适用于寒区既有隧道环向排水系统的冻融调控方法

技术领域

本发明属于寒区隧道冻害防治技术领域，具体涉及适用于寒区既有富水隧道环向施工缝背后排水系统的冻融调控方法。

背景技术

水是困扰隧道工程最常见的不利因素，隧道施工或运营过程中的任何有害扰动造成防排水体系的破损或缺陷，都有可能引起水害发生。据统计，70％以上的运营隧道存在渗漏水病害，而在衬砌比较薄弱的部位，如环向施工缝发生渗漏占比超过60％。因此，保持地下水排导系统的畅通，特别是环向施工缝排水系统的畅通，是避免水害的关键。

对于寒区隧道，由于冬季洞内温度低，处于负温状态，水害会进一步转化为冻害，出现衬砌冻胀开裂、拱部挂冰、路面渗水结冰等冻害现象，影响行车安全和结构稳定，而引起这种冻害的主要原因是洞内负温条件下排水系统失效所致。因此，解决好寒区隧道冬季排水系统失效问题，是解决寒区隧道冻害的关键所在。

目前，针对寒区隧道排水系统失效主要采用增设保温层和加热等方法，进行排水系统保温防冻，防止排水系统冬季出现冻结失效。增设保温层法主要适用于公路隧道，由于保温材料的耐久性问题，其铺设方式主要以外贴式为主，使用寿命一般为5-8年；对于铁路隧道来说，由于列车活塞风问题，会导致外贴式保温板脱落危及行车安全，夹心式即把保温层铺设在初支与二衬之间，由于保温材料本身无法与衬砌结构使用寿命相匹配，很少在工程中使用。即使设置了保温层，由于目前保温层都是沿全断面布置的，没有针对性，若厚度稍有不足，就可能出现排水系统因冻结顺序问题导致出现隧道渗水挂冰现象。

事实上，我国在寒区修建的隧道越来越多，寒区隧道冻害虽然形式多种多样，但真正由围岩冻胀导致衬砌开裂破损案例很少见，衬砌渗水挂冰，特别是施工缝处渗水挂冰是寒区隧道冻害的主要形式，所以处理施工缝处渗水挂冰是当前主要需要解决的问题，特别是针对铁路隧道，表面铺设保温材料存在防火、脱落等风险。此外，电加热法，由于严寒地区冻结期持续时间长，有的甚至超过6个月，如果整个冬季持续加热会导致消耗大量电能，大幅提高寒区隧道运维费用。

国内外研究中，对寒区隧道的研究方法通常有理论分析、数值模拟、模型试验以及现场原位测试等，得到了隧道围岩、衬砌冻胀特性等相关参数，从而为寒区隧道冻害提供了解决思路。然而，根据本申请发明人这些年的研究发现，排水系统失效导致衬砌冻胀、渗水挂冰更深层次原因是：寒区隧道洞内温度场分布不均布，出现下冷上热现象，当冬季温度降低达到0℃以下时，隧道下部分排水系统先冻结，其中的水变成冰，堵塞排水系统，此时，上部地下水无法通过排水系统畅通排放，进而产生两方面后果：一、会导致衬砌背后局部积水成冰，产生冻胀甚至使衬砌开裂；另一方面，排水系统堵塞会产生水压力，使得地下水通过衬砌薄弱部位渗出，导致渗漏水现象，由于此时外界温度处于负温，进而出现衬砌渗水挂冰现象，渗到地面会使得路面结冰。春融期来临时，外界温度升高，由于隧道内下冷上热现象，会出现隧道上部衬砌背后的冻结地下水先融化，而此时下部排水系统仍然处于冻结状态，地下水仍无法通过排水系统正常排放，融化后的地下水仍然会通过衬砌薄弱部位渗出，导致渗漏水现象，由于此时外界温度处于正负温交替状态，隧道仍然会出现渗水挂冰现象，只有当温度进一步升时，排水系统全部融化后，排水系统正常工作，渗漏水现象才会停止。

由此可见，寒区隧道排水系统的冻融特点，再加上寒区隧道施工缝自身处于薄弱部位的特征，即冻融先后顺序是引起渗水挂冰冻害的主要原因。基于此，本发明提出了一种适用于寒区既有隧道环向排水系统冻融调控方法，结合寒区隧道排水系统冻结期先下后上冻结，春融期先上后下融化的特征，采用可移动式防火保温构件对排水系统冻结、融化顺序进行调控，确保非完全冻结状态下排水系统的畅通，确保施工缝后地下水始终能顺畅排到中心水沟，避免寒区隧道施工缝处出现拱顶吊冰柱、边墙挂冰瘤和路面结冰现象，为寒区隧道正常安全运营提供保障。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种适用于寒区既有隧道环向排水系统的冻融调控方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：适用于寒区既有隧道环向排水系统的冻融调控方法，包括以下步骤：使既有隧道在冻结期先上后下冻结，在春融期先下后上融化。

进一步的，通过在既有隧道内安装保温层实现使既有隧道在冻结期先上后下冻结，在春融期先下后上融化。

进一步的，当处于冻结期之前(非冻结、融化期)至一年中最冷时刻，所述保温层设置在隧道环向由底部向上延伸至隧道高度的1/2-2/3位置处；当处于冻结期中一年中最冷时刻至春融期结束，保温层设置在隧道环向由顶部向下延伸至隧道高度的1/2-2/3位置处。优选延伸至隧道起拱线位置处。

进一步的，所述保温层的安装方法为：当既有隧道所处环境温度开始降低至0℃以下之前，在隧道环向排水系统对应位置沿既有隧道环向安装平行轨道，所述平行轨道内置有与之契合的多个保温构件以构成保温层，所述既有隧道在最底部的保温构件下侧位置处设置有固定栓，通过移动保温构件、固定栓实现将保温层设置在不同高度处。

优选的，通常可选在洞内温度一年中最高的6-8月份进行安装保温层。

进一步的，所述保温层覆盖在隧道施工缝上，且沿施工缝对称布置。

进一步的，所述保温构件呈长方体状，此时保温层厚度均一。

进一步的，所述保温层厚度范围为5-10cm，优选厚度为根据隧道所处环境条件以排水系统冻结或融化滞后1个月所需保温构件厚度。

进一步的，所述平行轨道的宽度为1.0-1.2m，平行轨道的材料为轻质铝合金，按隧道断面形状事先预制。

进一步的，所述保温构件的材质为密闭空气格(四周和两侧为防火材料，中间用同样防火材料隔为空气格，空气格尺寸优先长20cm×宽20cm×厚2cm；另外也可以是聚氨脂、酚醛等常规保温材料，但外侧即靠洞内侧设置有厚0.2-0.3cm的防火板，具有防火防脱的效果。

进一步的，当处于冻结期之前(非冻结、融化期)至一年中最冷时刻，所述保温层由下至上厚度不变或递减；当处于冻结期中一年中最冷时刻至春融期结束，所述保温层由上至下厚度不变或递减。优选通过不同厚度的聚氨脂、酚醛等常规保温材料组合防火板实现，或者通过多层0.2cm厚度聚氨脂、酚醛等常规保温材料组合防火板实现，需要注意的是，由于平行轨道的内侧厚度是固定的，当采用比平行轨道内侧厚度更薄的保温构件时，通过在更薄的保温构件外边侧设置防火板挡条，确保保温构件与隧道贴合。

进一步的，所述保温构件沿隧道环向长度为0.3-0.5m。

进一步的，通过采用化学螺栓将平行轨道安装在隧道环向，所述螺栓环向间距0.5m。

本发明的原理为：

当隧道内温度进入一个冻融循环中最低的时刻，通常在每年12月或次年1月，此时将保温层移动至隧道上部，让隧道下部的排水系统在外界负温条件下进行冻结，这时隧道上部地下水排导系统已经完全冻结(隧道上部地下水排导系统9月份左右开始冻结)，隧道下部排水系统由于保温层的保温作用尚未进入冻结状态，围岩渗水能通过排水系统正常进入隧底中心排水沟，不会形成任何水压力。

在洞内负温条件持续作用下，隧道下部排水系统也进入冻结状态，由于隧道上部排水系统及背后围岩先期已经冻结，流经排水系统围岩渗水量相对会大幅减小，作用在衬砌上的水压力也大幅较小，进而可以进一步避免施工缝渗水挂冰现象发生。即便在负温持续作用下，排水系统完全冻结，由于已经形成了稳定的冻结状态，因此隧道受到的影响相对也更小。

进入春融期，隧道洞内环境温度开始上升为正温，隧道下部的排水系统开始由冻结状态开始融化，排水系统开始恢复正常工作状态，当隧道排水系统及衬砌背后围岩温度完全转为正温后，且洞内温度不再出现一天任意时刻低于0℃的情况时。此时可将保温层移至隧道下部，使得隧道上部的排水系统进入融化状态。随着洞内温度继续升高，隧道上部的排水系统继续融化，直至完全融化，排水系统完全恢复正常工作状态。

本发明的有益效果是：本发明提供的方法具有施工简单、结构可靠、维护方便、节能环保等特点，通过移动防火保温层调控寒区既有隧道施工缝环向排水系统冻融顺序，确保衬砌背后作用较小水压力，排水系统处于畅通、依次冻结或完全冻结状态，避免了因排水系统冻结顺序不一致，特别是下部排水系统先冻结导致冻结堵塞产生水压力，进而避免寒区隧道出现衬砌渗水挂冰冻害现象，为寒区隧道冬季安全运营提供了保障。

附图说明

图1为隧道环向排水系统对应处含保温构件的剖面图；

图2为保温构件位于起拱线以下时断面图；

图3为保温构件位于起拱线以下时正视图；

图4为保温构件位于起拱线以上时断面图；

图5为保温构件位于起拱线以上时正视图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

实施例1

参照图1-5，本发明提供一种适用于寒区既有隧道环向排水系统的冻融调控方法，通过改变既有隧道排水系统冻融顺序实现，使既有隧道排水系统在冻结期先上后下冻结，在春融期先下后上融化。通过这种方式，当处于冻结期时，隧道上部分排水系统先冻结，隧道下部分排水系统后冻结，使得隧道上部分的地下水能够及时通过隧道下部分排水系统进行排放，从而避免了常规情况下因隧道下部分衬砌背后排水系统先冻结堵塞出现作用在隧道上部分衬砌水压力上升或积水现象，进而避免衬砌承受水压力过大或积水过多导致冻胀力过大引起衬砌开裂；此外，当作用在隧道上部分衬砌水压力过大时，隧道上部分积水还会从衬砌薄弱部位，特别是施工缝处渗出，因此隧道下部分排水系统后冻结，可畅通地排放地下水，能起到避免隧道渗水挂冰的现象，同时也避免了路面积水结冰。当处于春融期时，随着外界温度升高，使隧道下部分排水系统中的冰先融化，隧道上部分后融化，从而使地下水能够通过排水系统正常排放，避免融化后的水从衬砌薄弱部位渗出，避免漏水，由于此时外界温度处于正负温交替状态，因此可以起到避免隧道渗水挂冰和路面积水结冰的问题。

实施例2

在实施例1的基础上，参照图2，当处于冻结期之前(非冻结、融化期)至一年中最冷时刻，所述保温层设置在隧道环向由底部向上延伸至隧道高度的1/2-2/3位置处；参照图4，当处于冻结期中一年中最冷时刻至春融期结束，保温层设置在隧道环向由顶部向下延伸至隧道高度的1/2-2/3位置处。优选延伸至隧道起拱线位置处。通过在隧道不同位置处设置保温层，可以实现改变隧道冻融顺序。

实施例3

在实施例2的基础上，参照图1-5，所述保温层的安装方法为：当既有隧道所处环境温度开始降低至0℃以下之前，优选为洞内温度一年中最高的6-8月份，沿既有隧道环向安装平行轨道，所述平行轨道内置有与之契合的多个可移动保温构件以构成保温层，所述既有隧道在最底部的保温构件下侧位置处设置有固定栓(或其他固定组件)，通过移动保温构件、固定栓(或其他固定组件)实现将保温层设置在不同高度处。

进一步的，所述保温构件呈长方体状，此时保温层厚度均一。

实施例4

在实施例3的基础上，当处于冻结期之前(非冻结、融化期)至一年中最冷时刻，所述保温层由下至上厚度不变或递减；当处于冻结期中一年中最冷时刻至春融期结束，所述保温层由上至下厚度不变或递减。相较于实施例3厚度均一的保温层，起到的改变冻融顺序效果更好。

实施例5

在实施例3和4的基础上，所述保温构件的材质为密闭空气格(四周和两侧为防火材料，中间用同样防火材料隔为空气格，空气格尺寸优先长20cm×宽20cm×厚2cm；另外也可以是聚氨脂、酚醛等常规保温材料，但外侧即靠洞内侧设置有厚0.2-0.3cm的防火板，具有防火防脱的效果。保温构件厚度范围为5-10cm。优选厚度为根据隧道所处环境条件以排水系统冻结或融化滞后1个月所需保温层厚度。保温构件沿隧道环向长度为0.3-0.5m，宽度低于平行轨道的宽度1-3cm，以实现可移动的功能。

为了实现上述保温层厚度不变或递减，优选通过不同厚度的空气格或聚氨脂、酚醛等常规保温材料组合防火板实现，或者通过多层0.2cm厚度空气格或聚氨脂、酚醛等常规保温材料组合防火板实现，需要注意的是，由于平行轨道的内侧厚度是固定的，当采用比平行轨道内侧厚度更薄的保温构件时，通过在更薄的保温构件外边侧设置防火板挡条，确保保温构件与隧道贴合。

参照图3、5，保温构件形成的保温层覆盖在隧道施工缝上，且沿施工缝对称布置。传统的保温层大多是沿全断面布置的，本发明仅需设置在隧道施工缝上，针对性强、成本大幅降低，能够大幅避免因冻结顺序问题导致出现隧道渗水挂冰现象。

参照图3、5，平行轨道的宽度为1.0-1.2m，平行轨道的材料为轻质铝合金，按隧道断面形状事先预制。通过采用化学螺栓将平行轨道安装在隧道环向，所述螺栓环向间距0.5m。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。