寒区隧道冻害防治方法与流程

本发明属于隧道技术领域，更具体地说，是涉及一种寒区隧道冻害防治方法。

背景技术：

随着我国交通建设的不断发展，在严寒地区建设隧道的工程案例越来越多。寒区隧道受寒冷气候影响，极易发生冻害，如隧道衬砌冻胀开裂、剥落等。冻害一旦发生，不仅会使隧道发生结构性的破坏，还会使衬砌挂冰并侵入建筑限界，严重危害行车安全。

目前，国内寒区隧道主要通过铺设保温层的方式来缓解冻害，但是保温层极易受到隧道内环境及衬砌渗水影响，导致保温层仅有5-6年的使用寿命，远远无法满足隧道运营百年的需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种寒区隧道冻害防治方法，旨在缓解寒区隧道内的冻害现象，延长保温层的使用寿命，提高隧道运营期间的结构完整性从而保证行车安全。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种寒区隧道冻害防治方法，所述寒区隧道冻害防治方法为在目标区段衬砌上施做冻害防治层，包括

在所述衬砌表面施做防水层；

在所述防水层外施做钢板层，所述钢板层与防水层之间预留间隙；

在所述间隙内填充保温层。

进一步地，施做防水层时，首先在所述衬砌表面涂抹乳化沥青，然后在所述乳化沥青上铺设app改性沥青防水卷材。

进一步地，所述钢板层由多片钢板逐片拼接而成，所述保温层由填充于所述钢板层和防水层之间的保温材料形成。

进一步地，所述钢板与所述衬砌固定连接，安装时与所述防水层之间预留所述间隙，安装完成后将所述保温材料注入所述间隙中。

进一步地，安装所述钢板时首先将多个所述钢板在所述寒区隧道的断面周向拼接成环，多环所述钢板在所述寒区隧道的长度方向拼接安装形成所述钢板层。

进一步地，所述钢板拼接形成的环呈拱形，拼接时从两侧拱底同时向中间拱顶安装所述钢板。

进一步地，所述钢板的投影形状呈矩形，每环所述钢板之间错缝连接。

进一步地，所述钢板通过化学锚栓与所述衬砌固定连接。

进一步地，所述保温材料为聚氨酯保温材料且通过设于所述钢板上的填充孔注入到所述填充间隙中。

进一步地，所述钢板为曲面钢板。

本发明提供的寒区隧道冻害防治方法的有益效果在于：通过本方法施做的冻害防治层由内到外依次包括防水层、保温层和钢板层，其中

(1)防水层能够防止隧道围岩、衬砌内水分渗出，保证保温层不受渗水侵害，延长其使用寿命；

(2)保温层能够保温隔热，有效防治冻害现象；

(3)钢板层的作用有二，一是支撑和保护保温层，使保温层免遭洞内环境侵蚀，延长保温层的使用寿命；二是防止隧道衬砌冻胀开裂、剥落等冻害现象危害行车安全，保证隧道的结构完整性。

附图说明

图1为利用本发明实施例提供的寒区隧道冻害防治方法施做的冻害防治层的断面结构示意图；

图2为图1中a处的放大视图；

图3为钢板层的正视示意图；

图4为曲面钢板的结构组成示意图。

图中：1、衬砌，2、冻害防治层，2a、防水层，2b、保温层，2c、钢板层，3、化学锚栓，4、填充孔，5、钢板，5a、法兰板，6、锚栓孔。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1和图2所示，现对本发明提供的寒区隧道冻害防治方法进行说明。所述寒区隧道冻害防治方法为在目标区段衬砌1上施做冻害防治层2，包括

在衬砌1表面施做防水层2a；

在防水层2a外施做钢板层2c，钢板层2c与防水层2a之间预留间隙；

在所述间隙内填充保温层2b。

本方法既可以作为预防措施应用于新建隧道中，也可以作为治理手段应用在对现有隧道进行冻害治理的工程中。应用在新建隧道中时所述目标区段一般为隧道的抗冻设防段，应用在现有隧道的冻害治理工程时，所述目标区段为出现冻害的区段。

具体的，在进行所述第一步之前一般需要对衬砌1的表面进行清理。当本方法应用在对现有隧道进行冻害治理工程中时还需要对隧道内的既有照明线路、g网络及电力电缆等设施进行拆移和更换。

本实施例提供的寒区隧道冻害防治方法的有益效果在于：通过本方法施做的冻害防治层2由内到外依次包括防水层2a、保温层2b和钢板层2c，其中

(1)防水层2a能够防止隧道围岩、衬砌内水分渗出，保证保温层2b不受渗水侵害，延长其使用寿命；

(2)保温层2b能够保温隔热，有效防治冻害发生；

(3)钢板层2c的作用有二，一是支撑和保护保温层2b，使保温层2b免遭洞内环境侵蚀，延长保温层2b的使用寿命；二是防止隧道衬砌1冻胀开裂、剥落等冻害现象危害行车安全，保证隧道的结构完整性。

进一步地，作为本发明提供的寒区隧道冻害防治方法的一种具体实施方式，施做防水层2a时，首先在衬砌1表面涂抹乳化沥青，然后在所述乳化沥青上铺设app改性沥青防水卷材。

涂抹完乳化沥青铺设app改性沥青防水卷材时，不需要对app改性沥青防水卷材进行临时支撑，因为app改性沥青防水卷材与乳化沥青之间具有很强的粘结性，能够牢固的粘结在一起。

乳化沥青和app改性沥青防水卷材具有良好的吸附性和耐久性，能够与衬砌1的混凝土牢固的粘结为一体，同时乳化沥青和app改性沥青防水卷材具有极强的防水、防渗性能，能够有效防止隧道围岩、衬砌内水分渗出，保证保温层2b不受渗水侵害，延长其使用寿命。

具体的，所述乳化沥青的针入度为50—300，延度大于40，保证乳化沥青具有合适的稠度和延展度。

进一步地，如图3所示，作为本发明提供的寒区隧道冻害防治方法的一种具体实施方式，所述钢板层2c由多片钢板5逐片拼接而成，保温层2b由填充于钢板层2c和防水层2a之间的保温材料形成。

具体的，如图4所示，钢板5的边缘设有法兰板5a，法兰板5a上设有螺栓孔；相邻的钢板5通过穿设在所述螺栓孔内的高强螺栓进行紧固连接，从而能够逐片拼接形成钢板层2c。

进一步地，作为本发明提供的寒区隧道冻害防治方法的一种具体实施方式，钢板5与衬砌1固定连接，安装时与防水层2a之间预留所述间隙，安装完成后将所述保温材料注入所述间隙中。

进一步地，作为本发明提供的寒区隧道冻害防治方法的一种具体实施方式，安装钢板5时首先将多个钢板5在所述寒区隧道的断面周向拼接成环，多环钢板5在所述寒区隧道的长度方向拼接安装形成钢板层2c。

这种施工方式下钢板按环进场和堆放，方便对施工进行组织，保证施工现场井然有序。

具体的，将所述保温材料注入所述间隙中的作业发生在每环钢板5拼接完成后。即每环钢板5拼接闭合后进行保温材料的填充，逐个填充环上的每片钢板5与防水层2a之间的所述间隙。

进一步地，作为本发明提供的寒区隧道冻害防治方法的一种具体实施方式，钢板5拼接形成的环呈拱形，拼接时从两侧拱底同时向中间拱顶安装钢板5。

本实施例中，所述寒区隧道断面呈拱形，所述钢板层的截面形状与衬砌1的截面形状一致，都为拱形。拼接时从两侧拱底同时向中间拱顶安装能够保证钢板的拼接效率，缩短施工时间。

进一步地，如图3所示，作为本发明提供的寒区隧道冻害防治方法的一种具体实施方式，钢板5的投影形状呈矩形，每环钢板5之间错缝连接。

具体的，当所述寒区隧道断面呈拱形时，钢板5从侧面观察呈弧形且与衬砌1的弧度匹配。所述错缝连接是指相邻两环中，钢板5沿隧道长度方向的接缝不都是位于同一直线上，有的接缝是错开的。错缝连接能够使一些钢板5的侧面与相邻两个钢板5的侧面同时连接，从而加强整个钢板层2c的连接强度，增强了结构稳定性。

进一步地，如图3所示，作为本发明提供的寒区隧道冻害防治方法的一种具体实施方式，钢板5通过化学锚栓3与衬砌1固定连接。

具体的，钢板5上留有供化学锚栓3穿过的锚栓孔6。将钢板5固定好后通过钢板5上的锚栓孔6在衬砌1上配钻打孔，最后利用化学锚栓3将钢板5固定连接于衬砌1上。在衬砌1上打孔时，钻头需穿过防水层2a。不需要钢板5全部都进行化学锚固，可一部分化学锚固，另一部分通过钢板5之间的连接进行固定。

进一步地，作为本发明提供的寒区隧道冻害防治方法的一种具体实施方式，所述保温材料为聚氨酯保温材料且通过设于钢板5上的填充孔4注入到所述间隙中。

聚氨酯保温材料具有碳化防火、阻燃、耐高温、导热系数小且不易吸水等优点。聚氨酯保温材料的保温效果良好，但是容易受到围岩渗水的影响，通过防水层2a对聚氨酯保温材料进行保护后可大大延长其使用寿命，更好的发挥其保温功能；所述保温材料通过设于钢板5上的填充孔4注入到所述间隙中，具体的，所述保温材料借助高压聚氨酯浇注机注入所述间隙中。如图4所示，一般情况下，相比锚栓孔6，填充孔4尺寸大一些，以保证保温材料的注入效率。

进一步地，如图4所示，作为本发明提供的寒区隧道冻害防治方法的一种具体实施方式，钢板5为曲面钢板。具体的，钢板5为q345冷轧镀锌钢板。

下面以一个具体实施例来说明寒区隧道冻害防治方法的具体应用，此实施例以对现有隧道冻害进行治理的情况为例。

需进行冻害治理的隧道情况如下：隧道长度为3690m，跨度为13.62m，高度为10.31m，最大埋深约283m。年平均气温为4.0℃，1月平均气温为-16.4℃，7月平均气温为22.9℃；极端最高气温为36.3至37.7℃，极端最低气温为-29.2至-42.5℃。最大冻结深度为1.92m。隧址区地下水主要为第四系松散岩类孔隙水和基岩裂隙水，局部为上层滞水。水位一般为0至5m，季节性变化幅度0.5至2m。年平均降水量为528至670mm。

隧道洞口500m范围内为抗冻设计段，其衬砌采用厚60cm的c40钢筋混凝土，其余洞身段为非抗冻设计段，衬砌采用厚60cm的c30素混凝土。该隧道非抗冻设计段(距洞口500～1000m范围内)出现了因衬砌背后积水冻胀导致的衬砌开裂渗水、鼓包、脱空、掉块等影响铁路运营安全的严重冻害。利用本发明提供的方法对其进行冻害治理的过程为：

(1)施工准备

包括拆改既有照明线路、g网线及电力电缆等设施、将施工材料运输至现场和清理衬砌表面。

铁路营业线隧道内运营设施数量和种类繁多，对称隧道中线分布有接触网线、馈线、af线、回流线和接触网吊柱、回流线底座等既有设施，为便于施工需要对上述设施进行拆移，对不满足安全距离的af线吊柱、回流线底座基础进行更换。拆移时搭设门式脚手架作为施工平台，按施工进度逐段进行，并随曲面钢板的安装再逐段进行恢复。

需要运送的施工材料有曲面钢板、聚氨酯和施工工具等，利用轨道平板电瓶车进行运送。施工之前将上述施工材料运送至隧道内作业面。曲面钢板采用q345冷轧镀锌钢板，板厚为6mm，表面热浸厚度不小于84μm。单块曲面钢板尺寸为：0.945m×(1.95至3.14m)。

(2)施做防水层

在隧道内出现冻害的目标区段衬砌施做防水层，并向未出现冻害的区段适当延长一定距离，确保能够消除冻害造成的危害。在隧道衬砌表面涂抹一层热处理后的乳化沥青，乳化沥青的针入度在50-300，延度大于40；紧接着铺设app改性沥青防水卷材，由于app改性沥青防水卷材与乳化沥青之间具有很强的粘结性，能够牢固的粘结在一起，因此不需要对app改性沥青防水卷材进行临时支撑。

(3)施做保温层和钢板层

逐环施做曲面钢板，环与环之间错缝连接。安装单个曲面钢板时，利用化学锚栓将曲面钢板固定于衬砌的混凝土层中，并将相邻曲面钢板相互贴紧的法兰板通过高强螺栓紧固连接。

保温层采用现场自发泡硬质聚氨酯保温材料，其厚度根据《gb50176-2016民用建筑热工设计规范》进行计算。目标区段围岩导热系数为1.36，衬砌导热系数为1.5，硬质聚氨酯保温材料导热系数为0.025，再考虑隧道运营期较长、可能出现的极端低温天气及施工的便利性，硬质聚氨酯保温材料厚度取50mm，因此曲面钢板与防水层之间预留50mm的填充间隙。

对每环进行施做时，从两侧拱底同时向中部拱顶拼接曲面钢板，直至全环闭合，每环八片曲面钢板。安装单个曲面钢板时，将曲面钢板固定好后利用m20化学锚栓进行锚固，将曲面钢板固定在隧道衬砌上。侧面边墙上的曲面钢板可以通过化学锚栓固定，中部拱顶的部分曲面钢板可以不设置化学锚栓，与相邻曲面钢板固定连接即可。全环闭合后通过m24高强螺栓将相邻曲面钢板贴紧的法兰板紧固连接，然后通过高压聚氨酯浇注机将硬质聚氨酯保温材料从曲面钢板上预留的填充孔中注入曲面钢板与防水层的填充间隙中并现场自发泡形成保温层。硬质聚氨酯保温材料厚50mm，抗拉强度不小于180kpa，导热系数不大于0.024w(m·k)，吸水率不大于3％，其碳化防火、阻燃、耐高温，燃烧等级为b1，高温下不产生有害气体，具有良好的保温效果。

(4)施做钢板层基础

在隧道两侧拱底的原电力电缆槽内施做钢板层基础，完成后将两侧拱底的曲面钢板与钢板层基础固定连接。钢板层基础施做过程如下：利用人工风镐对原电力电缆槽底混凝土进行凿毛处理并采用手持电钻每隔30cm钻孔并保证钻孔顺直成线；安装螺纹钢作为新旧混凝土的接茬钢筋，并安装钢板层基础钢筋网片；每隔30cm预埋m20地脚螺栓，与接茬钢筋焊接固定；地脚螺栓与钢筋安装检查完成后，安装钢板层基础侧模并加固；使用c35商品混凝土浇筑、人工振捣密实，收面平整，完成施工。

在洞外自然温度-18℃至-20℃情况，该隧道冻害治理的目标区段的围岩温度均为正温，隧道衬砌与初期支护接触面温度均大于3℃，有效的避免了隧道衬砌背后积水冻胀的发生，并可有效保障治理段冬季排水通畅。寒区隧道采用本方法进行冻害防治，施工速度快、保温效果好，具有良好的应用前景。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。