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[摘要]季節(jié)性凍土由內(nèi)含冰的土壤、巖石構(gòu)成,該地質(zhì)結(jié)構(gòu)受季節(jié)影響極為嚴重,在冬季時地層堅硬,在夏季時凍土會變成沼澤,造成地面沉降、凹陷等現(xiàn)象,使施工建設(shè)無法順利進行,還會毀壞地基,影響工程建設(shè)安全性、穩(wěn)定性。近年來,隨著我國高鐵在東北地區(qū)的全面布局,隧道穿越季節(jié)性凍土地帶,如何解決凍融問題,保證隧道防凍結(jié)構(gòu)的問題,逐步顯現(xiàn)。依照吉圖琿鐵路客專項目隧道施工技術(shù),研究季節(jié)性凍土地區(qū)隧道工程防凍結(jié)構(gòu),以期為季節(jié)性凍土隧道工程的建設(shè)施工綜合能力提供依據(jù)。
[關(guān)鍵詞]季節(jié)性凍土地區(qū);隧道工程;防凍結(jié)構(gòu)
1季節(jié)性凍土對防凍結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響
影響隧道工程支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的原因是隧道工程從季節(jié)性凍土地區(qū)穿過,在熱平衡作用下該地區(qū)高溫季節(jié)地質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)的冰融化成水,在低溫季節(jié)地質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)的水凍結(jié)成冰,并同時產(chǎn)生凍脹作用。在隧道工程防凍結(jié)構(gòu)施工中,凍脹類型主要分為了微觀凍脹,細觀凍脹、宏觀凍脹3種。(1)微觀凍脹是指圍巖中的裂隙水滲入到隧道襯砌混凝土內(nèi)部形成的凍脹。這種凍脹類型,會對隧道工程防凍結(jié)構(gòu)中混凝土施加一定壓力,讓混凝土內(nèi)部浸出一定水量,進而進一步擴大凍脹作用范圍,最終發(fā)生襯砌結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的問題。(2)細觀凍脹,是指混凝土不密實狀態(tài)下形成的凍脹作用。這種凍脹類型,主要存在于襯砌混凝土表面,當環(huán)境處于低溫狀態(tài)時,混凝土表面凍脹反應(yīng)會隨之加劇,甚至會由表面上深入到混凝土骨料部分,進而在混凝土孔隙逐漸變化基礎(chǔ)上增加水體侵入,最終造成骨料脫落,降低土體強度,產(chǎn)生隧道結(jié)構(gòu)失穩(wěn)問題。(3)宏觀凍脹,是指水體結(jié)冰而引起的凍脹,主要是因隧道外部含水量增大而引起的,這種凍脹類型,會產(chǎn)生一定凍脹壓力,增加隧道結(jié)構(gòu)附加荷載,對隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定破壞作用,使隧道結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。
2我國目前季節(jié)性凍土地區(qū)應(yīng)對技術(shù)
吉圖琿鐵路客專作為我國第一條穿越季節(jié)性凍土地區(qū)的高速鐵路線路,在設(shè)計、施工中提取的經(jīng)驗,對我國后期的鐵路設(shè)計有一定的指向意義,在整個隧道工程的設(shè)計中,主要采取以下措施加強隧道的防凍結(jié)構(gòu)。
2.1防寒泄水洞
該結(jié)構(gòu)為帶孔小斷面排水隧道,主要建設(shè)在主洞下方,相關(guān)結(jié)構(gòu)排水系統(tǒng)囊括泄水孔、豎向盲溝、保溫出水口、支導洞等,在圍巖、襯砌內(nèi)的水借由該系統(tǒng)流至泄水洞隨即排出,具有降低隧道工程滲水、路基結(jié)冰、冒水、凍脹、掛冰等凍害現(xiàn)象發(fā)生概率的優(yōu)勢,其缺點為工程量大、施工技術(shù)復雜。
2.2中心深埋水溝
該結(jié)構(gòu)處于隧道工程凍結(jié)地區(qū),埋設(shè)深度需科學合理,確保地溫可傳遞至溝內(nèi),使地質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)的水體不再凍結(jié),可以排出隧道工程,較常應(yīng)用在1.5~2.5m深度范圍內(nèi)的粘性土凍結(jié)區(qū)段,具有結(jié)構(gòu)滲透力強、排水效果好等優(yōu)勢,其缺點為采用明挖施工技術(shù),影響基底及襯砌。
2.3保溫水溝
該結(jié)構(gòu)通過淺埋施加保溫措施,使水溝內(nèi)水流通暢且不會在冬季結(jié)冰,較常應(yīng)用在1.0~1.5m凍結(jié)深度的粘性土隧道施工區(qū)段,該結(jié)構(gòu)具有施工簡單、綜合成本低、結(jié)構(gòu)質(zhì)量優(yōu)、不受凍結(jié)病害影響等優(yōu)勢,其缺點為該結(jié)構(gòu)受線路坡度、水溝淤泥問題影響較為嚴重,一旦出現(xiàn)隧道工程線路坡度不協(xié)調(diào),水溝內(nèi)淤泥堆積現(xiàn)象,將影響水溝排水能力,隨之引發(fā)隧道工程凍害問題。
2.4隔熱保溫層
該結(jié)構(gòu)運用隔熱材料,最大程度留住圍巖地熱,避免圍巖在隧道工程落成后受冷空氣影響,與之發(fā)生熱交換并產(chǎn)生凍害,規(guī)避縱向冷空氣對隧道結(jié)構(gòu)的影響,保障隧道圍巖襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,削減凍融循環(huán)對隧道工程的消極影響,具有保障圍巖內(nèi)水不結(jié)冰,減少隧道工程內(nèi)熱交換等優(yōu)勢,該結(jié)構(gòu)缺點為隔熱保溫層敷設(shè)厚度、長度、方式均對隧道工程防凍結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響,當前仍未明確與之相關(guān)的承建標準,以及防凍結(jié)構(gòu)質(zhì)量驗收體系,影響隧道工程防凍結(jié)構(gòu)施工技術(shù)實施成效。通過分析可知,做好工程結(jié)構(gòu)內(nèi)防排水設(shè)計,以“排、截”為輔,“防、堵”為主,減少隧道工程內(nèi)圍巖熱交換,是我國當前隧道工程防凍結(jié)構(gòu)主要探究與實踐方向。
3國外成熟的季節(jié)性凍土地區(qū)的隧道工程防凍結(jié)構(gòu)踐行技術(shù)
日本學者立足熱能能理念,將防凍結(jié)構(gòu)建設(shè)技術(shù)分為加熱法、隔熱法2類,用以解決隧道工程凍害問題,其中雙層隔熱層處理法、表面隔熱處理法、插入U形隔熱材料等方法是主要隔熱技術(shù),加熱防凍結(jié)構(gòu)承建技術(shù)主要通過暖管加熱、電加熱等方式解決凍害問題,達到建設(shè)防凍結(jié)構(gòu)的目的,然而相關(guān)技術(shù)所耗成本較多,當前僅在國內(nèi)外部分隧道工程中進行試驗;俄羅斯季節(jié)性凍土面積較大,為落實該地區(qū)隧道工程防凍結(jié)構(gòu)承建目標,通常情況下在水溝沿途進行加熱,亦或在水溝外側(cè)覆蓋保溫材料,確保排水溝、排水管可以正常使用,保障隧道工程排水結(jié)構(gòu)有效性,削減“凍脹作用”對隧道工程的消極影響,降低“凍融現(xiàn)象”發(fā)生概率;美國在寒冷季節(jié)到來之前,會針對隧道工程防排水結(jié)構(gòu)進行系統(tǒng)檢查,避免出現(xiàn)堵塞、泄漏等問題,在防寒泄水處做好保溫加熱工作,例如敷設(shè)加熱電纜、新型保溫材料等;挪威主要在季節(jié)性凍土地區(qū)加設(shè)防凍防水棚,在通行量較少地區(qū)加設(shè)雙層防寒門,在通行量較大的隧道工程段運用壁隔式防凍襯砌結(jié)構(gòu),該防凍結(jié)構(gòu)及相關(guān)施工技術(shù)具有造價低、隧道內(nèi)壁平整度高、防火保溫等優(yōu)勢。
4新型季節(jié)性凍土地區(qū)隧道工程防凍結(jié)構(gòu)踐行技術(shù)
通過國內(nèi)外技術(shù)方案的對比,技術(shù)人員也在深入研究此類問題。在隧道工程內(nèi)敷設(shè)不少于2根防凍管,將該管橫向置于隧道工程襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi),確保其在二次襯砌、防水層之間,在隧道工程底部左側(cè)凍土層內(nèi)延展防凍管的一端,其另一端穿過該工程右側(cè),同樣在凍土區(qū)內(nèi)向下延展,防凍管之間的間距需合理,該管呈封閉狀態(tài)內(nèi)有空氣,防凍管以圓形銅質(zhì)最佳,充分發(fā)揮銅質(zhì)結(jié)構(gòu)抗腐蝕性強、熱傳導能力尚佳等優(yōu)勢,其規(guī)格為直徑5~10cm,防凍管之間的間距為0.5~5m,防凍管端口凍土區(qū)延展深度不少于5m,在管外兩側(cè)敷設(shè)防凍管定位件(定位鋼筋等),幫助防凍管抵消外部荷載,為使此種防凍結(jié)構(gòu)踐行技術(shù)更富實效性,相關(guān)參數(shù)需依據(jù)隧道工程實際情況予以明確。該防凍結(jié)構(gòu)優(yōu)勢在于,其可利用防凍管內(nèi)封閉空氣與二次襯砌、防水層進行熱交換,圍巖熱量可有效傳遞到二次襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi),防止隧道工程內(nèi)圍巖內(nèi)水結(jié)冰,期間防凍管及其內(nèi)部空氣通過吸熱、放熱,發(fā)揮熱平衡調(diào)節(jié)作用,抑制季節(jié)性凍土地區(qū)隧道工程凍脹病害,在保障該工程穩(wěn)定性同時,可有效保護凍土,基于防凍管敷設(shè)成本較低、結(jié)構(gòu)簡單、施工便捷,可以在隧道工程中季節(jié)性凍土地區(qū)大面積使用。具體施工步驟如下。(1)依據(jù)隧道工程承建實況計算防凍管敷設(shè)數(shù)量、深度、間距等參數(shù);(2)委派專員采購防凍管,確保其為圓形、銅質(zhì),封閉性強內(nèi)有空氣,必要時對進入隧道工程施工現(xiàn)場的防凍管進行試驗,待管材質(zhì)量驗收合格后方可流入施工現(xiàn)象,作為該工程防凍結(jié)構(gòu),同時做好防凍管存儲管理工作;(3)隧道開挖后依據(jù)常規(guī)進行初期支護并做防水層,沿隧道縱向埋設(shè)防凍管,確保埋設(shè)參數(shù)符合標準,檢查該結(jié)構(gòu)密封性;(4)在防凍管外側(cè)加固定為鋼筋,并進行常規(guī)二次襯砌,落實該工程防凍結(jié)構(gòu)承建目標。
5季節(jié)性凍土地區(qū)的隧道工程防凍結(jié)構(gòu)施工建設(shè)建議
5.1關(guān)注溫度
季節(jié)性凍土層受溫度影響,地質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)出現(xiàn)凍融循環(huán)現(xiàn)象,為此在隧道工程承建之初,工程設(shè)計人員就應(yīng)將凍脹力考慮進去,同時考慮破壞“凍融圈”,并提高圍巖隔熱保溫能力的方法,為縮減施工成本,確保防凍結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、有效,可以在施工前進行類比、試驗,得出隔熱層敷設(shè)參數(shù),確保保溫層敷設(shè)到位。
5.2關(guān)注水體
季節(jié)性凍土地區(qū)內(nèi)的水是造成隧道工程凍害問題的主要因素,該工程需著重做好防排水系統(tǒng)建設(shè)工作,選擇具備防水、防腐蝕、抗拉伸性能的材料進行施工建設(shè),在防水層、初期支護層之間設(shè)環(huán)形排水管。通過建設(shè)雙側(cè)保溫水溝、環(huán)向透水盲管、中心深埋排水溝、縱向排水管、保溫出口、檢查井完善該工程排水系統(tǒng),設(shè)置緩沖層確保排水管免受壓力影響,出現(xiàn)形變、破裂等質(zhì)量問題,使排水系統(tǒng)可正常運行,避免該結(jié)構(gòu)發(fā)生凍害。
5.3關(guān)注間隙
圍巖、襯砌之間容易出現(xiàn)間隙誘發(fā)凍害,例如在混凝土振搗時,技術(shù)人員未按搗鼓要求進行施工,加之混凝土結(jié)構(gòu)養(yǎng)護不當,使其出現(xiàn)裂縫,該結(jié)構(gòu)防水板無法嚴密鋪設(shè),在圍巖與二次襯砌之間留下間隙,為此需通過圍巖灌漿規(guī)避間隙,減少縫隙中水體含量,降低工程局部積水現(xiàn)象發(fā)生幾率,避免隧道工程受凍脹力消極影響。
6未來發(fā)展
6.1整合資料
理論研究是實踐的前提,為季節(jié)性凍土地區(qū)隧道工程防凍結(jié)構(gòu)可以發(fā)揮自身能效,施工技術(shù)人員需在總結(jié)以往防凍結(jié)構(gòu)承建經(jīng)驗同時,大力開展理論研究活動,用以整合資料,優(yōu)化配置現(xiàn)有隧道工程承建資源,優(yōu)化防凍結(jié)構(gòu)施工技術(shù),提高該結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、安全性。
6.2綜合分析
影響防凍結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、安全性的因素較為復雜,為此施工技術(shù)人員需考慮隧道工程承建地區(qū)氣候、地質(zhì)、溫度、地下水等客觀因素,綜合分析新建隧道工程防凍抗凍等級,以及隧道凍害程度,為采取有效技術(shù)建設(shè)優(yōu)質(zhì)防凍結(jié)構(gòu)提供依據(jù),確保季節(jié)性凍土地區(qū)隧道工程防凍結(jié)構(gòu)設(shè)計、建設(shè)方案科學、可行。
6.3創(chuàng)新發(fā)展
大力創(chuàng)研新型高效保溫材料,如噴涂式防水板等,提高相關(guān)材料延展性、防水性,確保該材料與襯砌、圍巖可緊密貼合,應(yīng)用先進技術(shù)規(guī)劃防凍結(jié)構(gòu)承建方案,例如采用信息技術(shù)計算法,利用其三維立體成像技術(shù),將隧道工程建設(shè)參數(shù)錄入其中,分析其對防凍結(jié)構(gòu)的切實要求,立足季節(jié)性凍土地區(qū)承建實況,合理計算該結(jié)構(gòu)施工建設(shè)參數(shù),為充分發(fā)揮該結(jié)構(gòu)應(yīng)用能效奠定基礎(chǔ)。
7結(jié)束語
綜上所述,季節(jié)性凍土地區(qū)是隧道工程建設(shè)施工困難區(qū)域,為規(guī)避“凍脹作用”對隧道工程的消極影響,人們需立足當前季節(jié)性凍土隧道工程防凍結(jié)構(gòu)研究實況,積極借鑒國外先進技術(shù),大力研究新型防凍結(jié)構(gòu),不斷整合研究資料,綜合動態(tài)分析防凍結(jié)構(gòu)施工建設(shè)方略,推動先進技術(shù)、材料創(chuàng)新發(fā)展,在發(fā)揮防凍結(jié)構(gòu)應(yīng)用能效同時,保障我國季節(jié)性凍土地區(qū)隧道工程優(yōu)質(zhì)、安全。
參考文獻
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作者:馮業(yè)軍 單位:中鐵十一局集團有限公司