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寒区铁路隧道常见病害及防治措施研究

时间:2018-03-04 20:52:55    来源:互联网整理    作者:匿名  浏览次数:
[导语]   对于高寒区隧道,大多处于高原与高纬度地区,气候恶劣,产生了各种病害,对隧道的美观与正常运营造成了巨大的影响。文章探讨了高寒区隧道常见的病害表现形式,诸如混凝土衬砌开裂、冻

对于高寒区隧道,大多处于高原与高纬度地区,气候恶劣,产生了各种病害,对隧道的美观与正常运营造成了巨大的影响。文章探讨了高寒区隧道常见的病害表现形式,诸如混凝土衬砌开裂、冻涨、挂冰、热融沉降等,其中融沉破坏已成为寒区隧道的主要破坏形式。总结了工程上常用的寒区隧道病害防治措施,比如加强衬砌结构、综合治水、保温隔热防冻、更换土壤、防止融塌等,为已有隧道的病害治理和新建隧道的病害防治提供参考,为隧道的安全运营提供保障。

【关键词】寒区铁路;隧道;病害;防治措施

1 寒区铁路隧道病害表现形式

1.1 衬砌开裂

多年冻土及严寒地区铁路隧道普遍存在衬砌开裂问题,衬砌开裂分为环向、纵向及斜向三种形式。开裂的原因除了地质条件、施工影响和结构类型等因素外,本地区气温的日较差及年较差都很大,因而衬砌产生的温度应力和冻胀力的作用是寒区隧道产生开裂的主要原因。

1.2 隧道洞口段冻胀破坏

处于多年冻土区的隧道,在隧道的进出口处也均处于多年冻土中,隧道开挖后,由于注浆、喷射混凝土、施工放热及模注混凝土而放出大量的水化热使得隧道开挖部分范围内的多年冻土出现融区,经过若干年后,水化热已释放完毕,隧道洞口部分开始冻结,而沿隧道纵向有可能有补给的水源而使得洞口段衬砌内不断结冰,导致初期支护和二次衬砌最终开裂、变形,从而出现渗水、挂冰等,严重的可使洞门严重变形以至倒塌。

1.3 隧道贯堂风的病害

多年冻土区的外部大气常年平均气温基本在0℃以下,隧道内由于通风的作用,使得沿隧道纵向有可能形成一条冻结的柱状带,从而再次改变隧道内衬砌和围岩的应力状况。当对隧道内的保温措施未能充分考虑时,就会产生意想不到的衬砌破坏和连锁的其它冻害。

1.4 冰丘及冰椎

在多年冻土区的河滩、阶地、沼泽地及平缓山坡和山麓地帶,常常会看到象坟丘一样的土包,大小不一,有的呈单个分布,有的成串成片分布,这些丘状的土包称为冰丘,也称冻胀丘。根据它的生成和发育条件与地下水的类型有密切关系。首先,以冰丘补给水源的类型作为一级分类的依据,可划分出多年冻土层下承压水补给的冰丘和多年冻土层上潜水补给的冰丘两类;再按其形成和存在时间的长短又可分为季节性冰丘和多年冰丘;按组成冰丘的物质成分还可为发育在粘性土地层中的冰丘、发育在粗颗粒土中的冰丘、泥灰岩冰丘及碎石冰丘。当隧道进出口在富水区时就有可能在进出口的明洞或洞门边坡或明洞内形成冰丘,直接导致洞门开裂和错台,有的甚至破坏洞内衬砌。

1.5 雪崩

多年冻土地区冰雪常年覆盖,而且覆盖的积雪一般很厚,洞门后的积雪在外界动荷作用下,如地震、附近地区雪崩、泥石流、雷声、爆破等,会发生雪崩,体积有的高达几百立方米,完全堵塞洞门和路面。

1.6 地下冰

在多年冻土地区天然上限附近往往存在着一层冰,其厚度不一,由几厘米至几米。这种层状冰多为地表水下渗转移到冻结锋面上逐渐形成的。至于埋藏较深的地下冰,其成因在学术界有争议。常见的地下冰有楔形冰和层状冰两种楔形冰是由于地温的不均匀变化导致多年冻土中发生上大下小的裂隙,裂隙中聚水后冻结形成楔形冰。而层状冰是由厚几厘米至几米平行地面呈层状存在的冰层形成的。这种地下冰的存在对工程影响很大。会引起多年冻土上限下降,基底下沉、冻胀严重,养护困难,所以很不安全。对隧道而言,一般是引起洞门和挡墙护坡的下沉。

1.7壁面结霜和结露

寒区隧道在开挖期间洞口会发生结霜现象,投入运行期间5-6月份壁面曾多次发生结露现象,这是因为高原高寒地区,冬季气温低,但少雪,空气相对湿度低于50%,暖季也是雨季,一般空气相对湿度在60%以上,连续雨雪时可近于饱和。在隧道严冬期,入侵隧道的空气温度远低于隧道围岩的地温,故壁面温度高于气温不能结霜。暖季,入侵隧道的气温高于此间冻结壁表面温度,此间洞内温度已上升,但因气温高于零度,故此间经常出现结露现象,使隧道衬砌表面呈湿润状态。

1.8 融沉

融沉是多年冻土地区路基主要病害之一,也是隧道的主要病害之一。融沉一般多发生在含冰量大的豁性土地段,当隧道洞门的多年冻土上部或路堑边坡上分布有较厚的地下冰层时,由于地下冰层埋藏较浅,在施工或运营过程中各人为因素的影响下,多年冻土层局部融化,上覆盖土层在土体自重和外力作用下产生沉陷,造成洞门或洞门墙的严重变形。这种变形表现为洞门下沉、明洞段下沉、洞门墙开裂甚至倒塌等。

1.9 冻土沼泽

在多年冻土广泛,降水集中、植被茂密、气温很低,地表水不易下渗,因而在沟谷洼地、河流地、洪积阶地、缓山坡上以及分水岭娅口处发育有许许多多的冻土沼泽。这些沼泽也因所在泥炭厚薄、沼泽底土层性质等地质条件和沼泽位置的不同而类型不同。

2 寒区铁路隧道病害产生的原因

2.1 寒冷气温的作用

隧道冻害与所在地区的气温(0℃以下或正负温交替)有直接的关系。

2.2 季节冻结圈的形成

沿衬砌周围各最大冻结深度连成一个圈叫季节性冻结圈。隧道的排水设备如埋藏在冻结圈内,冬季易发生冰塞。在冻结圈范围内的岩土,由于受强烈频繁的冻融作业,导致隧道发生病害。

2.3 隧道周围岩性的影响

在围岩不良地段,当围岩内部含水量较大时,在冻胀压力作用下拱部衬砌就会出现下沉、开裂,边墙墙中出现内鼓,墙顶出现内移,混凝土内部由于渗水作用而出现受冻结冰, 围岩出现膨胀产生冻胀压力, 从而导致衬砌结构产生纵向和环向裂纹。

2.4 隧道设计和施工的影响

目前我国冻土区含水量岩段衬砌层设计计算通常不考虑冻胀力影响,因此设计得到的衬砌厚度、强度普遍偏小。施工缝、伸缩缝的基础受到防水水平的影响而不断扩展刑场破坏裂缝。受限于现场条件和施工单位水平,施工质量没有达到设计要求,超挖围岩段特别是坍塌严重围岩段没有回填密实,存在人为空洞。

3 寒区铁路隧道病害防治措施

寒区隧道常见冻害的防治措施主要包括: 加强衬砌结构、综合治水、保温隔热防冻、更换土壤、防止融塌等。

3.1 加强衬砌结构

对渗漏水裂缝的封堵和对衬砌的结构补强:首先采用“封”的措施:对衬砌渗漏水部位进行压注化学浆液充填;对衬砌裂缝系统采用化学浆液灌缝,衬砌裂缝做全面封堵并对衬砌整体做结构补强,提高衬砌结构的整体性和水平向抗变形能力。

3.2 综合治水

围岩地下水冻结是导致寒区隧道出现冻害的根本原因,综合治水就是通过防排水措施、填充衬砌背后空隙等方法将水排除在冻结圈外,不允许隧道衬砌背后积水,防止地下水冻结,是防治冻害的最基本措施。

4 结论

在高寒地区修建的隧道,除了普通地区隧道常见的病害之外,还必须考虑冻害问题。但是由于认识不足等各种原因,寒区隧道在后期运营过程中出现了各种各样的病害,诸如衬砌开裂、剥落、挂冰和路面冒水、结冰以及洞口处的热融滑塌,给隧道的安全运营和后期的维修养护带来困难。针对以上常见病害,工程上可以以病害产生的原因为突破口,采用加强衬砌结构、综合治水、保温隔热防冻、更换土壤、防止融塌等措施,为已有隧道的病害治理和新建隧道的病害防治提供参考,为隧道的安全运营提供保障。

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