何炳興,冀勝利,楊星智
(1.中鐵二十局集團(tuán)第四工程有限公司,山東 青島 266000; 2.中鐵二十局集團(tuán)有限公司,陜西 西安 710016)
蘭新客專祁連山隧道位于青海省門源回族自治縣及甘肅省山丹縣境內(nèi),隧道全長(zhǎng)9 515m。隧道地處祁連山中高山區(qū),海拔3 400.000~4 400.000m。山頂常年積雪,具有春秋季多雪多風(fēng),夏季涼爽多雨、多冰雹,冬季寒冷漫長(zhǎng)的特點(diǎn),最低極端氣溫為-34.5℃,結(jié)冰期長(zhǎng)達(dá)7個(gè)月,最大凍結(jié)深度230cm。
該隧道主要巖性為灰?guī)r、泥灰?guī)r、砂巖、板巖夾砂巖、頁(yè)巖及礫巖等,通過(guò)F6,F(xiàn)7斷層,區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造復(fù)雜,斷層破碎帶、節(jié)理密集帶、巖性接觸帶、向斜、背斜、褶皺密集,節(jié)理裂隙發(fā)育。地下水主要受大氣降水、地表融雪及基巖裂隙水補(bǔ)給,年平均降水量530mm。施工中曾多次發(fā)生突水、涌水,隧道日涌水量35 041m3/d,最大涌水量105 123m3/d 。
自2014年12月開(kāi)通運(yùn)營(yíng)以來(lái),根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,隧道出現(xiàn)不同程度的滲漏水及結(jié)掛冰凍害問(wèn)題。主要表現(xiàn)為:部分襯砌“三縫”及施工冷縫,夏季出現(xiàn)滲漏水,冬季出現(xiàn)結(jié)掛冰;洞口2km段落側(cè)溝和中心水溝凍結(jié)堵塞,導(dǎo)致溢出結(jié)冰。在入冬和春融季節(jié)發(fā)生隧道“三縫”滲漏水結(jié)掛冰以及局部水溝溢出結(jié)冰現(xiàn)象最為嚴(yán)重,分析原因?yàn)椋喝攵瑫r(shí)邊墻底部盲管率先凍結(jié),排水功能失效,水位上升,部分拱墻出現(xiàn)滲漏水及掛冰,氣溫進(jìn)一步下降,拱墻背后盲管全部?jī)鼋Y(jié)[1],滲漏水便消失一段時(shí)間;進(jìn)入春融季節(jié)隨著氣溫逐漸回升,山頂冰雪開(kāi)始融化,雪水經(jīng)山體裂隙下滲,此時(shí)由于隧道周圍還未解凍,環(huán)、縱向排水管均處于凍結(jié)狀態(tài),無(wú)法發(fā)揮其排水功能,因此這些滲水就會(huì)通過(guò)襯砌的薄弱環(huán)節(jié)滲漏而出[1],又因受洞內(nèi)冷空氣的影響,形成結(jié)掛冰現(xiàn)象。隨著氣溫的逐步回升 ,隧道凍結(jié)圈解凍,排水管道逐漸恢復(fù)排水功能,漏水掛冰現(xiàn)象也隨之消失[2]。運(yùn)營(yíng)后現(xiàn)狀如圖1所示。
圖1 運(yùn)營(yíng)后情況
1)隧道襯砌背后排水系統(tǒng)被礦物質(zhì)結(jié)晶堵塞或凍結(jié),排水失效,產(chǎn)生滲漏水及結(jié)掛冰,直接影響行車安全。
2)側(cè)溝和中心水溝凍結(jié)堵塞,產(chǎn)生翻水結(jié)冰至道床板,影響運(yùn)營(yíng)行車安全。
3)襯砌拱頂背后存在的空腔積水凍結(jié),由于水結(jié)成冰時(shí)體積大約增加9%,發(fā)生凍脹,可能導(dǎo)致襯砌素混凝土開(kāi)裂,凍融循環(huán)作用下,在“三縫”處易形成月牙形裂紋裂縫,影響混凝土壽命,引發(fā)掉塊,危及行車安全。
3.2.1設(shè)計(jì)方面
前期設(shè)計(jì)對(duì)復(fù)雜環(huán)境尤其寒冷氣候產(chǎn)生的凍害認(rèn)識(shí)不足,防排水預(yù)估及防凍害保溫設(shè)計(jì)綜合措施不夠全面或不合理,如設(shè)計(jì)時(shí)未考慮到洞身排水系統(tǒng)被凍結(jié)堵塞,排水系統(tǒng)的埋深或保溫措施與凍結(jié)深度不匹配;防排水材料使用年限與混凝土結(jié)構(gòu)壽命設(shè)計(jì)年限不匹配;同時(shí)未注重加大在施工初期支護(hù)階段的堵排設(shè)計(jì)措施。
3.2.2施工方面
1)隧道施工接縫防水易失效 橡膠止水帶在施工時(shí)難以做好,存在松動(dòng)、移位、脫落等問(wèn)題;中埋式止水帶存在搭接,不易形成一個(gè)封閉的防水圈等原因易造成施工縫處發(fā)生滲漏[3]。
2)隧道防水層失效 襯砌結(jié)構(gòu)在澆筑混凝土過(guò)程中撕裂損壞防水層以及澆筑完成后,不同程度的沉降變形超過(guò)了防水材料的延伸性,導(dǎo)致防水層或橡膠止水帶斷裂,致使地下水通過(guò)缺損部位滲入結(jié)構(gòu)內(nèi)部;防水層與基面黏結(jié)不良,造成防水層的空鼓、脫落等問(wèn)題,由此導(dǎo)致防水層的破損失效[4]。
3)隧道襯砌混凝土普遍存在拱頂背后空腔以及施工界面處理不夠徹底,都有可能導(dǎo)致滲漏水現(xiàn)象。
4)隧道襯砌混凝土結(jié)構(gòu)自防水失效 襯砌混凝土雖然設(shè)計(jì)為抗?jié)B混凝土,一般抗?jié)B等級(jí)為P6,但在混凝土澆筑施工中往往出現(xiàn)振搗不夠密實(shí),造成混凝土氣泡多、麻面大等缺陷,加之后期養(yǎng)護(hù)不到位,極易造成襯砌混凝土結(jié)構(gòu)面的干縮和收縮性裂紋,這些缺陷都會(huì)產(chǎn)生滲漏水病害。
5)隧道超挖回填不嚴(yán)謹(jǐn)不規(guī)范 在隧道開(kāi)挖時(shí)沒(méi)有嚴(yán)格控制光面爆破,使襯砌周圍超挖大小不等,超挖回填用料不當(dāng),回填不密實(shí)不規(guī)范,從而導(dǎo)致回填處產(chǎn)生大量積水,在外界低氣溫環(huán)境下,襯砌周圍會(huì)形成一個(gè)季節(jié)性凍結(jié)圈[5],循環(huán)出現(xiàn)凍融,可產(chǎn)生滲水通道。
3.2.3運(yùn)營(yíng)維護(hù)方面
山體裂隙水存有大量礦物質(zhì),長(zhǎng)期沉淀形成結(jié)晶,造成隧道襯砌背后預(yù)留排水系統(tǒng)堵塞,若運(yùn)營(yíng)維護(hù)單位不能夠及時(shí)對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行疏通,將導(dǎo)致排水系統(tǒng)失效,從而使大量裂隙水不斷儲(chǔ)存上升,產(chǎn)生高水位高水壓,進(jìn)而從隧道結(jié)構(gòu)薄弱處滲漏,產(chǎn)生凍害。
3.2.4特殊環(huán)境條件
由于嚴(yán)寒氣候,氣溫極低,容易產(chǎn)生滲漏水結(jié)冰、凍脹。動(dòng)車組速度高,振動(dòng)和壓縮風(fēng)高壓擾動(dòng)大,整體道床和隧道底板的應(yīng)力釋放不均勻,在這種振動(dòng)擾動(dòng)下極易造成整體道床和底板找平層開(kāi)裂[6]。山體水系含有鈣、鎂、鐵等易結(jié)晶的礦物質(zhì),堵塞排水系統(tǒng),導(dǎo)致排水不暢。
根據(jù)隧道滲水、結(jié)掛冰病害的成因分析,對(duì)高原、嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路隧道滲漏水及凍害進(jìn)行整治,堅(jiān)持以“截水、堵水、排水、防水、保溫、加熱、維護(hù)”綜合整治為原則,因地制宜,系統(tǒng)性地進(jìn)行有效整治,才能取得最佳效果。
1)對(duì)滲漏水嚴(yán)重之處,在條件允許的情況下考慮高位截排水技術(shù)。在富水地段可以設(shè)置高位泄水洞;運(yùn)營(yíng)階段可從考慮通過(guò)輔助導(dǎo)坑向正洞洞頂部位增設(shè)大直徑泄水孔,或通過(guò)在滲漏水嚴(yán)重處鑿深渠形成永久保溫防凍排水渠道。
2)對(duì)嚴(yán)寒富水隧道在隧道洞口地段必須設(shè)置防寒泄水洞,長(zhǎng)大隧道不小于2km,短隧道應(yīng)貫通,該洞位于正洞正下方,距正洞底部5m,泄水洞每隔一定距離設(shè)置縱向泄水孔及連接正洞的大直徑豎孔和徑向散發(fā)型泄水孔。對(duì)隧道本身局部“三縫”或施工冷縫處產(chǎn)生的滲漏水而言,采取堵、排、防綜合整治技術(shù),即微創(chuàng)堵漏再造防水技術(shù),以“上堵下排”為主。就是在襯砌拱部、邊墻采用防滲水、耐低溫、耐久性與耐腐蝕比較好的材料注入封堵,在隧道邊墻兩側(cè)底部鉆孔泄水。
3)對(duì)側(cè)溝、中心水溝及泄水孔凍結(jié),采取增加電伴熱絲加熱消冰處理。
5.1.1從平導(dǎo)向正洞頂部鉆孔截泄水技術(shù)
若隧道一側(cè)有平導(dǎo)時(shí),可在平導(dǎo)內(nèi)向隧道出水點(diǎn)或富水地段拱部施作仰斜大直徑排水孔,排水孔終端與隧道頂部外緣的垂直距離≥5m,每個(gè)施工縫處設(shè)置3個(gè)鉆孔,其中對(duì)應(yīng)施工縫設(shè)1個(gè)孔,兩邊各1m設(shè)1個(gè)孔,孔內(nèi)埋設(shè)φ159mm透水鋼花管,管內(nèi)設(shè)置φ140mm雙壁打孔波紋過(guò)濾滲水管,外裹雙層無(wú)紡布[7]。
5.1.2設(shè)置高位泄水洞截排水技術(shù)
當(dāng)隧道所在地水源補(bǔ)給豐富、圍巖裂隙發(fā)育、隧道掌子面地下水日涌水量≥5 000m3時(shí),可優(yōu)先采取地表混凝土覆蓋防滲引排法;若不能有效防滲引排時(shí),考慮設(shè)置洞內(nèi)高位泄水洞進(jìn)行截排水。
高位泄水洞斷面一般為4m×4.5m(寬×高)。高位泄水洞從隧道正洞壁或平導(dǎo)開(kāi)口斜向上繞至正洞頂部,高位泄水洞底部與正洞頂部?jī)艟啾仨?5m,坡度>20%,開(kāi)挖方法采取弱爆破或非爆破機(jī)械開(kāi)挖法。當(dāng)高位泄水洞進(jìn)入富水區(qū)域后,遇破碎帶不能繼續(xù)前行施工時(shí),封閉掌子面,混凝土厚度≥1m,然后向隧道正洞頂部施作超前管棚截排水,以正洞涌水量較大幅度減小或干涸為準(zhǔn)。
在嚴(yán)重股狀漏水處,一般堵排法無(wú)法整治時(shí),采用該方法。該方法在股狀涌水處全環(huán)鑿渠,渠寬≥1m,深≥1.5m,渠道形成后,先施工1層25cm厚鋼筋混凝土護(hù)壁,再安裝1層20cm厚保溫層,最后施作40cm厚鋼筋混凝土襯砌,深埋渠道凈尺寸不宜小于0.4m×0.5m,形成防凍保溫排水通道,該通道與兩側(cè)水溝或中心水溝相連。
1)襯砌環(huán)向接縫邊墻及拱部出現(xiàn)滲漏水較嚴(yán)重時(shí),應(yīng)采取堵排結(jié)合,以“上堵下排”為主,就是在襯砌拱部、邊墻采用耐低溫、耐久性與耐腐蝕比較好的材料封堵,在隧道邊墻兩側(cè)底部鉆孔泄水+安裝電伴熱絲。
施工方法:距環(huán)向施工縫兩側(cè)400mm處斜向45°鉆孔(避讓中埋止水帶),鉆孔直徑不應(yīng)大于20mm,孔間距宜為1.0m,雙側(cè)梅花形布置,鉆孔深度560mm,通過(guò)注漿觀察鄰近孔有漿液流出時(shí),以此初步確定注漿壓力和單孔注漿量,在實(shí)施過(guò)程中再根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整;注漿時(shí)應(yīng)掌握和控制注漿壓力,宜先低壓再逐漸升高,并宜沿裂縫走向自下而上或從一端向另一端依次進(jìn)行;注漿宜按照同方向依次進(jìn)行,注漿壓力宜為0.3~1.2MPa,單孔注漿量以鄰近注漿管出漿為止或以試驗(yàn)確定的注漿量為準(zhǔn);注漿結(jié)束后,采用含JX-JH聚合物水泥防水砂漿封孔。
2)對(duì)于滲漏水輕微、潮濕、滲水泛白處選擇的材料應(yīng)具有良好的可灌性,能在壓力作用下滲入裂隙的深部,填充整個(gè)裂紋,同時(shí)材料在膠凝后應(yīng)具有適當(dāng)?shù)呐蛎浶?、柔韌性、耐壓性、耐低溫性和耐久性,故采用低黏度環(huán)氧樹(shù)脂化學(xué)漿液作為注漿材料,環(huán)氧樹(shù)脂漿液摻少量固化劑調(diào)整固結(jié)時(shí)間,一般摻量為環(huán)氧樹(shù)脂∶固化劑=9∶1(根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際溫度可適當(dāng)調(diào)整)。采用手持式注漿機(jī)壓漿針孔法注漿,注漿壓力控制在0.4MPa左右,從上至下,分段左右側(cè)交錯(cuò),逐孔順序注漿。
以上兩種注漿完成待漿液凝固后,在表面涂刷JX-SJ水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料,施工時(shí)環(huán)境溫度不能低于4℃[8],拌合比例為JX-SJ粉料∶水=1∶0.3(質(zhì)量比),應(yīng)采用電動(dòng)攪拌槍在容器內(nèi)攪拌均勻至無(wú)粉團(tuán)。基層應(yīng)清理干凈、充分濕潤(rùn),但不得有明水及微滲水現(xiàn)象,應(yīng)分層刷涂或噴涂施工(不得采用滾涂),涂層應(yīng)均勻,不可有漏涂及氣孔;底層和面層留槎寬度不應(yīng)小于50mm;底層固結(jié)干燥后(1h左右固化)再進(jìn)行面層施工;涂層厚度不得大于1.2mm,材料用量不得小于1.8kg/m2,涂層寬度為500mm,并應(yīng)沿著裂縫走向延長(zhǎng)≥500mm。涂層呈半干狀態(tài)后開(kāi)始用霧狀水噴灑養(yǎng)護(hù),防止涂層過(guò)早干燥[9],每次大約2~3遍。涂刷水泥基材料是為了進(jìn)一步增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗?jié)B效果,起到防水堵漏、補(bǔ)強(qiáng)加固雙重作用,如圖2所示。
圖2 微創(chuàng)堵漏再造防水技術(shù)效果
5.4.1疏通排水系統(tǒng)
隧道裂隙水中含有大量礦物質(zhì),久而久之堵塞排水系統(tǒng),應(yīng)定期疏通襯砌背后排水盲管,恢復(fù)襯砌背后排水功能。若兩線間中心排水管及檢查井以及連接泄水洞豎井排水不暢,需對(duì)堵塞物進(jìn)行清理,確保排水體系暢通。
5.4.2鉆孔排水降壓技術(shù)
襯砌環(huán)向排水系統(tǒng)無(wú)法疏通時(shí),可在水溝電纜槽側(cè)壁垂直向襯砌背后鉆孔,恢復(fù)襯砌背后排水功能,降低水位,減小水壓。
水溝電纜槽側(cè)壁鉆孔:在水溝電纜槽側(cè)壁向下60cm處垂直向襯砌背后鉆長(zhǎng)度≥3m的φ100mm排水孔,鉆孔末端1~3m范圍插入φ80鋼花管,管外以無(wú)紡布包裹,排水管安設(shè)完成后,在電纜槽側(cè)壁邊墻范圍的鉆孔采用C20細(xì)石混凝土封堵[10]。
5.4.3設(shè)置防寒泄水洞+徑向鉆孔泄水+豎向鉆孔泄水
防寒泄水洞通過(guò)豎井與正洞中心水溝、側(cè)溝進(jìn)行連接,使正洞中心水溝、側(cè)溝內(nèi)流水盡早進(jìn)入泄水洞,可以減輕洞口段側(cè)溝及中心水溝的排水壓力,使洞口段凍結(jié)減少。同時(shí)在泄水洞內(nèi)打設(shè)發(fā)散型的徑向、豎向泄水孔,將隧道結(jié)構(gòu)外的基巖裂隙水直接引入泄水洞[11],改善山體徑流模式,減輕正洞水害。
1)徑向泄水孔
在泄水洞拱部120°的范圍,縱向間距1.5m鉆1組,每組5個(gè)孔(2個(gè)孔10m,2個(gè)孔6m,1個(gè)孔5m),孔徑80mm,鉆孔完成后,在孔內(nèi)插入打孔波紋管,波紋管外裹無(wú)紡布作為過(guò)濾層。徑向泄水孔主要引導(dǎo)基巖裂隙水進(jìn)入泄水洞流出。
2)豎向泄水孔
在正洞側(cè)溝及中心水溝檢查井位置,每隔250m施作1個(gè)φ350mm的豎向排水孔,檢查井內(nèi)豎孔與泄水洞垂直相連;側(cè)溝內(nèi)豎孔與泄水洞橫通道相連,豎孔采用3mm厚不銹鋼管防護(hù),對(duì)空腔灌注砂漿以填充密實(shí),如圖3所示。
圖3 防寒泄水洞泄水孔布置
5.4.4小鑿槽引排技術(shù)
小鑿槽引排技術(shù)不適用于嚴(yán)寒地區(qū)的高鐵隧道拱墻滲漏水整治,但適用于隧道底部找平層出現(xiàn)滲漏水時(shí)的整治。在滲水或者出水點(diǎn),采用小型空壓機(jī)配合風(fēng)槍鉆引水孔,鉆孔孔徑50mm,引水孔個(gè)數(shù)依現(xiàn)場(chǎng)滲水情況而定,深度為打穿中心水溝。
采用混凝土切割機(jī)沿滲水走向?qū)B流水處切槽,用鑿槽工具將混凝土鑿出,根據(jù)水量確定排水管徑,一般鑿槽寬15cm、深30cm。用清水沖洗槽體[12],使槽中不得有雜物和混凝土松散體附著物。將φ80mm的PVC硬質(zhì)塑料管沿軸線從中間截開(kāi),確保PVC引水管安設(shè)后和混凝土基面吻貼,有效防止封槽時(shí)堵漏材料進(jìn)入排水管中造成堵塞,影響排水暢通。
由上而下將排水管放入槽中,上部用防水卷材密封,以防雜物或堵漏材料進(jìn)入。排水管連接應(yīng)采取“下低上高”(即下游管在外側(cè)且處于低位,上游管在內(nèi)側(cè)且處于高位)方式進(jìn)行連接,搭接長(zhǎng)度不應(yīng)小于15cm,坡度控制在3%~5%,確保水不會(huì)返流。
固定封閉及養(yǎng)護(hù):采用C35環(huán)氧樹(shù)脂砂漿封閉槽體,設(shè)置錨釘配合鋼絲網(wǎng)片補(bǔ)強(qiáng)加固。待混凝土固結(jié)后,灑水養(yǎng)護(hù),防止混凝土固結(jié)過(guò)程中開(kāi)裂。
在嚴(yán)寒隧道運(yùn)營(yíng)后,如何使排水系統(tǒng)不被凍結(jié)是解決凍害問(wèn)題的關(guān)鍵。因而在隧道洞口段2.0km(根據(jù)洞內(nèi)凍結(jié)情況確定)范圍內(nèi)側(cè)溝及中心水溝檢查井全部采取保溫防寒水溝和保溫防寒檢查井措施,采取雙層蓋板+保溫層,保溫層厚度≥50cm。
隧道洞口地段受外界環(huán)境影響較大,冬季嚴(yán)寒,易造成側(cè)溝及中心水溝結(jié)冰、堵塞,翻溢水至道床板,危及行車安全。因而在隧道洞口地段2.0km范圍內(nèi)側(cè)溝、中心水溝安裝電伴熱絲,采用遠(yuǎn)程分段控制+人工檢查檢修,每個(gè)控制單元長(zhǎng)度120m,可根據(jù)凍結(jié)病害情況分段開(kāi)啟對(duì)應(yīng)段落的控制柜。同時(shí)在水溝電纜槽側(cè)壁泄水孔內(nèi)安裝電伴熱絲,進(jìn)行加熱,確保排水系統(tǒng)不凍結(jié),排水暢通[7]。
自從2014年12月通車運(yùn)營(yíng)以來(lái),在祁連山隧道采用以上綜合整治措施,經(jīng)過(guò)5年半的反復(fù)試驗(yàn)、不斷探索和整治,取得了較好的效果,保證了高鐵的運(yùn)營(yíng)安全,達(dá)到了整治目的。
對(duì)于高原寒冷高鐵隧道防排水及凍害整治應(yīng)采取多方案綜合考慮。截、堵、防、排及保溫是關(guān)鍵,在設(shè)計(jì)、施工階段對(duì)富水區(qū)域應(yīng)合理設(shè)置截、排水渠道,加大初期支護(hù)階段的堵漏措施及增強(qiáng)保溫措施。
根據(jù)祁連山隧道設(shè)計(jì)情況,進(jìn)口1km為保溫襯砌,出口無(wú)保溫襯砌,這是嚴(yán)重缺陷。因此,應(yīng)考慮高原地區(qū)全隧道保溫襯砌(保溫層厚度應(yīng)≥20cm)和全隧道水溝雙層蓋板+保溫層措施。
高寒地區(qū)隧道應(yīng)當(dāng)采用深埋中心水溝,將水溝埋置于洞內(nèi)凍結(jié)深度以下,利用地溫達(dá)到水溝內(nèi)水流不被凍結(jié)的目的[13],同時(shí)水溝應(yīng)設(shè)計(jì)成蓋板矩形保溫水溝,以利清淤,方便維護(hù)。
對(duì)襯砌必須進(jìn)行嚴(yán)格檢測(cè),發(fā)現(xiàn)二襯背后有空洞空腔時(shí)必須進(jìn)行補(bǔ)充注漿,確保襯砌背后無(wú)空腔無(wú)空洞,防止凍脹現(xiàn)象。
從環(huán)向盲管流入水溝內(nèi)的流水較小時(shí),最易在冬季逐漸結(jié)冰而翻出水溝。對(duì)此維養(yǎng)單位應(yīng)臨時(shí)加設(shè)電伴熱絲來(lái)消除。需要強(qiáng)調(diào)的是維養(yǎng)單位每年入冬前必須全面檢查一次排水系統(tǒng),應(yīng)及時(shí)清淤和維護(hù)電伴熱絲。
高原嚴(yán)寒地區(qū)的隧道經(jīng)常受到滲漏水和凍害的困擾,主要原因還是排水不暢,保溫防寒措施不到位,施工期間不規(guī)范,運(yùn)營(yíng)期間維護(hù)不及時(shí)造成,設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)三方面應(yīng)共同努力,各盡其職,有效防止高原嚴(yán)寒地區(qū)富水隧道滲漏水及凍害產(chǎn)生。