2013年1月 铁道工程学报 Jan 2013 第1期(总172) JOURNAL OF RAILWAY ENGINEERING SOCIETY NO.1(Ser.172) 文章编号:1006—2106(2013)01—0049—05 讨 寒冷及严寒地区铁路隧道防排水设计探 朱国伟 (铁道部工程管理中心, 北京100038) 摘要:研究目的:我国寒冷及严寒地区已建成的隧道存在渗漏水影响造成的仰拱翻浆冒泥、衬砌开裂、底鼓甚 至侵限等一系列病害。通过对东北地区既有铁路隧道防排水技术现状及运营维护状况进行的调研,分析严寒 及寒冷地区防排水设计、施工和运营中存在的问题,指出防排水设计技术需要不断提升水平,从而简化运营维 护及保证行车安全。 研究结论:结合拟建及在建隧道的防排水设计、施工中存在的实际问题以及新工艺、新材料的实用,总结 出保温水沟、中心深埋水沟、防寒泄水洞以及保温盲沟等保温排水的设计应优先采用新型保温材料,减少施工 工序以及减低施工难度,以充分解决寒冷及严寒地区隧道的冻害问题。 关键词:寒冷及严寒地区;隧道;保温;防排水 中图分类号:U25 文献标识码:A Disccusion on Waterproofing and Draining Design of Railway Tunnel in Severe Cold and Cold Regions ZHU Guo—wei (Project Management Center of Ministry of Railways,Beijing 100038,China) Abstract:Research purposes:The water leakage has happened to the tunnel in the severe cold and cold regions, resulting in a series of the disasters.such as rising soil of the inverted arch,lining cracking,heaving floor and even invasion of limitation.Based on investigation and analysis of the current situation of the waterproofing and draining technologies and current maintenance situation of the existing the railway tunnels in the Northeast China.the analysis of the problems in design,construction and maintenance of the waterproofing and draining facilities was made and it was proposed that the waterproofing and draining technologies could be continuously improved to simplify the operation and maintenance and ensure the traffic safety. Research conclusions:Combining with the real problems in design and construction of the waterproofing and draining facilities for the planned tunnel and the tunnel under constuctrion and the印plication of the new technologies and new materials,it is proposed that the new type heat insulating material should be used for the heat insulating ditch,central deep buried ditch,cold—proof weepage hole and heat insulating blind ditch to reduce constuctrion process and the constuctrion diiculfty for thoroughly solving the freeze injury of the tunnel in cold region. Key words:in severe cold and cold region;tunnel;insulation;waterproofing and draining 目前我国已建成的许多位于高纬度处于寒冷及严 寒地区的隧道由于渗漏水及冻胀造成仰拱翻浆冒泥、 衬砌开裂、底鼓甚至侵限等一系列病害,一直困扰着当 地铁路的运营安全并带来了极大的负担。而这归根结 收稿日期:2012—08一o4 作者简介:朱国伟,1971年出生,男,高级工程师。 50 铁道工程学报 2013年1月 底与隧道的防排水技术休戚相关。虽然近年来随着一 系列新工艺、新材料的出现以及工程界对隧道防排水 技术的普遍重视,使其取得了一定的进步和成就。但 由于影响高纬度地区隧道防排水质量的因素众多,使 得彻底解决隧道防排水问题的难度大大增加,以至于 该地区许多近些年修建的隧道在建成后不久也受到了 影响。 因此,针对目前寒冷及严寒地区国内防排水技术 的现状,有必要作更加深入的探讨,对该地区的防排水 技术提出更新的设计措施,以期改善目前的不利局面。 1 寒冷及严寒地区既有隧道防排水状况 1.1 防排水原则不断创新和完善 隧道防排水原则随着人们认识的增长而不断地创 新和完善: (1)20世纪7O年代以前,由于当时技术水平和认 识的不足且隧道数量很少,人们对隧道的防水和排水 不大重视,隧道的防排水设计基本都是以排为主; (2)20世纪80年代以后,伴随着人们对环境的进 一步关注,虽然大部分隧道仍是以排为主,但已经逐步 认识到堵水的重要性,一部分隧道采取堵排结合; (3)20世纪90年代以后,防排水原则变为:防、 排、截、堵相结合,因地制宜、综合治理。从2001年开 始《地下工程防水技术规范》中又增加了“刚柔相济” 这一条; (4)伴随着国民经济的发展以及对水资源尤其是 地下水的需求和人们对环境保护意识的进一步增强, 堵水将变得日益重要,隧道防排水未来的发展方向将 是以堵为主、堵排结合,注重保护环境。 1.2 防排水设计不断完善 研究过程中通过分析收集不同年代修建的处于寒 冷及严寒地区的哈尔滨铁路局、沈阳铁路局既有线 280座隧道(总长约为98.3 km)资料,结合现场调查 哈尔滨铁路局范围内的40余座隧道的防排水设计及 病害整治资料,可以看出寒冷及严寒地区既有隧道防 排水设计不断完善的过程。 1.2.1建国前修建的隧道 基本为单线隧道,主要采用环向盲沟经泄水孔汇 入泄水洞或中心深埋水沟形式将隧道内积水排出隧 道,其中环向盲沟由碎石或块石堆砌形成竖向盲沟,边 墙处设置。衬砌背后无防水板。中 15、'检查井结合避车 洞设置。部分水量较小的隧道甚至无排水措施或仅设 置单侧沟。 1.2.2建国后到20世纪8O年代修建的隧道 所有的隧道均设置一定的防排水措施: (1)一般采用单侧(或双侧)保温水沟与中心排水 沟的排水系统。中心水沟采用泄水洞、中心渗沟或中 心深埋水沟形式。中心检查井结合避车洞设置或设于 隧道内两轨之间,间距为30 m。 (2)隧道均设置环向及纵向盲沟,盲沟经泄水孔 引入中心水沟。环向盲沟形式有:由碎石或块石堆砌 而成,边墙处设置;由保温性能较好的木槽构成,置于 衬砌背后一定深度,由拱部设至边墙脚,通过泄水孔与 中心深埋水沟连接,但使用较少。 (3)施工缝采用中埋式橡胶止水带防水,间距一 般8~12 m一道。变形缝在地层显著变化处、明暗分 界处设置。对于最冷月平均气温低于一15℃地区的 沙力隧道等部分隧道通长每隔3O~50 m补充设置温 度变形缝,温度变形缝一般通长设置,隧道中部间距较 洞口段大。 1.2.3 20世纪90年代后建成的隧道 在上述措施的基础上,隧道防排水设计又有新的 发展: (1)隧道环向盲沟由保温透水管构成; (2)隧道拱墙初期支护与二次衬砌之间采用防水 层防水。防水层材料包括早期的双层麻布中间涂沥青 及臭油、沥青浆、水泥浆等,近期多采用防水板作为保 温材料。 1.3存在的病害情况分析 由于早期修建的多数既有隧道防排水措施不到位 甚至缺失以及当地异常恶劣的气候条件,使得隧道漏 水和冻害问题变得日益严重。有调查资料表明,哈尔 滨铁路局范围内90%以上隧道冬季发生挂冰现象。 隧道的漏水或结冰,易造成衬砌混凝土的劣化和 变异,降低通信信号、电力和钢轨及扣件等设备的耐久 性。而漏水过程中带走衬砌背后的泥沙,会进一步扩 大衬砌背后的空洞,产生偏压、地表下沉等次生灾害。 在寒冷及严寒地区,洞内结冰增加了对列车运行安全 的威胁和对线路维修人员的行走和作业的困难,结冰 过程体积变大也会加剧衬砌进一步劣化,严重的甚至 发生掉块。 现场调研发现滨州线的兴安岭隧道(L=3 100 m, 双单线)以及滨绥线的杜草隧道(L=3 900,双单线) 均是全长发生冻结(调查期间该地区洞外温度在一4 (白天)一一17℃(夜间))。该路段道床每隔几个小 时就需凿除一次。 1.4隧道病害对防排水设计的影响 高纬度地区隧道严重的冻害整治和维修的过程给 所属各铁路局带来了承重的负担,同时也给今后寒冷 及严寒地区隧道防排水设计带来一定的启示。 第1期 朱国伟:寒冷及严寒地区铁路隧道防排水设计探讨 51 第一,提高混凝土的自防水性能,二次衬砌混凝土 中掺加抗裂防水剂等可以提高混凝土抗裂防渗性能的 添加剂;加强结构混凝土和防水材料抗冻性能,做好接 缝防水;隧道内所有防水材料,要具有一定的抗冻性 能,防止因收缩、冷脆而失效。 第二,应考虑设置温度变形缝,其间距一般为30~ 60 m。长度大于2 km的隧道中部温度变形缝间距可 适当加大。 第三,对于洞内排水设计的影响。一般情况下,冬 季隧道内的气温,在洞口附近接近外气温,往隧道里面 温度渐渐升高。因此,越接近洞口隧道冻害现象愈发 显著;且隧道越长,冻害影响越局限于洞口附近。在短 隧道中,则冬季全长都会发生冻结。研究发现既有隧 道洞内排水设计与当地平均气温存在如下影响。 (1)当隧道所属地区最冷月平均气温一15 cI=< t≤一10 cc时: 水沟:洞口1 000 rn范围内均作保温处理; 中心深埋水沟:其设置长度以距洞口300~1 000 m 为宜; 防寒泄水洞:其设置长度以距洞口300~1 000 112 为宜; 洞口100 m范围内设置保温盲沟。 (2)当隧道所属地区最冷月平均气温t≤一15 oC 时: 水沟:洞口2 000 m范围内均作保温处理; 中心深埋水沟:其设置长度以距洞口500~2 000 rn 为宜; 防寒泄水洞:其设置长度以距洞口500—2 000 m 为宜; 洞口500 m范围内设置保温盲沟。 第四,为实现施工缝及变形缝防水的可维护要求, 保温段施工缝及变形缝的防水应加设可维护注浆管。 第五,当采用中心深埋排水沟时,考虑到维修养护 的需要,排水沟的孑L径应能容下一个成年人通过。 第六,检查井应设井盖盖严,加强防寒保温,且对 于单线隧道而言检查井不宜设置于隧道中部两轨之 间,宜结合避车洞设置。 第七,在隧道冻害可能影响区域内,均应设置完善 的排水系统,减少衬砌背后积水。施工过程中对于地 下水较大的地段应加密环向盲沟的设置。如盲沟无法 满足排水要求可结合避车洞设置集水池,通过边墙及 拱部钻孔泄水。 第八,保温出水口尽可能选择在背风向阳的地形 低洼处,出水口形式主要根据地形而定。 2寒冷及严寒地区在建及拟建隧道防 排水设计状况 2.1排水设计 结合前文论述的影响,对东北以及内蒙部分地区 在建及拟建的440余座约800 km隧道防排水设计情 况进行统计,得出以下结论。 当一5℃<t≤一3 时,在洞口段设置长度不小 于100 m的保温水沟。保温水沟设置如图1所示。 图1保温水沟示意图 当一10℃<t≤一5℃时,在洞口段设置长度不小 于500 m的保温水沟。 当一15 clC<t≤一10 cc时,在洞口段设置长度不 小于300 m的中心深埋水沟或防寒泄水洞、长度不小 于100 m的保温盲沟及长度不小于1 000 m的保温水 沟。低洞口端环向盲沟可开槽设置于冻结线以外,即 为深埋保温盲沟。设置中心深埋水沟或防寒泄水洞 段,洞内水沟侧壁不再设置泄水孔。中心深埋水沟、深 埋保温盲沟设置分别如图2、图3所示。 图2 中心深埋水沟示意图 当 ≤一15℃时,在洞口段设置长度不小于500 m 的中心深埋水沟或防寒泄水洞、长度不小于500 m的 保温盲沟以及长度不小于2 000 m的保温水沟。设置 中心深埋水沟或防寒泄水洞段,洞内水沟侧壁不再设 置泄水孔。 52 铁道工程学报 2013年1月 图3深埋保温盲沟示意图 2.2防水设计 对于地下水发育的长大隧道,必要时采用径向注 浆方式加固隧道周围地层,将地下水阻隔于地层最大 冻结深度以外,以达到防止地下水冻胀引起隧道结构 受损的目的。 当隧道地处严寒地区时,对于长度小于2 km的隧 道纵向每隔30~60 m设置温度变形缝一道;而对于长 度大于2 km的隧道,两端洞口气温影响范围内每隔 30~60 m设置温度变形缝一道。同时为保障施工缝 及变形缝防水的可维护要求,保温段施工缝及变形缝 的防水加设可维护注浆管。施工缝和变形缝防水构造 分别如图4、图5所示。 背贴式橡胶止水带 一甲理瓦像股止水常 \ \ , / \ \可维护注浆管 梧 磨 H 麓 暴 露 + 1 1 * 区 D 图4施工缝防水构造图 2.3 目前施工中存在问题 在寒冷和严寒地区,为了防止冬季冻害对隧道衬 砌结构造成危害,对隧道的洞口、结构和防、排水系统 增加了保温措施,但势必导致较大的施工难度。根据 在建及建成的隧道施工情况看,主要存在以下问题。 第一,中心深埋水沟或防寒泄水洞、排水横沟均需 置于当地最大冻结线以下,在较差地层如软岩地层施 工时,初期支护仰拱无法及时封闭,容易导致初期支护 变形过大甚至开裂;而在较好地层施工时,则必须采用 图5变形缝防水构造图 爆破手段才能保证结构所处的设计深度,但也容易引 起初期支护拱墙失稳。 第二,深埋保温盲沟开槽设置在当地冻结线之外, 在较差地层施工时,只能在初期支护施工完成以后,再 回头掏槽施工保温盲沟,会剪断初期支护连接筋和凿 除部分超前支护;在较好地层施工时,保温盲沟的埋设 深度又难以保证,易导致盲沟保温措施不到位。 第三,单线隧道中心深埋水沟或防寒泄水洞的检 查井结合避车洞设置时,因检查井的深度较大,导致施 工难度很大。 2.4建议研究的方向 (1)结合目前严寒地区隧道冻害特点,采用保温 层能满足隧道防寒的要求,应提倡使用新型保温材料、 保温混凝土等。 (2)通过使用保温材料及保温混凝土,对保温盲 沟及中心深埋水沟进行优化。解决隧道施工中拉槽扩 挖深埋盲管及横向导水管的施工困难。 (3)应进一步加强对保温材料类型、设置模式、排 水系统的研究,系统解决严寒地区隧道防冻难题,为严 寒地区隧道修建及运营提供安全保障。 3 结 论 (1)随着国民经济的发展、隧道数量的不断增加 和人们认识的不断提高,寒冷及严寒地区隧道的防排 水设计原则不断创新完善,在进一步加强防寒排水理 念的基础上,防排水设计技术需要不断提升水平。 (2)寒冷及严寒地区隧道保温水沟、中心深埋水 沟、防寒泄水洞以及保温盲沟等应结合隧道条件、当地 最大冻结深度和可利用的附加保温措施系统设置。 (3)结合新型保温材料的使用,中心深埋水沟或 防寒泄水洞、排水横沟以及深埋保温盲沟等在具体的 工程设计中需要进一步研究与优化,保证施工安全,简 化运营维护。 第1期 朱国伟:寒冷及严寒地区铁路隧道防排水设计探讨 53 参考文献: [1] 刘新民.隧道防排水措施[J].铁道工程学报,2001(1): 73—75 d 。 Ground and Located in Bitter Cold Plateau[J]・ Modern Tunnelling Technology,2005(4):44—49. Liu Xinmin.Tunnel Waterproofing and Drainage measures[J].Journal ofRailway Enginreering Society, 2001(1):73—75.[5] 吕康成,崔凌秋.季冻区隧道渗漏水与冻害防治研究 ….公路,2005(6) ̄194—198. Lv Kangcheng,Cui Lingqiu.A Study on Prevention of [2] 高树峰.长梁山隧道防排水设计与施工[J].铁道工程学报,1999(4):56—60. Ga0 Shufeng.Design and Constructi0n 0f Tunnel Leakage and Freezing in Seasonally Frozen Zone [J]・Highway,2005(6):194—198・ [6] 范磊,曾艳华,何川,等.寒区硬岩隧道冻胀力的量值及分 Changliangshan Tunnel Waterpro0f and Drainage[J]. Journal of Railway Enginreering Society,1999(4):56一 60.布规律[J].中国铁道科学,2007(1):44—49. Fan Lei,Zeng Yanhua,He Chuan,etc・Magnitude and Distribution of Frost Heave Force for Cold Region [3] 崔凌秋,吕康成,王潮海,等.寒冷地区隧道渗漏与冻害 综合防治技术探讨[J].现代隧道技术,2005(5):22一 25. Cui Lingqiu,Lv Kangcheng,Wang Chaohai,etc.Study Strong Rock Tunnels[J]・China Railway Science,2007 (1):44—49・ [7]TZ 331-2009,铁路隧道防排水施工技术指南[s]. TZ 331--2009,Construction Code for Waterprofing f0n the Techniques to Prevent Leakage ang Freezing in Cold Region Tunnels[J]. MOdeI1l Tunndling Technology,2005(5):22—25.and Drainage of Railway tunnel[S]・ ]_3 4 1J [8]TB 10003--2005,铁路隧道设计规范[S]. TB 10003--2005,Code for Design on Tunnel of Railway [4] 李传富,梅志荣.高原高寒冻土隧道渗漏水防治技术的 试验研究[J].现代隧道技术,2005(4):44—49. l J。 (上接第48页) (1)岩溶隧道突(涌)水。与隧道穿越地层的岩溶 空腔(溶腔、溶隙等)的静水储量大小密切相关;与溶 腔内的水压高低有关;与地表及地下水系的连通性有 关。 Ren Meie,etc.The Karst Introduction[M].Beijing: Business Printing Press.1983. 铁道部第二勘测设计院.铁路工程设计技术手册・隧道 [K].北京:中国铁道出版社,1984. Second Railways Survey and Design Institute.Railway (2)可靠的预防措施。隧道穿越高压、富水、岩溶 地层应充分考虑岩溶发育的复杂性,环境条件影响的 重要性,突水突泥的可能性,为此,应强化超前地质预 Engineering Design Technical Manuals・Tunnel[K]. Beijing:China Railway Publishing House,1984. 测预报工作,特别强调采用超前水平钻孔和周边钻孔 相结合的方法,探明开挖前方的工程地质与水文地质 特征与溶腔的边界情况,提前采取可靠的工程措施,达 刘招伟,张民庆,王树仁.岩溶隧道灾变预测与处治技术 [M].北京:科学出版社,2007. Liu Zhaowei,Zhang Minqing,Wang Shuren.Karst 到“保证施工安全、确保结构稳定、保障安全运营”的 目的。 Tunnel Catastrophe Prediction and Treatment[M]. Beijing:Science Press,2007. 铁道第四勘察设计院.宜万线长大岩溶隧道专项地质勘 察——马鹿箐隧道工程地质勘察报告[R].武汉:铁道 第四勘察设计院,2004. Railway Fourth Survey and Design Institute.Grew up 参考文献: [1] 白明洲,许兆义,王连俊,等.深埋隧道岩溶突水灾害的地 质条件研究[J].铁道工程学报,2006(3):21—24. Bai Mingzhou,Xu Zhaoyi,Wang Lianjan,etc.Deeply Buried Tunnel Karst Geological Conditions of the Water in Wanzhou Railway the Special Geological Reconnaissance of Karst Tunnel——the Red Deer Qing Tunnel Engineering Geological Investigation Report Inrush Disaster Research[J].Journal of Railway Engineering Society,2006(3):21—24. [R].Wuhan:Railway Fourth Survey and Design Institute.2004. [2]任美愕,等.岩溶学概论[M].北京:商务印刷社,1983.