摘要：本文针对东北严寒地区高速铁路隧道冬季施工配套技术进行了系统研究，研究并提出了严寒地区冬季施工配套设施的系统性规划及选型要求、深埋中心水沟简易栈桥超前施工及自行式仰拱栈桥跟进分幅流水作业施工方案，并通过优化后的隧道双层保温环向透水波纹盲管结构，采用拱墙保温板（钢筋骨架法）快速安装技术，形成了一套行之有效的完整的严寒地区隧道冬季施工方案，有效保证了工程质量，在加快进度的同时，减少了成本，经济效益、社会效益良好，为类似工程提供了经验指导。
关键词：严寒地区；高速铁路；隧道；冬季施工；配套技术
1.前言
哈牡客专虎峰岭隧道（长8755m）、通才隧道（长4000m）位于黑龙江省尚志市、海林市，地处东北严寒地区，为双线铁路隧道、全线重点控制性工程。隧道地处中温带湿润～亚温润大陆性气候区，冬季寒冷漫长，夏季湿热短暂，冬季极寒温度达到-36℃，有效施工时间短，全年有一半时间处于冬季施工期。隧道区土壤最大冻结深度为191cm，一般每年10月下旬开始冻结，3月份达到最大冻结深度。由于建设工期紧，隧道必须进行冬季施工。本项目结合工程实际，对有关严寒隧道冬季施工配套技术进行研究，从混凝土拌和站和钢结构加工厂冬季温度控制技术、机械设备配置、洞口暖棚保温技术、深埋中心水沟施工技术、隧道保温盲管结构优化、隧道拱墙保温板快速安装技术等方面进行系统研究，在保证隧道施工质量的前提下，有效缩减了施工成本，为类似严寒地区铁路、公路隧道及其他隧道冬季施工提供了经验指导。
2.混凝土拌和站冬季温控技术
混凝土拌合站在洞口附近就近布置，采用保温阻燃板全封闭+料仓地暖+暖气管片保温方案。拌和站料仓、拌和楼、上料斗、传送带采用全封闭式保温棚，砂石料仓隔墙用空心砖砌筑50cm厚保温隔热，保温棚材质为10cm厚泡沫夹心保温阻燃板，顶棚为电阻丝+10cm厚岩棉+彩钢瓦式结构。棚顶结构为三角桁架，以利排水，同时顶棚每跨泄水槽处通长设置3道电热带，以融化棚顶积雪。外加剂放置在保温棚内，确保不受冻而影响质量。在进料仓道路上坡处设置一道运输车辆进出大门，仅在车辆进出时开启，平时封闭，以有效避免冷空气侵入室内环境。通过此措施，保证混凝土出机温度不小于10℃。
拌和站供水温度上限80℃。根据热工计算，在配料机附近设一个可循环热水蓄水池，安装一台燃煤蒸汽有压供暖锅炉。封闭拌和站内供暖主要由地暖管道及周边暖气管道供热，采用自制暖气管道，主输送管道采用φ108无缝钢管，主散热管道组采用φ89无缝钢管，地暖管道及周边暖气管道采用φ60无缝钢管。地暖管道横向铺设于料仓底板混凝土中，间距50cm。周边暖气管道沿料仓侧壁（三面）布置，采用角钢卡槽固定，竖向间距25cm，料仓较长，侧壁分为两个散热片，回路短，升温快。
每个料仓地暖设置独立地暖阀门便于选择性开关料仓地暖，可以起到节约用煤，适时调节，集中加热的作用，并便于检修。
混凝土运输遵循快装快运、少停留的原则；尽量选择白天气温较高时段施工，并对混凝土罐采用特制保温套包裹保温，以减少混凝土运输过程中的温度散失。
3.钢结构加工厂保温措施
钢结构加工厂保温与拌和站一样，建成全封闭保温结构型式，加工厂出入口设置保温门（帘），棚内设置带烟囱的火炉采暖。钢构件、钢筋弯制、电弧焊接均在加工厂内进行，避免在负温条件下钢材的屈服点、抗拉强度、伸长率、抗冲击韧性等性能发生变化，加工性能降低。
施工期间，定时对加工厂内温度测量监控，并作好记录以便及时调整保温措施，必要时增加采暖设施，确保钢结构（钢筋）加工棚内温度不低于0℃。正式施焊前，先进行工艺性试焊，确定相关参数，以保证满足相关设计及规范要求。焊接后的钢结构在厂内垫高放置，使焊缝和热影响区缓慢冷却，等完全冷却后再装运至施工现场。
4.机械设备保养及道路保畅
4.1机械设备保养
进入冬期施工前，全面检查拟使用的各种机械，更换冬期用润滑系统用油及燃料，对问题机械设备及时修理，杜绝带故障运转。机械在使用前首先检查传动系统，水箱等有无冻结情况后方可启动。所用机械工作前先进行预热、详细检查，确认无问题后方可作业。非专职机械操作人员严禁动用机械设备。定期检查电力设施，防止电缆硬化破损后因雨雪导致漏电现象。
施工机械、车辆采用低标号柴油，每日施工完毕后排空水箱余水，防止冻结。对有特别要求的机械开进车库保温。在冰雪天气作业的车辆安装防滑链。机械加强保养，勤检查，多观察，防止设备冻裂。水源及消火栓提前做好保温措施，避免受冻。
4.2道路保畅技术
除雪保畅总体方案：机械除雪为主、人工除雪为辅。机械设备主要以刮铲式为主，清扫为辅，辅以煤渣铺路，重点清理弯急、坡陡路段。下雪即开始除雪，保证雪停路畅。除雪作业按照先重点地段区域后边缘区域，先主要便道、后次要便道，先坡道后平路的原则进行清理。
除雪设备配置：推雪车1台（采用自卸汽车改装）、平地机1台、扫雪车1台、2台自卸汽车、装载机1台（与拌和站共用），另准备铁锹、扫把、带1.5m长板的推雪板各150把，所有设备调试到位，随时待命。遇特殊情况，调动全项目部力量完成除雪保畅工作。对除雪设备操作人员，提前进行设备操作、应急处理及维修保养各项工作的培训，并进行应急演练。
5.洞口暖棚保温技术
5.1洞口施工用水、风水管路保温措施
洞外风水管道均采用聚氨酯发泡黑夹克保温钢管，高压水池采用聚氨酯保温板全封闭包裹，保温板外覆盖一层保温塑料布及保温棉被，并安排专人检查，必要时采用电加热法进行加热，以保证洞内施工用水正常供给。为避免风机通风过程中将大量冷空气带入洞内，保证洞内施工环境温度，对风机进行改装，在出风口处设2组电热丝，对冷空气加热后再送往洞内。
5.2洞口封闭措施
为保证洞内施工温度，在隧道洞口安装保温门帘2道，两门帘间安设火炉或暖风机升温。
（1）保温门帘
洞口采用Φ89的钢管脚手架搭设洞口封闭门架，挂设保温篷布作为门帘起到防寒保温作用。为方便机械设备出入，设置机械设备通道，通道高度4.5m，宽6m，采用带胶轮的双开门，在封闭门上预留小门，方便人员进出。
（2）洞内升温设施
为了增加洞口段温度，确保洞内热量不散失，在隧道已封闭部分和保温棚内设置多个带烟囱的火炉。火炉采用优质焦煤供热，利用铁皮烟囱将烟雾排出洞外，在提高洞内温度的同时，确保洞内作业环境和人员安全。
洞口暖棚施工措施图
6.隧道深埋中心水沟施工技术
东北严寒地区土壤最大冻结深度约2.0m，考虑到隧道防冻保温要求，隧道内中心水沟采取深埋施工。在传统单仰拱工作面施工中，往往是从仰拱填充面开挖至中心水沟沟底，开挖深度大，超挖严重，且从开挖开始直至深埋中心水沟安装完成、回填后方能进行仰拱及掌子面作业，施工中容易出现停工或半停工状态，对进度影响大，而且存在较大车辆运输安全风险。本技术进行了合理改进，通过自行式仰拱栈桥+简易仰拱栈桥对仰拱和深埋中心水沟分开流水施工，简易仰拱栈桥对深埋中心水沟进行超前施工，后续自行式仰拱栈桥进行仰拱施工，将传统的单工作面（仰拱长度12m）、单工序循环施工工艺改为了三作业面（仰拱长度24m、深埋中心水沟12m）流水作业，且不影响掌子面作业。
（1）深埋中心水沟施工深度为仰拱填充面以下435cm。水沟开挖采用垂直控制爆破施工技术，竖向布眼深孔、分层爆破开挖，炮眼沿开挖轮廓线布置在横断面上呈倒梯形，爆破开挖至水沟设计位置。该方法有效减少了水平布眼爆破产生的较大超挖及初期支护工程量，并有效避免因隧底虚碴带来的质量隐患，最大限度地减轻对周边围岩的扰动，提高了施工效率，降低了成本。
（2）开挖出碴完成后，人工清理水沟底部虚碴、抽排积水，喷射混凝土临时封闭水沟壁。采用C20混凝土浇注管座，或提前在洞外预制、洞内安装（采用M20砂浆填塞周边空隙，防止管座移位）。
（3）中心水沟（预制钢筋混凝土管）安装。用土工布包裹预制管，吊装至水沟内安装，水管须顺接，水管坡度须与线路纵坡一致、平顺，以减小排水阻力，降低受冻结冰风险。预制管采用企口刚性接头形式，接头接口使用钢丝网水泥砂浆封闭。
（4）级配碎石回填及保温层施工。级配碎石施工前将横向导水管引入预制管内，伸入长度不小于3cm，并固定到位，防止级配碎石回填时，导水管头出露或导水管弯曲。再采用渗透性好、不易风化、级配良好（粒径2.5～5.0cm）的骨料回填至管顶以上25cm处，并保证密实度。
（5）找平级配碎石，在级配碎石顶部浇注C20混凝土保温层，混凝土顶部与仰拱初期支护间铺设5cm厚聚氨酯保温板（幅宽2m）。
（6）简易仰拱栈桥完成深埋中心水沟施工后向下一环推进，后部自行式仰拱栈桥在施工完仰拱后推进至已完成深埋中心水沟施工的工作面继续仰拱施工（自行式仰拱栈桥有效长度28m，两环仰拱平行流水作业），形成多工作面循环流水作业。自行式仰拱栈桥前移时必须掌握仰拱填充混凝土的初凝时间，待仰拱填充混凝土达到2.5Mpa以上时在栈桥走行线上铺设钢板，如此可以及时施工下一循环仰拱，缩短工序衔接时间。
7.隧道保温透水盲管结构优化
透水盲管及保温板施工为严寒地区隧道防水防冻、避免积水冻胀冻害的重要工序。原设计隧道衬砌防水板背后环向设置外包土工布的打孔波纹管透水盲管，纵向间距6m/道，环向盲管外侧设置幅宽2m的聚氨酯保温板，在隧道两侧边墙墙脚外侧（水沟底30cm以上）设置外包土工布的打孔波纹透水盲管，环纵向盲管通过隧道横向导水管引入中心深埋排水管，横向导水管间距与环向透水盲管相同。虽然透水盲管靠隧道一侧设有保温隔热措施，但靠近初期支护一侧却没有保温措施，因此在严寒地区就容易出现盲管结冰失效，无法正常排水，不仅影响隧道排水、保温效果，还将冻胀造成衬砌开裂掉块，威胁隧道的安全。此外，该措施施工工序多，安装难度大，且存在混凝土浇注振捣易移位等问题。本项目施工中通过对保温透水盲管结构优化，实现了保温材料与透水盲管合二为一，不但增强了保温效果，还简化了施工工序，降低了安装难度。
透水盲管与保温材料结合的结构优化方案如下：
双层保温环向透水波纹管由盲管、内管套、外管套，内外管套之间的轻质聚氨酯保温填充层组成。双层保温环向透水波纹管设有进水孔，进水孔由外管套直接贯穿至内管套。
施工中采用的优化后的双层保温环向透水波纹管
其中外管套3为环状弹簧结构，通过外管套3与内管套2的配合使用，使保温材料能够更好的包裹在盲管1的表面，对盲管1起到很好的保温效果，外管套3与内管套2之间的间隙填充轻质聚氨酯保温材料4。外管套3上设有进水孔5，通过外管套3、内管套2和轻质聚氨酯填充层4的配合使用，能够使内管套2与外管套3之间的间隙内无死角填充轻质聚氨酯保温材料。进水孔5的数量为8个，等距离开设在外管套3上，依次贯穿外管套3、轻质聚氨酯填充层4、内套管2和盲管1，该盲管结构简单，操作方便，保温效果良好，可对盲管1无盲点保温，而且还不影响排水功能。
8.隧道拱墙保温板钢筋骨架法快速安装施工技术
严寒地区隧道地下水如发生渗漏会对混凝土结构造成冻胀破坏，为防止衬砌混凝土受冻开裂掉块对后期运营形成安全隐患，在严寒地区隧道拱墙初期支护与二次衬砌之间设置保温层。保温层结构为土工布+EVA防水板+5cm厚硬质聚氨酯保温板+EVA防水板。一般常采用吊带固定保温板法，但存在两方面的问题：一是保温板及第二层防水板的自重完全依靠第一层防水板的锚点受力，因此需要对第一层防水板锚点加密处理，防止因锚点不足或部分锚点失效造成整个防水体系垮塌，安全隐患大，且热熔垫圈增多、吊点数量多，造成较严重的费时费力，工序循环时间长；二是整个体系为柔性结构，吊带固定法导致防水板与初期支护之间、两层防水板与保温板之间容易出现空腔，浇注二衬混凝土时，容易出现衬砌背后脱空的质量隐患。
为避免出现上述隐患，本项目施工中研究采用了钢筋骨架法快速安装施工技术：
（1）按照设计要求铺设无纺布和第一层防水板后，采用φ14螺纹钢制作成钢筋骨架，将保温板由下至上依次顺序安装在骨架与第一层防水板之间；在纵向分布筋上设置防水板吊点用于安装第二层防水板，完成保温层施工。
（2）钢筋骨架成环后即可逐块安装全环保温板，施工效率远高于吊带法逐点焊接，大大缩短了二衬施工循环时间，提高了工作效率。此外，钢筋骨架整体性好，承载能力强，安装完成后整个双层防水板+保温板防水系统牢固稳定，保证了施工安全，且钢筋骨架可以全环支撑顶紧保温板和防水板，有效避免其背后脱空等质量隐患。
8.1施工准备、土工布铺设及第一层防水板铺设
常规施工工艺，此处不再赘述。
8.2安装钢筋骨架
将环向钢筋与小边墙上的预留拱墙钢筋通过焊接搭接可靠连接，环向钢筋的搭接端做“N”型冷弯，以保证不影响环向拱墙钢筋的施工。环向钢筋从两侧边墙向拱顶合拢，合拢处采用搭接绑扎连接，并控制好钢筋与防水板的距离，保证既有足够的空间安放保温板，同时也保证能将保温板紧密顶撑在防水板上。环向钢筋间距2m一环，纵向钢筋每1m设置一处，纵向钢筋采用搭接绑扎连接，纵向钢筋设置于环向钢筋内侧（远离初期支护面一侧），纵环向交叉点采用扎丝绑扎连接牢靠，并处理好接头，相邻环向钢筋、纵向钢筋接头处错开100cm，以确保钢筋骨架的稳定性。
钢筋骨架整体及细部构造示意图
8.3保温板安装
保温板采用5cm厚硬质聚氨酯材料，规格为1.0m×2.0m的矩形板。为保证安装后板体与弧形初期支护面的贴合，逐块将保温板安装在钢筋骨架与防水板的间隙之间。板块之间挤压紧密，由两侧边墙向拱顶合拢，安装至拱顶后，调整钢筋骨架的搭接位置，以使整环保温板及第一层防水板与初期支护面密贴。
8.4敷设第二层防水板
将一个工作段的所有保温板安装、固定牢固之后，即可安装第二层防水板。第二层防水板采用如右图所示热熔垫片进行安装。
在钢筋骨架的纵向钢筋上安放热熔垫片作为连接媒介，垫片可采用扎丝与钢筋进行绑扎，用以安装第二层防水板。防水板由下往上敷设焊接，防水板与垫片焊接饱满，直至全环敷设完毕。防水板施工完成后即可施工拱墙衬砌钢筋及后续工序施工。
热熔垫片安装示意图
9.结语
本技术结合工程实际，研究并提出了严寒条件下冬季施工配套设施的系统性规划及选型要求，在施工工艺技术上进行研究创新，形成了一套完整、适宜的严寒地区隧道施工技术方案，技术成熟可靠，实施效果良好，有效保证了工程质量，在加快施工进度的同时，节省了成本，经济效益和社会效益良好。
作者简介：
刘邦玺（1979-），男，贵州大方人，高级工程师，主要从事工程施工技术研究与管理工作。
论文作者:刘邦玺
论文发表刊物:《基层建设》2019年第10期
论文发表时间:2019/7/24
标签：隧道论文; 钢筋论文; 水沟论文; 透水论文; 严寒论文; 混凝土论文; 骨架论文; 《基层建设》2019年第10期论文;