寒冷地区铁路隧道保温防排水设施质量控制的研析

寒冷地区铁路隧道保温防排水设施质量控制的研析

贺伟

中国铁路哈尔滨局集团有限公司工程质量监督站

摘要：中国北方隧道受冬季寒冷气候影响，本文重点对隧道主体结构因冻融循环影响，如何提升保温防排水质量控制措施，避免造成防排水系统失效，引起隧道拱部挂冰柱、中心水沟冻结及变形缝冻胀等病害，危及行车安全。坚持问题导向、目标导向、结果导向，以提升铁路建设标准化水平和质量安全管控措施能力为目标，对寒区铁路隧道保温防排水设施质量控制措施中存在的问题及对策进行了研判与分析，为寒区铁路隧道安全可靠性提供指导和推动作用。

关键词：铁路寒区隧道 保温防排水设施质量控制

一、工程基本情况

本次研析选择围岩含水量大及下穿河谷等具有代表性的寒区隧道作为重点研析对象，并借鉴了开通运营的寒区隧道保温排水设施状况。在研究分析设计理念的基础上，结合工作实践，对寒区隧道出入口防寒设防段的保温防排水设施情况进行了实地研析。分析保温防排水设施设计、实施过程中的质量控制重难点和管理措施，总结了寒区铁路隧道保温防排水设施有效性质量管控措施。

目前，寒区铁路隧道出入口防寒设防段保温防排水设施主要采用以下几种措施，一是径向防寒注浆，增加围岩整体性；二是初支与二衬间增设保温板，降低冻胀对结构物的影响；三是隧道冻结深度以外，增设加深环向深水盲管（盲沟），消除环向排水冻胀影响；四是对环、纵向排水盲管外包保温板防护，减少冻结影响；五是中心水沟加深设置于仰拱初支位置以下，确保低温条件下排水畅通。六是变形缝处增设凸壳型防排水板，加宽排水通道；七是中心水沟洞外引出部分加大排水坡度及埋深、检查井增设防寒盖板、中心水沟出水口进行保温处理等措施。

二、寒冷地区铁路隧道保温防排水设施存在问题及原因

寒区隧道建成后由于保温防排水设施功能不全或失效极易引发冻害，存在结构防冻功能不足、排水系统冻结堵塞等突出问题，对隧道结构稳定及耐久性产生影响。如：隧道冻害引起衬砌挂冰、隧底冰锥、道床积冰及中心水沟结冰堵塞冻胀等。隧道冻害的产生既增加了运营期间维修养护的工作量，又威胁到隧道结构及运营安全，造成严重安全隐患。研究分析存在问题及原因如下：

（一）问题表现

1.技术方面问题表现。

（1）设计规范中未明确防寒设防段长度等设计参数，相关单位对寒区隧道在建及运营后冬期保温防排水效果监测、系统调查及经验总结工作较少。

（2）隧道洞口段防寒设防长度不足。深埋中心水沟、深埋环向盲管（盲沟）段落设计长度过短，冬季寒冷气温作用下，部分洞口段排水通道内水流流速变缓冻结，导致堵塞排水通道，引起病害。以往案例中有部分寒区隧道在距洞口1.3km-2.0km附近浅埋中心水沟内仍存在结冰现象。

（3）隧道个别排水设计措施现场较难实施。如：纵向盲管上方设计填充的无砂混凝土，反包防水板施作难以固定，易挤压损坏盲管，且不利于控制盲管坡度，现场可操作性差，质量难以控制。

（4）设计规范须进一步完善补充寒区铁路隧道目前采用的保温材料的种类、导热系数及耐冻融性能等技术指标。

2.过程控制问题表现。

非寒区隧道排水系统病害受季节影响较小，寒区隧道保温防排水设施质量缺陷在负温条件下导致通道结冰、排水不畅、保温效果降低等从而引起冻害，隧道运营后产生安全隐患，问题表现为：

（1）防寒设防段。①洞口段施作径向防寒注浆不规范，影响围岩及隧道衬砌整体抗冻性；②深埋环向盲管埋设深度不足或通道不畅，容易冻结堵塞通道；③纵向盲管保温层受硬度、外形尺寸的影响反包不到位，影响纵向盲管保温排水效果。

（2）防排水系统。①纵向盲管排水坡度控制不佳，易造成反坡积水冬期结冰；②横向导水管与纵向盲管连接处等薄弱点，在混凝土浇筑过程中保护不当，或导水管末端未伸进中心水沟，造成排水通道失效；③凸壳型防排水板与检查井衔接处，泄水孔漏设或与凸壳型防排水板错位，影响排水效果；④防水板、止水带、止水条固定不牢、搭接处理不规范，预留槽尺寸偏差过大、止水条安装时机把握不准确，影响变形缝、施工缝处防水效果，易造成隧道冬期冻害。

（3）保温措施。①中心保温水沟排水管管节抹带封闭施作不标准，管节间渗水,造成环向保温板吸水饱和，降低保温性能；②保温检查井盖板间保温层施作不到位，影响检查井保温效果。

（4）防排水材料。①横向导水管误用打孔波纹管，选用型式与设计要求不符，易造成排水通道堵塞；②使用盲管材质及开孔率不满足相关规定要求，影响排水效果。③加深渗水盲管（盲沟）中所用盲管材料环刚度不足、盲沟填料级配较差、结构形式不准确、位置偏差较大，造成排水不畅或失效。

（5）其他设施。隧道外设置的排水通道坡度过缓、保温出水口位置选择背风向阳位置不当，容易造成隧道出水口结冰堵塞。

（二）原因分析

寒区隧道出入口排水系统极易受冻，造成排水系统通道堵塞，防水板后积水、水位上移，继续受冻后易造成防水板接缝处胀开，导致防水功能失效，积水通过衬砌薄弱处所流出，随着温度降低、时间推移冻胀范围继续延伸扩大，特别是初冬、初春冷暖交替变化、正负温临界变化期间极易形成冰锥、冰柱等危害，影响行车安全。

1.寒区隧道冻害重要性、危害性认识不足。未能深刻认识寒区隧道出现的冰冻危害性经验教训，未能很好的开展案例警示和专题培训，对寒区隧道保温防排水系统质量安全隐患预防工作需进一步加强，对其质量控制需进一步强化。

2.规范及设计不完善。设计规范、标准中关于相关技术要求规定的内容不详实，实用性及可操作性不强，目前设计单位对寒区隧道工程特点深入研究不足，隧道保温防排水系统设计多采用类比设计法。寒区隧道保温防排水系统实际效果监测分析总结不足，设计缺少数据支撑。

3.作业指导编制与过程控制验收落实有偏差。各级管理人员对寒区隧道保温防排水设施设计理念理解不透，编制的保温防排水专项技术交底不细、不实、针对性不强，关键部位技术措施交底不细，未严格执行“三检制”，易产生深埋环向盲管埋设深度不足、盲管通道变形、堵塞、排水不畅等问题，导致设计理念及交底内容不能落实到位。

4.保温防排水材料管控不细。一是材料采购源头控制不严谨。采购的波纹管环刚度不足，容易造成使用过程盲管变形；加深盲沟渗水材料级配不符合设计透水要求，影响盲沟排水效果。二是材料进场检验有缺漏。对盲管类型错误（双壁波纹管误用为PVC管或单壁波纹管）、开孔率不足、采购的纵向盲管保温材料无法按设计要求包裹安装等问题，未能检验发现并及时改正。三是材料使用管理不到位，造成材料混用、误用。如盲管与导水管混用，普通防水板代替凸壳型防排水板等。

5.防寒设防段特殊设计要求落实不到位。隧道围岩水系发达段落，采取径向注浆封闭止水，增设保温板、防水板，环向盲管及深埋环向盲管（盲沟）引排等措施，实际补强设防施作不规范。设计与施工融合度不高，对寒区隧道保温防排水设施实际难点未能及时指导有效解决。

三、强化寒区隧道保温防排水设施质量控制的措施及建议

通过寒区隧道保温防排水设施冻害问题原因分析，针对性地解决设防方案合理、排水系统通畅、保温设施有效等关键问题，须进一步强化以下有效控制措施：

（一）寒区隧道项目建设单位质量控制措施

1.针对寒区隧道保温防排水系统组织设计单位进行专项技术交底，同时开展隧道病害专项培训，细化日常检查重要项点，强化过程检查检测工作。

2.建立寒区隧道保温防排水设施首件评估制度，对新开工寒区隧道进行首件评估，创新完善工艺工法，细化完善作业指导书及专项技术交底。

3.针对施工中寒区隧道保温防排水设施存在的突出问题，组织设计单位及时进行优化补强设计。

4.组织开展贯通隧道冬期防排水效果观测验证工作，对存在的冻害问题做到早发现、早研究、早处置、早解决，为安全开通打好基础。

5.组织做好寒区隧道保温防排水系统科研立项、技术总结工作，为技术攻关提供宝贵经验资料。

（二）寒区隧道项目设计单位质量控制措施

1.开展寒区隧道洞口防寒设防段长度研究。现阶段新建铁路隧道防寒设防段长度已逐步由1.0km、1.5km加长至2.0km。对于新建的寒区隧道防寒设防段长度，建议对此项技术参数进行专项研究，设防段内采取增设防寒注浆、深埋环向盲管、深埋保温中心水沟等系统措施，有效预防寒区铁路隧道冻害。

2.完善寒区隧道排水通道设计。一是衬砌背后环、纵向盲管均直接引入深埋中心管沟，保证排水畅通。环、纵向盲管形成独立引排单元，对富水地段适当增加独立排水单元。二是隧道洞口防寒设防段加密设置深埋环向盲管（盲沟），埋设深度应大于当地最大冻结深度。三是变形缝处设置凸壳型板作为防排水通道，加强结构变形处防排水效果。四是隧道防排水材料、浇筑工艺工法需进一步提升改进。如：环、纵向盲管选型优化，混凝土浇筑过程有效防止盲管堵塞措施等。

3.明确隧道部分保温防排水材料性能指标。结合寒区气候、水文等控制因素，进一步细化波纹管开孔指标。应进一步对保温材料各项性能指标进行深入研究，满足防寒、保温及耐冻融性能，为保温防排水设施质量控制提供技术支撑。

4.开展寒区隧道保温防排水设施效果监测。应积累监测数据，总结整理有效措施，合理优化设计方案，为补充完善相关技术标准、规范提供技术保障。

（三）寒区隧道项目施工单位质量控制措施

1.应建立寒区隧道保温防排水设施施工首件评估制度。强化施工标准化管理，完善作业指导书，总结优化工艺工法流程，确保实现保温防排水设施质量目标。

2.强化寒区隧道保温防排水设施专项技术交底。结合设计文件、验标、方案及工艺工法，编制操作性、针对性强的技术交底文件。根据以往寒区隧道保温防排水设施施工经验，细化关键作业环节技术要求，开展专项质量培训，将技术交底工作落到作业层。

3.强化设计变更管理。应及时根据设计联系单、变更设计等文件要求，修订专项段落方案及技术交底，并传达落实到作业层，确保保温防排水设施满足设计变更要求。

4.创新工艺工法、强化工序质量控制。如：盲管周围增设异形保温板或喷涂保温材料；隧道衬砌拱部混凝土浇筑冲顶工艺工法，确保衬砌厚度和密实；严格控制衬砌变形缝处中埋与背贴止水带定位质量等措施保证保温排水效果。

5.加强寒区隧道保温防排水设施质量管理。应将隧道防寒设防段施工作为常态化质量控制重点，建立包保责任制，强化影像资料留存，增加检查频次，加大隐患排查，及时整改突出问题。

（四）寒冷地区隧道保温防排水设施质量监管措施

1.监理单位加强现场管理。应组织专业人员进行寒区隧道保温防排水系统专项培训，提升专业能力及危害性认识。认真编制专项监理实施细则，过程中重点检查保温防排水设施，留存关键部位影像资料，落实设计文件、验标，注重工艺工法的总结整理，紧盯过程实施，严格把住验收关。

2.各级监管部门重点对隧道保温排水设施进行抽查。梳理寒区隧道保温防排水设施倾向性问题，从管理行为、工程实体、功能效果等方面检查检测，促进寒区隧道保温防排水设施质量提升。

四、寒区隧道保温防排水设施改进建议及思考

1.完善补充寒区隧道保温防排水设施设计规范相关技术要求。现行规范只提出原则性要求，目前设计单位对此项工作深入研究不足，统筹建立寒区隧道防寒效果监测数据库，总结归纳相关科研成果。

2.开展寒区隧道防寒设防段技术方案研究。如：目前同地区不同项目早期防寒设防段长度为1.0km，现已逐步调整至2.0km，保温层位置及厚度设置措施等不统一，缺少科研数据支撑，须对相关技术参数进一步研究。

3.开展贯通隧道冬期排水效果观测验证。对具备条件的隧道撤除冬期施工保温措施，开展冬期防排水效果观测验证，开通前对发现的冻害问题及时整治。对于形成排水条件的隧道段落，探索进行实体排水效果阶段性的检查方法。

4.强化寒区隧道保温防排水设施质量管控。提高寒区隧道冻害危害认识，发挥建设单位、施工图审核单位、介入及设备管理单位等管控作用。

5.继续推广运用BIM等技术手段，优化寒区隧道保温防排水设施施工方案，编制3D作业指导书、技术交底，通过BIM可视化形式强化培训及指导实施。

6.目前无损检测规程及验标规定的测线布置位置在隧道拱顶、左右拱腰、左右边墙和隧道底，实际拱顶范围内衬砌质量缺陷未必处于拱顶中心，拱顶检测布线数量应适当增加、间距加密，提高检测完整性、覆盖面，控制衬砌整体质量，并及时消除质量安全隐患。

参考文献：

[1]马志富，杨昌贤，寒区铁路隧道保温排水设施设计标准研究，隧道建设，2019年6月

[2]徐宇杰，严寒地区高速铁路隧道研究与探索，2020年6月

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