高寒地区铁路隧道防寒技术探究

高寒地区铁路隧道防寒技术探究
2黑龙江铁路发展集团有限公司，黑龙江哈尔滨 150000
摘要：东北高纬度严寒地区高速铁路隧道在施工和运营阶段极易受冻。

本文根据黑龙江区域已开通运营的隧道工程实例，分析典型冻害产生的机理和原因，提出预防的建议，为同类地区的铁路隧道设计、运营管理积累经验，可供同类工程参考借鉴。

关键词：严寒地区；隧道；防寒；探究
1.工程概况
1.1项目概况
截止2020年末，哈尔滨铁路发展集团有限公司管内共有五个高铁项目，分别为哈牡客专、哈齐客专、牡佳客专、哈佳铁路、牡绥铁路，其中牡佳客专为在建项目，其余四个项目均已开通运营，基本情况如下：
线路名称
全
长
k
m
设
计时速
km
/h
隧
道数
座
隧道
全长
m
开通运
营时间
备
注
哈牡客专
2
93
25
3
9
68.5
05
2018-
12-26
哈225002015-8-
齐客专81017
哈佳铁路
3
42
20
57.28
2018-9-
30
牡绥铁路
1
38
20
1
7
51.0
88
2015-
12-28
牡佳客专
3
72
25
3
4
63.7
32
2021年
末
1.2气候气候情况
黑龙江省是中国最东北省份，位于东经121°11′～135°05′，北纬
43°25′～53°33′，是全国气温最低的省份，属于寒温带与温带大陆性季风气候。

每年十二月和一月平均气温－30.9℃～－14.7℃。

哈尔滨历史最低气温-
37.7℃、牡丹江历史最低气温-35℃、佳木斯历史最低气温-35℃。

夏季普遍高温，平均气温在18℃左右，极端最高气温达41.6℃。

气温季节变化明显。

1.3运营期间长大隧道测温情况
运营期间对隧道进行了环境温度测试：
⑴2018年1月，在哈牡项目鲜丰隧道(4435m)、玉白隧道(3300m)、王凤西山(3130m)隧道内距离洞口1.5～2km之间检查井内进行了测温，打开检查井保温层后，实测温度均在-3оC～-5оC度左右，水一直在流动，未发生冻结。

⑵通过哈牡和牡绥多个隧道冬季环境温度测量，晚天窗时间未行车时距离洞
口300～800m范围内环境温度低于洞外环境温度2～3оC左右。

长度6km隧道中
间位置温度高于室外温度10度左右，通过垂直天窗观测，列车通过后温度瞬间
降低，约1～2h左右恢复到原温度。

⑶哈牡客专王凤西山隧道进口端1000m左右，在2018年12月27日进行了
测温，气温低于洞外环境温度5度左右，当日天气预报玉泉镇最低气温-26оC，
北风六级，洞口位置环境温度-29оC，隧道内距离进口1000m左右-34оC。

2.隧道防寒排水体系设计概况
管内隧道均为单洞双线隧道，防排水采取“防、排、截、堵结合，因地制宜，综合治理”的原则。

防水体系主要是通过防水板+止水带+混凝土自防水等措施构成。

排水体系主要是通过环纵向盲管+中心排水沟等措施构成。

保温体系主要是
通过设置保温层和增加管道埋置深度等构成。

这里只介绍各项目主要措施不同的
地方。

⑴中心深埋水沟：哈牡、哈佳低洞口端1500m（牡佳2000m）采用深埋，牡
绥低洞口端1000m采用深埋，其余段落中心水沟均设置在仰拱填充内。

⑵中心水沟管径：哈牡为直径800mm混凝土管，其余项目为直径600mm混凝
土管。

⑶侧沟：牡绥项目衬砌背后盲管的水引入隧道侧沟，通过侧沟再引入中心水沟。

⑷盲管：不同项目的排水盲管直径不同，哈牡、哈佳直径是8cm，牡绥、牡
佳直径是5cm。

⑸保温板：哈牡和哈佳项目洞口1000m范围V级围岩设计了双层防水板夹保
温板，其他项目未设计。

3.运营期隧道典型病害类型
哈牡和牡绥项目隧道占比较大，根据这两个项目开通运营后的持续观测和调研，近几年呈现出的主要病害类型如下：
3.1衬砌冻胀
冻胀的主要危害是使混凝土结构劣化，甚至掉块危及行车安全。

冻胀的主要原因是衬砌背后冬季排水不畅积水导致。

3.2结构渗漏水
隧道渗漏水类型主要有拱部及边墙漏水、仰拱返水、侧沟冒水等。

产生的原因主要是因施工质量、冻害等造成防水体系和排水体系失效等。

其类型大致有如下几种：
⑴仰拱返水：
图1 衬砌冻胀图2 侧沟冒水
⑵拱顶渗水：
⑶边墙渗水：
图3 拱顶渗水图4 边墙渗水
3.3结构掉块
衬砌结构在列车通过时的负压和震动作用下产生的混凝土掉块。

3.4侧沟排水问题
侧沟是薄壁混凝土结构，在无防水措施的情况下，单纯依靠混凝土自防水，防水问题难解决，以侧沟作为排水通道的隧道，会产生水外溢的情况，冬季会造成冻害。

目前冻害的唯一解决措施就是在侧沟内增加电伴热，但是外溢的问题目前仍无好的解决措施。

3.5中心排水沟淤堵
主要产生的原因是杂物淤堵、中心排水沟不满足抗冻要求、隧道纵坡过小、地下水结晶等。

等），通过观察主要是某隧道地下水结晶物经检测主要成分是钙化物（CaCO
3
絮状和蜂窝状结构，造成中心沟和检查井全部淤堵，产生的主要原因初步分析有两个；一是地下水含矿物质较多，在某种特定情况下形成结晶。

二是隧道施工初期支护速凝剂含碱量过高，造成混凝土形成了严重的碱骨料反应，在地下水冲刷下形成了结晶物，淤积在排水系统内。

图5 中心水沟堵塞图6 水沟内结晶物
3.6盲管堵塞：
2019年1月建设单位组织对某隧道进行了盲管内窥镜检测，盲管堵塞的主要原因有杂物、变形、冻结等。

图7 盲管变形图8 杂物淤堵图9 结冰淤堵
4隧道防水优化案例
4.1设计概况
爱民隧道位于牡丹江市区内，起讫里程为DK292+960～DK295+900，全长2940m，最大埋深约60m。

受限于进站条件及牡丹江市内道路规划，隧道内纵坡设计为“V坡”，其中进口2790m范围为“-15‰”的下坡，出口150m范围为“12.85‰”的上坡，无法实现隧道内自然排水，因此隧道设计为全包防水，隧道两侧预留有保温侧沟排水条件，并在隧道最低点DK295+750处设置排水泵房，抽排隧道内的积水。

进口端1890m采用暗挖法施工，出口1050m采用垂直基坑明挖法施工，矩形框架结构。

4.2地质情况
⑴进口端1890m段：地层为第四系全新统坡洪积层（Q4dl+pl）黏土、粉质
黏土、碎石土；下伏下第三系（E1）砂岩、泥岩、玄武岩，燕山晚期花岗岩。

黏
性土具弱～中等膨胀性；泥岩具膨胀性；玄武岩全风化层具强膨胀性。

⑵出口端1050m明挖基坑段：表层为人工填土，松散；洞身为黏土、粉质黏土，软塑~坚硬；细砂、中粗砂，稍密~中密；圆砾、卵石，稍密~中密。

呈易蠕
动的松软结构、松散结构。

细砂层、填土，土质松软，直立性差，地下水位较高。

明挖段埋深约3～8m。

⑶牡丹江市气候情况：牡丹江属严寒地区，冬季寒冷漫长，冬季冻结时间长
达5个月，历年最冷月平均气温为-16.9℃，累年各月极端最低气温为-35.3℃，
冬季冻结深度为1.91米。

4.3前期调研情况
⑴爱民隧道主体结构施工完成后，隧道内渗水点较多，且受季节性影响较大。

⑵建设单位组织技术人员对国内同类“V”坡全包防水隧道进行了大量调研
和研究，如哈大客专鞍山隧道、武广客专浏阳河隧道等，并到鞍山隧道进行了现
场踏勘，与沈阳高铁段等单位进行了对接，一致认为“V”坡全包防水隧道病害
发生的几率较大，不利于高铁的安全运营。

⑶自然排水措施研究：与爱民隧道出口段平行的西海林街地下存在一处正在
运营的地下排水管廊（断面约3×4m），底面标高低于隧道排水系统，公司技术
人员曾研究在隧道侧壁上设一不变纵坡的外挂排水侧沟，可以实现隧道自然排水，直接排入地下排水管廊，技术条件可行，但是涉及部分段落占用侧沟顶面的疏散
通道，会造成疏散通道宽度不足，安全评估无法通过，最终该方案未实施。

4.4结构优化情况
⑴2017年9月22日，经现场踏勘后，参建各方研究决定在隧道出口
DK295+905增设一处泵站，主要作用是避免雨季洞外水向隧道内倒灌。

⑵2017年12月23日，决定在辅助坑道2#斜井位置增设一处泵站。

原设计
唯一一处泵站位于隧道最低点，承担进口方向2790m范围内隧道排水，在进口方
向中间位置增加一处泵站会减小原泵站的压力。

⑶2017年12月8日，建设单位组织了爱民隧道防排水补强方案研讨专家会，确定了补强指导意见。

⑷确定了整体补强方案后，同步增加了二路电源、BAS系统、视频监控系统、备用排水管道等辅助设施。

经过多次优化，示意图和侧沟断面如下：
图10 爱民隧道侧
沟及纵断面布置示
意图
4.5运营现状
哈牡客专已经开通21个月，经历了两个冬季考验，目前该隧道整体运营情
况良好，拱部未出现渗漏水、挂冰等危及行车安全的病害。

2020年冬季，爱民隧道明挖段出现了仰拱返水的情况，返水在道砟内形成积冰，今年夏季已经处理完成，冬季效果待验证。

经参建单位现场踏勘分析，认为
是侧沟位置的泄压孔冻结堵塞造成。

4.6同类隧道建议
根据爱民隧道运营期的长期观测情况，不建议采用电热板或其他电加热系统
及BAS系统，该系统一旦出现故障，会造成危及行车安全的情况，如果具备条件，建议采用市政供热管道对隧道侧沟进行加热。

5关于隧道结构设计的几点思考和建议
5.1就目前的隧道工程设计而言，防排水设施的投资比例占全隧道的总投资额极小一部分，在施工管理过程中，往往不是参建单位过程管理的重点，往往得不到管理人员和技术人员的管控和重视。

5.2每一个隧道都是一个独立的个体，地形、朝向、坡度、周边环境、外部气候环境、隧道对地下水系的改变等因素都不尽相同，但是目前隧道设计均采用同一标准进行抗冻设防，建议按照在防寒排水设施上按最强标准进行设计。

5.3隧道大部分防排水结构为隐蔽工程，后期不可维护，且比较精细化和单一化，一旦施工完成后达不到理想效果，会给后期运营带来安全隐患，建议隧道防寒保温设施设计粗放、多元化。

5.4关于隧道具体结构的优化建议：
全隧设中心深埋水沟并增加直径，从两种结构中心水沟的抗冻效果分析，深埋水沟的抗冻性能明显优于中心水沟，中心水沟段横向导水管的抗冻能力也是相对较差。

投资分析：
围岩级别中心水沟类
型
每延米单
价(元)
投资
差
备注
Ⅱ
仰拱下深埋
中心水沟
34744.3
2465
.9
单价
中不包含
超前止水
带费用仰拱内保温
水沟
32278.4
Ⅲ
仰拱下深埋35683.5
2388
中心水沟.1
仰拱内保温
水沟
33295.4
Ⅳ
仰拱下深埋
中心水沟
54583.2
2304
.2
仰拱内保温
水沟
52279
Ⅴ
仰拱下深埋
中心水沟
73529.7
2179
.4
仰拱内保温
水沟
71350.3
建议中心深埋水沟直径在0.8～1.0m之间，现设计的0.6m中心沟检修难度
极大。

优化排水盲管直径和布局
⑴关于环向盲管直径：
目前隧道排水盲管的直径均为5～10cm，例如哈牡项目环向盲管直径为8cm，牡绥项目隧道环向盲管直径为5cm。

在夏季时，防水板和初期支护之间的缝隙、
环向盲管共同构成了衬砌背后的排水通道。

在冬季时，随着温度的降低，防水板
与初期支护之间的缝隙结冰，只能依靠环向盲管排水。

环向盲管在冬季有水的情
况下，最终会结冰堵塞，但是增大直径后，彻底堵塞的时间会推后。

从目前已开通运营隧道项目来看，衬砌背后结冰的时间关系是边墙位置先受冻，拱顶后受冻，这样就造成了隧道冬季拱顶渗漏水，如果增大环向盲管的直径，会在边墙受冻后仍有排水通道。

从运营后的效果来看，建议环向盲管的有效直径在10～15cm。

⑵关于环向盲管布局：
衬砌结构背后的环向盲管目前设计哈牡为6～8m一道、牡佳为10m一道。

建
议每处增加至3～4根并列使用，并缩短间距，防止堵塞或压扁等原因造成水流
不畅。

施工缝两侧各设一根环向盲管。

所有盲管外侧包裹一层保温层，内设一个
电伴热备用。

建议盲管布局见下图：
图11 隧道环向盲管布置建议图（平面）
图12 隧道环向盲管布置建议图（截面）
⑶关于径向注浆
隧道在穿越断层、软弱破碎带、岩性接触带、富水地区及其影响范围时，施
工过程中易出现涌水以及大变形，采取二衬紧跟的方式，同时径向防寒注浆以加
固围岩。

由于注浆的段落距离已经施工完成的二衬较近，所以注浆时部分浆液进
入已经施工完成的二衬背后，进而进入盲管造成堵塞，从而引起渗漏水。

原设计中，在个别段落采取了超前周边注浆的方式，但显然该范围不能满足
现场施工需求，同时注浆效果随着地质和水系的变化往往不按照理想范围扩散；
另外，在围岩易变形以及涌水地段，二衬紧跟的方式是保证安全的重要措施，此
时注浆措施（超前周边注浆、小导管注浆、径向防寒注浆等）是掌子面能够持续
掘进的前提。

5.5运营前预钻泄压孔
通过哈牡项目工程实践，开通前，在隧道富水地段，通过检查井预钻泄压孔，可有效减少运营期发生漏水和冻害的几率。

同时，综合考虑隧道整体纵坡，将富
水地段原设计仰拱内保温中心水沟更改为深埋中心水沟，与距离洞口2000m深埋
中心水沟连通，能够更好提升排水功能和起到降低地下水位的作用。

此举看似增
加了施工期间的成本和费用，实则在后期运营时能够大大减少整治费用。

图13 泄压钻孔布置示意
5.6取消中埋止水带
因中埋止水带的存在，工程实践中对施工缝位置混凝土质量的影响非常大，
施工质量极难控制，易造成混凝土松散、麻面、裂纹等缺陷。

为了确保运营安全，目前路内对于隧道施工缝通用做法是凿除缺陷混凝土。

但是凿除施工缝混凝土后，中埋止水带完全失效，混凝土结构也存在严重隐患。

个别隧道施工缝凿除率在50%以上，个别隧道达到80～90%以上。

以下是施工缝凿除后两张典型照片：
图14 隧道施工缝凿除后情况
取消中埋止水带后，以背贴止水带+止水条+低温柔性好的防水材料作为施工
缝的防水措施，建议结构优化见下图：
图15隧道环向施工缝优化示意图
5.7防水板铺挂工艺优化
目前设计，无论是EVA还是ECB防水板，采用的铺挂工艺均为无钉铺挂工艺。

以牡佳为例，隧道拱部热熔垫圈间距为（50～80cm）×（50～80cm）梅花形布置，防水板与热熔垫圈之间的焊接易造成防水板的破损，增加运营期间出现渗漏水的
风险，建议防水板能否在厂家直接按照设计要求间距加装挂带，现场施工只需焊
接挂带和环向接缝即可，不会因施工造成防水板的渗漏水。

或采用原防水板与土
工布一体的技术，可避免防水板与垫圈之间的焊接。

5.8注浆问题：
隧道完工后，受目前衬砌浇筑施工工艺限制，多数会存在衬砌背后脱空的问题，目前的设计方案主要是进行注浆处理，但是注浆过程中会造成堵塞排水系统，引发后续其他的问题。

在衬砌厚度满足的情况下，建议采用轻质泡沫材料进行注
浆填充，脱空部位不积水即可。

目前公司组织在哈牡某两个隧道采用低流动性的膏状水泥浆进行注浆回填，
效果仍在验证中。

5.9检修建议：
⑴按照铁路维修规则，正常情况下，工务部门对隧道的检查频次为半年，建
议从规范层面增加检查频次，确保运营安全。

⑵鉴于在路、桥、隧三种轨下结构中，开通后隧道缺陷占比较大，且对运营
的影响较大。

建议在高寒地区修改维修规则，在开通后一定期限内，由原承包单
位与运营单位共同维管，之后再由运营单位单独维管，承包单位在竣工后设立单
独的维管部门。

该部分投资纳入总概算。

参考文献：
[1]潘红桂. 高寒地区运营铁路隧道渗漏水及冻害整治技术研究[D]. 西南交
通大学, 2014.
[2]高焱. 寒区高速铁路隧道温度场理论与保温技术研究[D]. 西南交通大学, 2017.。