寒區鐵路隧道襯砌抗凍主要設計標準與施工技術探討

張 弛

(中國鐵路設計集團有限公司,天津 300308)

引言

近年來,隨著我國經濟建設快速發展,在寒冷地區修建的隧道數量也越來越多。據不完全統計,近十余年來,我國在東北及華北北部的高緯度寒區已建成運營鐵路隧道500余座,總長超過1 000 km。由于受到冬季氣溫低,冰凍期長且周期性劇烈變化的顯著氣候特點影響,一些寒區鐵路隧道運營后表現出襯砌結構開裂、掛冰等情況,有些甚至出現剝落、掉塊等嚴重問題,很大程度上弱化了隧道的使用功能,同時也給運營行車帶來了極大安全隱患[1]。因此,如何有效解決寒區隧道凍害問題已成為業界迫切需要克服的困難,特別是針對新建隧道如何在設計和施工階段提升隧道結構的防寒抗凍耐久性能,對寒區鐵路的高質量建設管理至關重要。

1 寒區鐵路隧道襯砌抗凍主要建設標準現狀

近年來,東北地區牡綏鐵路、哈牡高鐵、吉圖琿高鐵等項目大量寒區鐵路隧道的建設及運營實踐表明,結合不同的氣溫條件,通過設置保溫水溝、中心深埋水溝等防凍排水設施,充分利用隧址區的地溫條件,基本能夠保障隧道周邊地下水的暢通引排,從而實現防凍的目的[2]。然而,由于溫度的周期性變化導致部分隧道襯砌產生的季節性溫差裂縫,在很大程度上又影響了結構的耐久性[3]。因此,寒區隧道襯砌抗凍的關鍵就在于控制溫度應力的破壞作用,而圍繞這個技術問題,相關建設標準提出了系列要求。

1.1 相關建設標準概述

1.1.1 國家標準

GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》(2015版)[4]針對混凝土結構的溫度效應作用明確了分析方法,并對鋼筋混凝土結構伸縮縫的最大間距給出了建議數值。GB 55001—2021《工程結構通用規范》[5]針對結構的溫度作用效應計算方法進行了要求,同時提出最冷月平均氣溫低于-15℃地區的隧道,以及位于永凍土及凍脹土(季節凍脹深度大于2 m)的結構,應考慮凍脹力作用。GB/T 50476—2019《混凝土結構耐久性設計標準》[6]則針對凍融環境下的混凝土抗滲、抗凍、摻和劑指標等進行了規定。

1.1.2 行業標準

TB10003—2016《鐵路隧道設計規范》[7]提出最冷月平均氣溫低于-3℃地區的隧道均應設置抗凍設防段,并原則性明確了抗凍段襯砌的結構形式、構造措施等設計標準。TB10005—2010《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》[8]針對凍融環境作用下隧道襯砌混凝土的性能指標提出了要求。

1.1.3 企業標準

Q/CR9207—2017《鐵路混凝土工程施工技術規程》[9]針對鐵路混凝土工程的鋼筋連接、澆筑工藝及冬季施工等項目進行了規定。Q/CR9250—2020《鐵路隧道襯砌施工技術規程》[10]對鐵路隧道襯砌混凝土施工的各環節提出了總體要求,特別是對寒區隧道襯砌混凝土一次性澆筑的縱向長度提出了建議標準。

1.2 需研究完善的內容

根據前述內容分析可知,目前鐵路隧道建設標準中關于寒區隧道抗凍襯砌方面的規定,雖然能夠體現加強襯砌結構、設置溫度變形縫及保溫層等關鍵的原則性措施,但部分內容仍需進一步研究完善,如TB10003—2016《鐵路隧道設計規范》中要求抗凍段襯砌應考慮凍脹作用并采用鋼筋混凝土襯砌,但凍脹力的確定尚缺乏可靠依據[11];應設置溫度伸縮縫,但設置原則并未明確;同時,對于保溫層的應用亦過于簡略。另外,Q/CR9250—2020《鐵路隧道襯砌施工技術規程》中,寒區隧道襯砌一次性澆筑長度不宜大于9m的規定的適用條件也需要結合理論分析和工程實踐,進一步研究探討。

2 寒區鐵路隧道襯砌抗凍主要設計標準的探討

寒區鐵路隧道抗凍襯砌的主要設計原則包括:二次襯砌采用防水鋼筋混凝土;設置溫度伸縮縫以消減溫度應力的影響;隧道拱墻、仰拱、仰拱填充的接縫貫通對齊,以協調結構變形避免開裂;以及設置保溫隔熱層,減小襯砌的溫差影響等。

2.1 襯砌結構縱向配筋

由于寒區冰凍持續時間長、氣候寒冷且具有較大的負溫差,寒區隧道襯砌結構需適應由較大負溫差引起的拉應力作用,特殊情況下還需要考慮凍脹力作用影響,而工程實踐表明:混凝土中配置適量的鋼筋能夠起到控制裂縫擴展,減少裂縫寬度的作用。因此,目前寒區鐵路隧道洞口結構抗凍設防段范圍襯砌均采用鋼筋混凝土結構,其縱向分布鋼筋一般按構造要求開展設計。但控制因溫差變化引起的混凝土收縮裂縫的產生,仍需要進一步研究細化抗凍設防襯砌結構的配筋參數。

混凝土結構的裂縫一般均由拉應力引起,如軸拉、彎拉、剪拉,而即使是軸向受壓的結構物也會因內部存在劈拉應力區而易產生裂縫。而混凝土結構是一種非均質體,承受拉應力作用時,各截面各質點受力是不均勻的,存在大量不規則的應力集中點,當這些應力集中點達到抗拉極限強度時,局部出現塑性變形,無筋時繼續受力將導致應力集中處出現裂縫;而進行適當配筋時,鋼筋將約束混凝土的塑性變形,分擔混凝土的內應力,推遲混凝土裂縫的出現,提高混凝土的最終相對拉伸變形能力,即混凝土極限拉伸,相關經驗公式見式(1)[12]。

(1)

式中εpa——配筋后的混凝土極限拉伸;

Rf——混凝土抗拉設計強度,MPa;

p——截面配筋率×100;

d——鋼筋直徑,cm。

依據公式(1),以速度350 km/h雙線隧道Ⅲ級圍巖抗凍襯砌為例,相關設計參數為:襯砌厚度,拱墻40 cm、仰拱50 cm,采用C35防水鋼筋混凝土,Rf取1.57 MPa;環向主筋直徑為18 mm,間距200 mm;縱向配筋分別采用直徑為10,12 mm或14 mm、間距分別為250,200 mm或150 mm進行組合對比研究。計算對比說明如表1所示。

表1 抗凍設防段襯砌縱向配筋計算

由表1可以看出,抗凍襯砌的縱向分布鋼筋采用“較細較密”的配置方式可降低襯砌混凝土的極限拉伸值,也能夠相應提高結構的抗裂性能。

2.2 溫度伸縮縫設計

一般情況下,沿隧道縱向溫度場的變化規律基本呈拋物線形分布:冬季時,洞口兩端溫度低,洞身中間溫度相對較高;夏季時,洞口端溫度高,而中間溫度較低。因此,隧道洞口抗凍設防段襯砌結構需設置溫度伸縮縫消除溫差引起的溫度應力。JTG3370.1—2018《公路隧道設計規范 第一冊 土建工程》[13]中要求“嚴寒與酷熱溫差變化大地區,特別是最冷月平均氣溫低于-15℃的寒冷地區,距洞口100～200m范圍的襯砌段應根據情況設置伸縮縫?！倍鳷B10003—2016《鐵路隧道設計規范》中則要求最冷月平均氣溫低于-3 ℃時,應在隧道抗凍設防段設置伸縮縫。對比發現,鐵路隧道溫度伸縮縫的設計標準過于寬泛,需要結合具體工程實例更深入的研究細化。

新建朝陽至凌海南站客運專線為設計時速350 km高速鐵路,當地最冷月平均氣溫-8.5 ℃。沿線的2座短隧道(長度均小于500 m)均未設置帶縫寬的溫度伸縮縫,施工時僅按照襯砌環向施工縫處通縫留設,且縱向鋼筋在接縫處斷開,經過近2個冬季的持續觀測,現場并未發現冬季襯砌因低溫而產生變形開裂的情況。

分析其原因可能與隧道所處地區處于東北高緯度嚴寒地區,冬季隧道內混凝土入模及養護的溫度均要求不得低于5 ℃,而開通運營后冬季隧道內的溫度明顯偏低,因此,結構產生的負溫差遠大于夏季時的正溫差。綜上所述,隧道結構僅需考慮因混凝土結構自身收縮變形和因“負溫差”引起的縱向溫度應力的影響,此時溫度伸縮縫可不設縫寬。

2.3 保溫層防水工藝

寒區隧道一般通過對隧道洞口段、地下水豐富的節理密集帶及構造帶等地段設置保溫層,從而緩解冬季隧道周邊溫度較高的圍巖與隧道內的冷空氣發生劇烈熱交換,降低襯砌或圍巖的溫度變化幅度,達到防止凍害發生的目的。目前的鐵路隧道襯砌保溫層多采用雙層防水板間夾保溫板的“夾心式”設置,將保溫層固定在初期支護與二次襯砌之間。然而,很多研究表明,常作為隧道抗凍結構保溫層的聚氨酯保溫板在遇水后的材料性能降低十分嚴重。因此,襯砌抗凍也要重點考慮保溫層的防水問題。

聚氨酯保溫板研究采用“包裹式”和“噴涂式”兩種防水工藝,并開展現場試驗對比研究。

2.3.1 試驗方法

(1)保溫板“包裹式”防水

將保溫板單元塊(尺寸為60 cm×200 cm)周圈采用厚1.5 mm的EVA防水板嚴密包裹后采用雙焊縫密封接頭部位,相對于傳統的“夾心式”保溫板安裝方法,大幅降低了因局部滲漏后保溫層大面積吸水而引發的保溫性能下降的風險?！鞍健狈浪匕瀣F場實施情況如圖1所示。

圖1 “包裹式”防水保溫板加工

(2)保溫板“噴涂式”防水

針對“包裹式”防水保溫板施工中出現的加工工序復雜,且難以實現嚴密拼接鋪掛等問題,進一步研究保溫板表面直接采取“噴涂式”防水處理工藝的可行性?，F場對保溫板單元塊(尺寸為60 cm×200 cm)周圈分別噴涂橡膠瀝青與聚合物水泥2種防水材料開展防水處理試驗,其噴射厚度均為1.2 mm。其中噴涂橡膠瀝青防水保溫板如圖2所示。

圖2 噴涂橡膠瀝青防水保溫板加工

2.3.2 實施效果對比分析

(1)保溫板“包裹式”防水

“包裹式”防水保溫板相比于傳統采用的“夾心式”保溫板工藝,節省了外層防水板鋪掛時間,襯砌施工的整體工效相對較高。但由于包裹防水板的保溫板邊緣縫隙過大或不均勻,使其無法實現嚴密拼接,影響整體保溫性能。另外,在襯砌混凝土澆筑過程中,也可能造成保溫板錯位嚴重?！鞍健狈浪匕迮c“夾心式”保溫板安裝效果如圖3所示。

圖3 “包裹式”(左)和“夾心式”(右)保溫板實施效果

試驗結果表明,采用橡膠瀝青與聚合物水泥兩種噴涂防水材料均能夠滿足聚氨酯保溫板的防水要求。但相比橡膠瀝青,聚合物水泥的阻燃性能更高且經濟性也更好。因此,寒區隧道襯砌采用聚氨酯保溫板作為保溫層時可提前采用“噴涂式”防水處理,可在每塊單元板周邊均勻噴涂聚合物水泥防水涂料,確保運營期不因防水板局部滲漏導致保溫層失效。

2.4 小結

(1)寒區鐵路隧道抗凍襯砌的縱向鋼筋可采用“細而密”的配置方式,以提高結構的抗裂性能。

(2)洞口設防段可結合氣溫、隧長等因素,進一步研究“零縫寬”溫度伸縮縫的設置條件。

(3)襯砌保溫層用聚氨酯保溫板可采用噴涂聚合物水泥進行防水處理,確保有水環境保溫層的保溫效果。

3 寒區鐵路隧道襯砌施工技術探討

大量工程實踐表明,在同樣的溫度年較差和日較差情況下,寒區隧道襯砌裂縫更容易產生與發展。然而,隧道襯砌混凝土裂縫產生的根源不外乎材料、施工和設計3個方面,其中由于施工因素造成混凝土早期裂縫的可能性達到80%[14]。因此,寒區隧道襯砌施工更是實現結構抗凍耐久的關鍵環節。

3.1 寒區鐵路隧道襯砌的溫度裂縫

3.1.1 混凝土的季節性溫差裂縫

混凝土結構中的絕大多數構件為具有多余約束的超靜定結構,隧道襯砌就屬于典型的超靜定結構。超靜定結構由于其連續性強而具有很好的整體穩定性和抗震性能,但也因為變形和位移受到制約,往往在微小的外界作用下即會產生約束作用,而當約束拉應力(或應變)積聚到一定程度以后,就會在抗拉性能差的混凝土中產生裂縫,這種非荷載因素引起的裂縫通常成為“間接裂縫”[15]。引起間接裂縫的因素很多,主要包括混凝土的收縮、溫差、強迫位移、施工缺陷、環境條件等,而外界溫度的周期性變化,使得混凝土結構的不同區域和不同部位就可能產生溫度差,這就必然會在超靜定的混凝土結構中引起約束作用,從而導致季節性溫差裂縫的產生。

3.1.2 混凝土的溫度應力

(1)溫度應力的特點

混凝土的溫度應力是由混凝土內的溫度改變而引起的。當混凝土中各部分溫度發生變化時,將引起熱脹冷縮的變形,而這種變形受到混凝土內各部分之間的相互約束及邊界上約束的限制,不能完全自由地發生,這些約束引起的約束反力,即溫度應力[16]。它具有以下特點。

①與一般荷載應力不同?；旧蠎εc應變不再符合簡單的虎克定律關系,會出現應變大而應力小,應變小而應力大的情況。

②因混凝土結構的溫度分布是瞬時變化的,所以結構中的溫度應力也是瞬時變化的,具有顯著的時間性。

(2)溫度應力的計算

寒區隧道襯砌溫度應力可根據《工程結構裂縫控制》[12]中的相關公式進行定量計算。

(2)

式中E——混凝土的彈性模量;

α——混凝土線膨脹系數,取1.0×10-5℃-1;

T——綜合降溫差,T=T1+T2+T3,T1、T2、T3分別表示混凝土水化熱降溫差、收縮當量溫差和環境溫差;

(3)

其中Cx——地基水平阻力系數;

d——襯砌厚度;

L——襯砌模段長度(環向施工縫間距)。

由公式(3)可以看出,溫度應力首先和溫差成正比:升溫為正,應力為負,即引起壓應力;降溫為負,應力為正,即引起拉應力;收縮值換算為當量溫差,永遠為負值,應力為拉應力,因此混凝土結構的降溫與收縮同時發生時,混凝土結構將承受互相疊加的拉應力,容易開裂。

3.2 寒區鐵路隧道襯砌模段長度的確定

JTG/T D31-06—2017《季節性凍土地區公路設計與施工技術規范》[17]中,依據寒冷程度和圍巖地下水狀況對隧道凍害的影響,提出“一級、二級抗凍設防等級的隧道襯砌設縫分段長度不宜大于10 m”的要求,具體見表2。而Q/CR 9207—2017《鐵路隧道襯砌施工技術規程》中規定寒區隧道“襯砌混凝土一次性澆筑的縱向長度不宜超過9 m”。相比于公路隧道的建設標準,鐵路隧道的施工要求顯得過于嚴格,可能需結合工程實例進一步研究完善。

表2 一級、二級抗凍設防等級的公路隧道劃分

3.2.1 最大施工縫間距計算方法

當襯砌混凝土受到的拉應力大于混凝土的極限拉應力時,襯砌結構將開始產生裂縫。因此可由公式(4)推導得出襯砌施工縫最大間距計算式為

(4)

式中εp——襯砌混凝土的極限拉應變;

[Lmax]——最大施工縫間距。

3.2.2 計算過程

(1)計算參數選擇

混凝土水化熱降溫差T1,可根據GB50496—2018《大體積混凝土施工標準》[18]中給出的公式進行計算,C40混凝土近似取10 ℃。

混凝土收縮當量溫差T2,可假定采用降低溫度的方法計算,對于整體灌注的鋼筋混凝土結構取15 ℃。

環境溫差T3,由于隧道結構受地溫影響較大而受到日氣溫變化的影響較小,根據相關研究,可取區域的年均氣溫和最冷月的平均氣溫差作為計算值[19]。

隧道襯砌厚度d,按TB10003—2016《鐵路隧道設計規范》要求取40 cm。

地基水平阻力系數Cx,取60×10-2N/mm3;

襯砌混凝土的極限拉應變εp,取2×10-4。

(2)計算結果

將上述計算參數代入式(3)中,計算可得表3。

表3 寒區鐵路隧道襯砌環向施工縫間距計算

.(3)工程實例

朝凌高鐵巴圖營隧道全長6 200 m,為全線最長隧道。隧址區最冷月平均氣溫-8.5 ℃,屬嚴寒地區;區域年均溫9.5 ℃,環境溫差18 ℃,計算可得襯砌環向施工縫最大間距11.7 m,施工階段全隧采用12 m長襯砌臺車。隧道自2017年10月開工,2020年7月貫通,線路自2021年8月開通運營至今,襯砌結構完好。

3.3 襯砌保溫層施工新技術

目前,鐵路隧道襯砌保溫層多采用吊掛法施工。保溫層一般采取雙層防水板間夾保溫板的結構形式,并采用防水板連接點環向張拉法進行防水板和保溫板的施作。雖然該工藝較為成熟,但也存在吊帶熱熔焊接強度低,易導致拱頂部位外側防水板連接不牢、下墜等問題,并且整體作業效率較低,大致需要6人,花費3 d時間才能完成一板(12 m長)雙線隧道襯砌保溫層的鋪設。

某在建寒區高鐵項目,為解決分塊安裝寒區隧道襯砌背后保溫層的技術難題,現場研究了“工”字形可雙面焊接的卡具,卡具要求與熱熔墊片同材質,卡具橫斷面示意如圖4所示,施工工藝如圖5所示。

圖4 卡具橫截面示意(單位:mm)

圖5 卡具施工工藝

(1)鋪設第一層防水板后,可選擇2個“工”字形卡具,將卡具墊片的下部支撐板外側分別通過電磁焊接固定在預鋪的第一層防水板上,然后將每塊保溫板依次插入卡具固定,并重復上述操作,直至完成一環保溫層拼裝。

(2)鋪設第二層防水板時,通過電磁焊機把卡具墊片的上部支撐板和第二層防水板通過電磁焊接固定。

該方法施工工藝相對簡化,操作便捷,具有一定的推廣前景,采用該卡具輔助安裝保溫板如圖6所示。

圖6 卡具輔助安裝保溫板

3.4 小結

(1)寒區鐵路隧道襯砌施工時,首先應研究優化襯砌施工方案,確定每次澆筑的混凝土方量、施工縫間距、澆筑時間、運輸及振搗方式等。模板臺車長度可根據隧址區的具體氣象條件計算確定,且不宜過短,以免增大接縫滲漏水幾率,引發凍害。

(2)襯砌保溫層采用雙面焊接熱熔墊片卡具輔助安裝工藝,可提高工效。

(3)寒區隧道襯砌還應從優化混凝土配合比,合理澆筑和振搗以及加強養護等方面控制施工質量,減少施工階段的襯砌裂縫[20]。

4 結論

本文通過分析寒區鐵路隧道的特點,對照梳理出目前襯砌抗凍主要建設標準存在的問題以及需要完善的內容,提出了抗凍設防段襯砌、溫度伸縮縫和保溫層等相關設計標準的優化建議,并結合具體工程實例驗證了抗凍段襯砌模板臺車長度的計算方法,提出了一種保溫板安裝的新工藝。主要研究結論如下。

(1)寒區鐵路隧道結構抗凍方面的規定,雖然能夠體現加強襯砌結構、設置溫度伸縮縫及保溫層等關鍵的原則性措施,但部分內容仍需進一步研究細化。

(2)寒區鐵路隧道抗凍設防段襯砌宜重點研究采用“細而密”的縱向鋼筋,“零縫寬”溫度伸縮縫及“噴涂式”防水保溫板,提高結構的抗裂性能。

(3)由于隧道結構埋置于地面以下,其受到氣溫變化的影響較小。因此,寒區隧道襯砌混凝土的環境溫差,應在隧址區最冷月平均氣溫的基礎上將年均溫作為重點考量因素。襯砌模板臺車長度可根據隧址區的具體氣象條件計算確定,且不宜過短。