得十分重要。

通常我国对已建或新建的隧道采取保温与防排水措施，来解决隧道的冻融和渗漏水问题。根据相关研究成果发现，目前我国隧道保温防排水工程中仍存在很多问题，如对隧道冻害理论掌握较少，常见保温防排水措施适用范围有限等。本文在搜集并整理相关严寒区域下穿隧道冻害资料的基础上，深入研究一种下穿隧道保温型防排水施工技术，以期为类似工程提供参考。

1   严寒区域下穿隧道保温型防排水施工要点

1.1   铺设和焊接防水板

我国相关规范要求，在进行严寒区域下穿隧道防水层施工时[1]，需要采用防、堵相结合的施工方式。简单来说，就是先利用围岩注浆技术，将隧道渗漏水的地方堵住，避免水渗流至隧道内影响后续防水效果，再通过铺设防水板的方式形成隧道防水层。

1.1.1   防水板材料选型

防水板的材料直接关系到防水效果，本文综合考虑防水性以及隧道运营期间的荷载作用，选用EVA防水板。该防水板不仅防水稳定性较好，而且具有较强的抗拉伸性。

1.1.2   铺设土工布

在正式铺设防水板之前，需要在隧道围岩上铺设一层土工布作为缓冲层，这不仅可以缓解隧道围岩对防水板的压力，而且可以对水中颗粒进行过滤，避免破坏防水板。

铺设土工布时要确保土工布对称且平整，由隧道中线位置出发，向拱部两侧开始铺设，这样不仅可以保障土工布的铺设效果，而且可以提升后续防水板的铺设质量。一般情况下，采用射钉将土工布以及防水板的垫圈一起固定在隧道围岩平面上，如图1所示。

1.1.3   防水板的铺设

本文主要通过半自动铺设台车来辅助人工进行铺设，从隧道拱顶的中线处开始，向隧道两侧拱脚进行铺设。铺设过程中，确保防水板平顺且松紧适度，相邻两块防水板之间的搭接处需整齐严密[2]。

1.1.4   焊接防水板

采用微波焊接技术将防水板固定在隧道围岩上。微波焊接技术就是将垫圈表面钢丝网进行熔化，在和防水板接触面充分熔合后冷却定形，以此实现牢固的连接。焊接时注意多块防水板之间的焊缝应错开，不能有三块以上的防水板搭接在一起，防水板焊接如图2所示。

在进行防水板焊接施工时，施工人员需一只手顶压防水板，另一只手拿着焊接机焊枪，将防水板焊接在垫圈上，每一个焊缝的焊接时间为3s。在全部防水板焊接成功后，需要进行质量检查工作。如果存在漏焊、假焊等现象，需要及时进行补焊。如果存在焊穿、烧焦等现象，需要更换防水板进行覆盖修补。保证每一条焊缝宽度均匀且表面平整，检查无误后进入下一道工序。

1.2   设置保温隔热层

严寒区域下穿隧道围岩会因冻融、冻胀等现象导致隧道冻害的形成，所以在做好隧道防水层施工后，需要设置保温隔热层[3]。

1.2.1   保温层设置方法

针对严寒区域下穿隧道施工的实际要求，本文采用双层隔热法进行保温层的设置，简单来说就是在隧道二次衬砌的内外两侧分别铺设一层保温材料，以保障隧道的保温效果。双层隔热法如图3所示。

1.2.2   推算出隧道保温层的厚度

根据隧道的融化深度推算出隧道保温层的厚度，其计算公式如下所示：

（1）

式中，h表示严寒区域下穿隧道保温隔热层的厚度；α表示隧道围岩的导热系数；T表示隧道内的年平均温度；δ表示常数，由隧道内年最高温度和最低温度做差获得；D表示科士威常数；P表示隧道围岩土体的密度；Q1表示隧道围岩中的含水量；Q2表示隧道围岩在冻融现象下的未冻水量。

1.2.3   保温材料的选取

本文针对严寒区域下穿隧道的实际地质条件与施工要求，选择聚酚醛泡沫作为保温隔热层的材料[4]。该材料具有缓冲性小、耐热性能好等优势，完全满足严寒区域下穿隧道保温层的施工要求。

1.2.4   注意事项

分别在隧道防水层与二次衬砌之间、二次衬砌和衬套之间，按照式（1）所求厚度，将聚酚醛泡沫以外贴式的方式设置在隧道上。与此同时，综合考虑严寒区域下穿隧道长度、隧道内外温差以及风速风向等因素，需要在隧道洞口段一定范围内，保留保温隔热层的设防长度，一般为600m左右。至此隧道的保温隔热层施工完成，做好检查工作后进行下一道工序。

1.3   排水系统施工

1.3.1    排水系统施工的重要性

无论是降雨还是地下水，都会对下穿隧道结构造成影响。严寒区域下隧道围岩性能稳定性较差，如果遇到降雨天气或者地下水将会发生渗漏。排水系统可以保证隧道内排水畅通，避免水分堆积破坏防水层[5]，所以为确保隧道整体结构的稳定，需要做好排水系统的施工。

1.3.2   设置排水沟

设置排水系统时，需要综合考虑隧道衬砌不渗水、道床不浸水以及衬砌背后不积水这几个原则。本文设置一个由排水沟、集水井和出水口组成的排水系统。

为有效疏导隧道衬砌背后的积水，需要在隧道设置排水沟，将衬砌背后积水引至集水井。在本文设计的排水系统中，将排水沟设置在冻土层之下，这样不仅可以避免因天气寒冷造成排水沟内水流结冰，影响排水系统的排水效果，且可以防止排水沟内水流到道床上，因水结冰而威胁行车安全。

一般来说，隧道排水沟需要设置横向、纵向以及环向这3种排水管，综合考虑严寒区域的实际地质条件。选择单壁打孔波纹管作为排水管，沿下穿隧道两侧，先分段开挖土方形成底部排水沟，再将波纹管设置在排水沟中，用于引水。波纹管主要为承插式，需要采用橡胶圈将多节波纹管进行密封，同时采用PE板窄条和长水泥钉将波纹管锚固在隧道围岩上，然后进行土方回填至管顶。

1.3.3   设置集水井

集水井顾名思义主要用于收集排水沟排出的水。需要在下穿隧道两侧每100m就设置一个集水井，便于分段的排水沟将水引至集水井。为确保隧道洞口的水可以顺利排出，需要在洞内反坡排水时进行集水井的设置，并在隧道实际运营期间，通过污水泵与抽水机将集水井内积水抽出。

1.3.4   设置出水口

出水口主要负责将隧道内水排出洞外，所以出水口一般设置在下穿隧道的背风、向阳以及坡度较大的跌水处，并采用原包头式出水口。鉴于排水口设置在隧道外，需要做好防冻措施。综上，本文以防水板为主设置隧道防水层，并辅以保温材料设置隧道的保温隔热层，最后通过完整的排水系统，保障隧道排水通畅，以此实现了严寒区域下穿隧道的保温型防排水施工。

2   实例应用

2.1   工程概况

某铁路隧道位于我国青藏高原东北部，是青藏高原周边城市的重点基础设施工程之一。该隧道全长980m，海拔2765m，由于隧道所处地理位置海拔较高，其地质条件与水文条件极其复杂，隧道上覆淤泥质土、粉质黏土以及卵石土，周围岩浆活动频繁且强烈，岩石呈断裂发育。

隧道所处地区属我国高原寒冷气候带，年平均气温在0℃以下，导致隧道结构出现中等程度的冻胀破坏，且该地区长年多雨，隧道渗漏水问题严重。因此，需要采用本文设计施工技术对该隧道进行保温防排水施工。

2.2   应用效果分析

2.2.1   主要仪器选型

在隧道保温型防排水施工结束后，为验证本文设计施工技术的正确性，对隧道温度进行监测，根据隧道围岩的温度，来判断本次施工的保温效果。表1为本次隧道测温使用的主要仪器。

2.2.2   温度监测

在隧道围岩上不同高程位置处布置测温孔，如图4所示。然后由专人对隧道的围岩温度进行观测。为避免极值温度影响监测结果，每隔3h进行一次测温并记录，最后对比日平均值，对比结果如表2所示。

2.2.3   数据分析

根据表2数据可知，该隧道未进行保温型防排水施工时，隧道围岩各测点处平均温度为-6.4℃。分析认为，此时隧道围岩易发生冻融与冻胀现象，导致围岩松动、变软，从而影响隧道整体结构，不仅会渗漏水，且隧道整体结构可能会下沉。

在进行保温型防排水施工后，隧道围岩各测点处平均温度为-0.16℃，较施工前上升了6.24℃。分析认为，此时隧道围岩固定牢靠，不仅不易剥落，而且不会因冷热交换而发生渗漏等冻害。由此可以说明，本文设计的保温型防排水施工技术可行可靠，于严寒区域下穿隧道较适用，可以有效避免隧道冻害的形成。

3   结束语

本文以严寒区域下穿隧道保温型防排水施工技术的应用研究为课题，针对严寒区域下穿隧道所处地质环境复杂、气候条件恶劣等特点，设计一种由防水板、保温层及排水系统构成的保温型防排水施工工艺，并通过实例应用验证了设计施工技术的有效性，有效解决了我国严寒区域下穿隧道易冻害的问题。

在本次研究中既有成功经验也有一定不足之处，如文中主要针对施工工藝进行了详细研究。今后应该开发出一套适用于严寒区域施工的成套施工机械设备，以此提升隧道施工效率，并为类似工程提供借鉴。

参考文献

[1] 庞小冲，朱小明，穆彦虎，等.寒区隧道保温设防长度工程

实践与研究进展综述[J].冰川冻土，2022，44（3）：998-1010.

[2] 张素磊，鲍彤，YOO Chungsik，等.隧道复合式防排水系

统的设计、试验及工程应用[J].中国公路学报，2021，34（4）：

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[3] 许鹏，伍毅敏，严晓东，等.严寒地区高铁隧道温度场及保

温层有效性分析[J].中国铁道科学，2022，43（4）：64-73.

[4] 缪仑，周裕.明挖、矿山法组合施工大断面隧道防排水系统

研究[J].现代隧道技术，2022，59（S1）：876-880.

[5] 袁金秀，王道远，王悦，等.寒区隧道温度场理论解及防寒

保温设防长度[J].铁道工程学报，2022，39（5）：59-64.