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铁路隧道排水系统设计研究

来源:万方期刊网  时间:2018-05-15 11:04:39  点击:

  摘要:以张呼铁路隧道为例,对隧道排水系统设计与施工技术进行了阐述,以期为北方严寒地区隧道排水系统设计与施工提供参考,避免因排水系统问题导致隧道积水、冻结等病害出现。

  关键词:隧道;排水系统;设计;施工

  在北方严寒地区,隧道结构因为地下水的存在,长期出现冻胀现象或因在施工阶段对隧道防排水工程质量控制不到位,发生积水、结冰等病害,如在集包增建第二双线八苏木隧道、集宁隧道,张集线旧堡隧道都不同程度存在排水冻结、渗漏等问题,给运营带来安全隐患且病害处理非常困难。现以八苏木隧道为例分析病害产生及处理措施。设计情况:该隧道均设置双侧水沟及盖板式中心水沟,两端洞口各1000m范围内设置双层盖板保温水沟,在两层盖板间加聚氨酯保温材料,侧沟水流经隧底φ100mm波纹管(间距9m一道)汇集于中心水沟后流出洞外。病害的产生:八苏木隧道于2010年年底贯通,2013年年初发现隧道出口至洞内1200m范围内两侧水沟存在冻结现象,局部地段漫出水沟盖板后引起道床结冰现象,其中距离出口约600m位置最为严重,侧沟冻结,导致溢出道床现象。中心水沟及洞外保温暗管排水系统正常,无冻结现象。产生原因:①隧道处于严寒地区,设计对严寒地区的防排水考虑不足,侧沟保温材料不足以抵御严寒,致使侧沟发生冻结;②侧沟与中心水沟连接管出现堵塞现象,侧沟流水不畅,侧沟底部淤积未及时清理彻底,导致侧沟水流速缓慢,产生结冰造成排水沟堵塞,水溢出道床。处理措施:出口800m范围内的两侧侧沟铺设电加热设备,通过敷设伴热电缆化冰,采用集中抽水排入中心水沟。使用电伴热存在伴热电缆有一定的使用寿命,运营中应根据伴热电缆的使用情况及时更换,每年冬季来临之前,应检查有关设备能否正常使用等问题,增加运营期间维护成本。为避免类似问题再次出现,为此在张呼铁路初步设计阶段,我公司和中铁咨询在总公司鉴定中心专家指导下,就如何避免隧道排水系统产生冻害进行了研究总结,现就张呼铁路隧道深埋中心排水沟的设计与施工技术做粗浅的研究,对隧道防排水进行探讨。

  1工程概况

  张呼铁路线路全长286.803km,全线新建双线隧道共30座,合计41942m,占线路总长度的14.62%;其中最长隧为东土村隧道,全长4560m,位于内蒙古乌兰察布市三岔口乡境内;其中埋深最深隧道为福生庄1号隧道,最大埋深约243m,全长3276m,位于内蒙古乌兰察布市卓资县境内。全线属中温带亚干旱蒙东区,其气候特点是:春季干旱多风、沙尘频发;夏季短促而温热、昼热夜凉,日温差大;秋季较短;冬季漫长,寒冷而干燥;全年降水量小,且多集中在7~9月份,蒸发量大,霜冻期长。年平均气温4.0℃~9.6℃,极端最高温度33.2℃~40.3℃,极端最低温度-21.4℃~-38.2℃,年平均降雨量329mm~425.7mm,年平均蒸发量1035.0mm~2037.9mm,年平均风速1.8~3.3m/s,最大风速11.3~33m/s,最大积雪厚度9cm~30cm。

  2排水系统设计

  结合本线最冷月平均气温和地下水发育的实际情况,在隧道防水板材背后的边墙角处纵向设置连续的Φ80透水盲管;沿周边设Φ50环向透水盲管,贫水地区环向间距10m,富水地区环向间距5m,环向盲管将水汇入纵向盲管,再由隧底的Φ100横向导水盲管导入中心深埋检查井,后由深埋中心水沟排出洞外,深埋水沟设置于线路中心仰拱底部,排水管中心距内轨顶面3.25m,距仰拱顶面1.35m。中心水管采用承插式C40钢筋混凝土预制管,外径700mm,壁厚7cm。中心水管管座及管身周围采用C20细石混凝土回填密实至仰拱底面。复合式衬砌背后排水系统如图1所示。中心沟检查井。检查井为内净空1.1m×1.1m的方井,井高3.2m,采用C25混凝土施作。沿线路方向纵向间距30m。检查井仰拱钢架断开处设置槽钢与前后闭合成环的钢架牢靠连接,在槽钢两侧打设锁脚锚管并焊接牢靠以确保开口钢架稳定性。仰拱环向主筋和纵向分布钢筋在中心深埋水沟检查井处需截断,钢筋的净保护层厚度按50mm控制。该处的仰拱环向主筋应弯入检查井井壁内长度不小于35倍钢筋直径。未截断的仰拱纵向分布钢筋在中心深埋水沟检查井井壁内应加密布置,每侧井壁内的仰拱纵向分布钢筋上侧和下侧各3根,钢筋的净保护层厚度按50mm控制。中心水排水管。隧道内设置贯通仰拱下方的C40钢筋混凝土深埋中心排水管,管径700mm。中心深埋水管设计使用年限100年。排水管应满足《混凝土和钢筋混凝土排水管》(GB/T11836-2009)Ⅲ级管的规格要求,并采用柔性接头企口管型。洞内检查井间距按30m布设。排水管采用C20细石混凝土管座,回填采用C20细石混凝土回填密实。排水系统可维护性。为保证排水系统的可维护性,在衬砌边墙的保温边沟处预留检修孔。当隧底横向导水盲管堵塞时可打开检修孔将衬砌背后的地下水引入保温边沟,通过仰拱填充层内埋设的Φ100横向导水管将水倒入中心深埋水管检查井。该措施可防止隧底清淤时拱墙背后积水。如图2所示。排水系统需要维护期间,纵向透水盲管将隧道衬砌背后地下水临时通过边墙脚处的Φ100横向导水管(1号检修管)接入侧沟,纵向间距30m;环向排水盲管将隧道衬砌背后地下水临时通过边墙脚处的Φ100横向导水管(2号检修管)接入侧沟,贫水地区间隔10m,富水地区间距5m。1号检修管和2号检修管平面位置应错开布置。侧沟内汇水由埋设在仰拱填充内的Φ100横向导水管接入中心检查井。排水系统正常工作期间边墙进水孔应采用PVC堵头封堵。上述纵向透水盲管的排水坡度应与隧道正线坡度基本保持一致并不应小于2‰。1号检修管和2号检修管连接方式见图3。

  3防排水重点施工环节及工艺

  3.1隧道深埋中心水沟

  为提高隧道深埋中心水沟施工质量,使其发挥使用功效,我们在施工现场多次进行工艺试验,总结施工顺序为:施工准备→隧底虚渣清理→测量放样→水沟基槽开挖→喷射混凝土封闭找平→C20细石混凝土底座浇筑→中心水管安装→C20细石混凝土浇筑。3.1.1水沟基槽开挖。基槽开挖采用预裂爆破,按不同围岩等级调整装药量及炮孔布置,使预裂爆破尽量减少对隧底围岩扰动,保护围岩的自承能力,有效控制基槽超挖。3.1.2喷射混凝土封闭找平。基槽开挖后对基槽底及侧壁的虚渣清理干净,并对超挖部分及岩体裸露表面用C25喷射混凝土进行封闭找平,防止岩体中裂隙水渗出后对后续工序的施工产生影响。3.1.3细石混凝土底座浇筑。细石混凝土底座采用定位弧形模板,现浇模板的弧度、管节卡槽与预制承插管一致,通过调节弧形模板控制预制管埋设位置及纵坡,从而使中心管位置和纵坡符合设计要求。3.1.4中心管安装。定位底座施工完毕后,进行预制中心管吊装施工。中心管在铺设前,确保管节承插口内外洁净无油污杂物,按管径规格选用相应的橡胶密封圈,套入插口槽内,密封圈要求安装受力均匀、圆顺、无损伤,达到防渗水要求。安装完毕后进行中心管位置检查,对其位置及纵坡进行微调。3.1.5C20细石混凝土浇筑。C20细石混凝土按照设计配合比在拌合站集中搅拌,采用混凝土罐车运输至现场进行浇筑,浇筑前将基槽内的垃圾、碎石等杂物清理干净,并洒水润湿基槽及预制混凝土管。由于水沟基槽深度较深,混凝土倾落高度超过2m,浇筑时采用自制混凝土溜槽,防止混凝土离析,保证混凝土质量。浇筑过程中采用插入式振动棒进行全方位振捣,特别留意混凝土管身与基槽之间的间隙位置,浇筑过程中严格控制细石混凝土顶面高程,浇筑至仰拱底部位置。

  3.2防水板超声波焊接施工

  防水板与热熔衬垫焊接的传统方式为热风热熔焊接工艺,热熔焊受防水板、热熔衬垫熔点影响较大,作业人员难以把握热熔时间和压焊力度,焊穿、焊接不牢固成为质量通病,影响防水铺设质量,造成隧道渗漏水。防水板采用超声波焊接,具有能耗低(800W)、效率高(焊接时间<1s)、不变形(强度高)、无污染(不需要辅助材料)、焊接牢固(可与本体相媲美)、操作方便(设备小巧、可调整连接电缆长度)等特点。通过采用超声波焊接机与传统工艺比较,超声波焊接机开机即可使用,节约了热吹风焊接的预热等待时间,同时焊点质量提高,减少了重复焊接浪费时间。实际施工中,热吹风焊接需要在衬垫和防水板之间,将二者吹熔化后再用手压的方式将防水板与衬垫按住粘接一起。由于防水板较重,宽度为3m,部分位置无法及时按压防水板和衬垫一冷却,影响焊接质量。传统工工艺需要两人配合,且质量无法保证,而超声波焊接机仅需一个人就可完成焊接工作,其效率是热吹风焊接的3~4倍。

  3.3中埋式止水带定位夹具

  在以往的防排水施工中矮边墙处纵向中埋式止水带的固定方式一直以来是施工中难以解决的难题。传统中埋式止水带的固定采用φ10mm的U型钢筋卡,每1m一道,浇筑混凝土时由钢筋卡的刚度不大,难以固定牢固,振捣混凝土时会导致U型钢筋卡位移、止水带不居中、不平顺、偏移,导致止水带安装质量差,影响运营后防水质量。针对隧道矮边墙纵向中埋式止水带的工艺要求,自行研发隧道矮边墙纵向中埋式止水带定位夹具,其关键技术是:①利用纵向中埋式止水带夹具高程调节器可以准确定位出止水带的高度,采用横向调节螺栓可以保证止水居中。解决了使用U型卡,浇筑混凝土,由于振捣棒振捣使止水带侧翻、不居中等弊端;②利用夹具底两根定位龙骨方钢能够有效的固定止水带顺直、不错位;③隧道纵向止水带夹具可以重复利用,有效的节约定位钢筋的使用;④纵向中埋式止水带夹具的研发使用,解决了现有仰拱纵向止水带采用钢筋卡具进行固定时,工程造价高、止水带外观质量差等问题;⑤其构造简单、施工方便,有效控制了止水带施工过程中的定位,提高了纵向中埋式止水带的安装质量,保证了隧道薄弱环节的防水,同时节省了大量钢筋的投入,降低了工程成本。

  3.4整体式水沟电缆槽移动台车施工工艺

  传统的隧道水沟电缆槽施工采用拼装钢模拼装施工工艺,主要存在施工工序复杂、工序循环时间长、混凝土成型质量差、水沟电缆槽线型控制难度大、作业面不整洁等问题。张呼铁路隧道通过使用整体式水沟电缆槽移动台车施工工艺,避免传统拼装钢模施工工艺的拼装、加固、浇筑、拆模、转场等复杂工序,有效提高水沟电缆槽施工进度、减少劳动力投入,同时成型水沟电缆槽线型好、水沟电缆槽施工作业面整洁,施工质量达到了预期目标。

  4结束语

  深埋水沟是把水沟埋设于隧道内相应的冻结深度之下,利用地下水的初温达到冻融平衡起到防冻的目的,目前张呼铁路西段已开通,经过2个冬天的观测,这种方式排水效果较好,根据公司所承担修建的集包增建第二双线、张集线、张呼铁路的经验与教训,认为在严寒地区设置深埋中心水沟是必要的、可行的,通过各工序工艺改进,会尽可能避免渗漏水现象的发生。

  [参考文献]

  [1]J72-2011,铁路隧道防排水设计规范[S].

  [2]马志富.铁路隧道防排水设计探讨[J].铁道标准设计,2011,(5):76~79.

  [3]朱国伟.寒冷及严寒地区铁路隧道排水设计探讨[J].铁道工程学报,2013,30(1):49~53.

  [4]夏勇,马志富.严寒地区隧道防排水改进措施探讨[J].铁道标准设计,2012,(S1):27~29.

  作者:谢韬 卢庆源 单位:蒙冀铁路有限责任公司