（隧道防水排水）寒冷地区隧道冻害防治技术.ppt

寒冷地区隧道冻害防治技术,提纲,1、寒区隧道面临的问题2、渗漏水的现状与原因3、寒区隧道病害防治技术4、防排水设计与施工5、寒区隧道保温技术6、寒区隧道防冻保暖措施的不足7、寒区隧道防冻保暖新技术,,一、寒区隧道面临的问题,新疆的天山二号公路隧道，长1007m，投资5480多万元，1988年8月底完工时就发生了严重的渗漏现象，进入9月后由于路面结冰、洞顶挂冰，车辆无法通行。多年来，由于反复冻融破坏，该隧道目前已不再通车运营，近乎报废。1989年建成的甘肃七道梁公路隧道，每到冬季，排水沟便冻结，使隧道排水不畅，衬砌背后也产生冻胀现象，导致衬砌混凝土开裂，造成隧道渗漏、路面结冰，严重影响行车安全。1990年冬季，为了确保该隧道通行，管理站不得不组织30多人，冒着严寒反复刨冰，工作条件极其艰苦，劳动强度极高，而工效极低，但无法根除冻害。之后，虽经多次防渗漏、防冻害治理，但仍有问题。,,一、寒区隧道面临的问题,2002年12月26日实地考察，目前，该隧道采取了向洞内排水沟供暖的措施使冻害得到大大缓解，但隧道衬砌壁面多处仍有挂冰现象；每逢冬季，仍需组织养护人员清除路面与人行道结冰。秦青公路梯子岭隧道总长1142.72m，纵坡为4.1的直线隧道。1993年8月开工建设的，1994年12月竣工交付使用。由秦皇岛冶金设计研究院设计，设计标准净宽7m，侧墙高3.6m，拱高1.75m，净高5.35m，未做路面设计和防排水设计。交付使用后就发生了冻害现象。,,一、寒区隧道面临的问题,,一、寒区隧道面临的问题,冻害现象严重，所占比例比较高,,图1我国40个寒区隧道冻害统计,一、寒区隧道面临的问题,冻害种类多,,1、隧道衬砌漏水、挂冰2、隧道衬砌开裂、酥碎、剥落3、隧道底部冒水、积冰、冻胀,1.1隧道衬砌漏水、挂冰,,渗漏的地下水通过混凝土裂缝逐渐渗出，在渗出点出口处受低温影响积成冰柱，尤其在施工接缝处渗水点多，结晶明显，累积十至几十厘米厚的冰溜子（又称为挂冰）。如不清理，冰溜子越积越大，侵入限界，危及行车安全。拱部渗漏逐渐形成冰柱子（冰葫芦），一般地区仅仅是影响限界。隧道排水沟槽设施，保温不良引起冰冻称冰塞子。水沟地下排水困难，因结冰堵塞，使水沟（管或槽）冻裂破损，地下水不易排走，衬砌周边因水结冰而冻胀，致使隧道内各种冻害接踵而来。,1.1隧道衬砌漏水、挂冰,,1.1隧道衬砌漏水、挂冰,,1.1隧道衬砌漏水、挂冰,,1.1隧道衬砌漏水、挂冰,,1.1隧道衬砌漏水、挂冰,,2、隧道衬砌开裂、酥碎、剥落,,隧道砌筑在围岩良好地段，一旦衬砌壁后有空隙，渗透岩层的地下水，在排水不通畅时水就积在衬砌与壁后围岩间，结冰冻胀产生冰冻压力，传递给衬砌，导致衬砌施工缝处充水冻胀，衬砌开裂、疏松、剥落。（1）隧道拱部衬砌发生变形与开裂（2）隧道边墙变形严重（3）隧道内线路冻害（4）衬砌材料冻融破坏（5）隧底冻胀和融沉,2.1隧道衬砌开裂、酥碎、剥落,,2.2隧道底部冒水、积冰、冻胀,,2.2隧道底部冒水、积冰、冻胀,,一、寒区隧道主要面临的问题,,冻害后果严重,威胁结构稳定，侵占建筑界限,影响行车安全,隧道不能正常使用,治理及维护费用高昂,二、渗漏水的现状与原因,,,隧道渗漏水的现状与原因,二、渗漏水的现状与原因,,,隧道渗漏水的现状与原因,二、渗漏水的现状与原因,,,隧道渗漏水的现状与原因,二、渗漏水的现状与原因,,,隧道渗漏水的现状与原因,二、渗漏水的现状与原因,,,隧道渗漏水的现状与原因,二、渗漏水的现状与原因,,,隧道渗漏水的现状与原因,二、渗漏水的现状与原因,,,隧道渗漏水的现状与原因,二、渗漏水的现状与原因,,,隧道渗漏水的现状与原因,二、渗漏水的现状与原因,,,隧道渗漏水的现状与原因,二、渗漏水的现状与原因,,,隧道渗漏水的现状与原因,三、寒区隧道病害防治技术,,冻害防治技术,寒区隧道防冻保暖技术,渗漏水处治技术,寒区隧道防排水设计与施工,新技术新工艺在寒区隧道设计与施工中的应用,四、寒区隧道防排水设计与施工,,防排水基本原则加强防排水，减少隧道结构附近的积水，避免地下水进入隧道内，是做好寒区隧道保温防冻的重要基础。寒区隧道防排水设计施工应遵循以下原则1对于已经进入隧道区域的渗水，采取“以排为主，防排结合”的原则进行处治。2防水和排水应紧密结合，形成完整的防排水体系，为地下水形成有效的排泄网络。3鉴于寒区隧道水害及冻害的严重后果，宜在规范基础上，采取措施适当提高隧道防排水等级。4寒区隧道防水应以“复合防水层防水混凝土”结构为主，多道设防。5寒区隧道应采取有效措施，保证冻融交替期间排水系统的通畅。6寒区隧道防排水施工应采取有效措施，减少施工和运营期间的防水体系的损伤和排水体系的破损和堵塞。,4.1防排水基本原则,,四、寒区隧道防排水设计与施工,,,4.2防水设计与施工,,寒区隧道防水体系至少应包括以下几部分,1.以土工布和防水板构成的专用防水层；,2.以防水混凝土为结构防水层；,3.在衬砌循环缝内设置专门的止水条或止水带。,四、寒区隧道防排水设计与施工,,,4.2防水设计与施工,,专用防水层设计要求（1）寒区隧道防水层设计材料除除应具有良好的抵抗拉伸、撕裂、顶破性能外，还应对其低温性能、耐久性和抗搓柔特性进行专门测试。（2）寒区隧道防水层至少应形成对隧道衬砌结构半包结构，使地下水通过两侧拱脚排水管排除，有条件或有特殊需要的隧道，可设置全断面包裹的防水层。（3）设计时应对防水卷材的材质及施工质量指标做出专门的要求，并提供检测方法。,四、寒区隧道防排水设计与施工,,,4.2防水设计与施工,,专用防水层施工要求专用防水层是寒区隧道防水的核心，应采取有效措施保证防水层的完整性和耐久性，专用防水层的施工一般按如下步骤进行（1）安装基面检查处理（2）防水层垫层铺挂（3）防水层铺挂（4）防水层检查、保护当采用垫层和防水层复合卷材时，步骤（2）和步骤（3）同步完成。在条件允许或水量较大时，在安装基面和防水层之间还可设置透水网格。,四、寒区隧道防排水设计与施工,,,4.3防水混凝土设计与施工,,防水层混凝土的种类防水混凝土是指以调整配合比或掺用外加剂的方法增加混凝土自身抗渗性能的一种混凝土。隧道衬砌常用的防水混凝土包括普通防水混凝土和外加剂防水混凝土两大类。普通防水混凝土是指以控制水灰比，适当调整含砂率和水泥用量的方法来提高其密实性及抗渗性的一种混凝土。外加剂防水混凝土是指在混凝土中掺入适量的外加剂，如引气剂、减水剂或密实剂等，使其到达防水的要求的混凝土。,四、寒区隧道防排水设计与施工,,,4.3防水混凝土设计与施工,,防水层混凝土的种类防水混凝土是指以调整配合比或掺用剂的方法增加混凝土自身抗渗性能的一种混凝土。隧道衬砌常用的防水混凝土包括普通防水混凝土和外加剂防水混凝土两大类。普通防水混凝土是指以控制水灰比，适当调整含砂率和水泥用量的方法来提高其密实性及抗渗性的一种混凝土。外加剂防水混凝土是指在混凝土中掺入适量的外加剂，如引气剂、减水剂或密实剂等，使其到达防水的要求的混凝土。,四、寒区隧道防排水设计与施工,,4.3防水混凝土设计与施工,,普通防水混凝土的抗渗性受施工质量、材料类型和质量影响较大，在施工中需要严格控制。外加剂防水混凝土只要使用得当，一般能满足隧道衬砌的防水要求。因此，为确保二次衬砌防水质量，寒区隧道二次衬砌宜采用外加剂防水混凝土。不管采用何种类型的防水混凝土，都应在现场进行水泥、集料、外加剂的配合比试验，以保证防水混凝土能够达到设计要求的防渗和防冻等级，并对混凝土的强度和耐久性进行评估。,四、寒区隧道防排水设计与施工,,4.3防水混凝土设计与施工,,防水混凝土的施工防水混凝土的施工，必须注意每一个环节的施工质量，堵塞一切可能造成渗漏的隐患。特别注意保证缝孔处的施工质量。合理地设计仅仅是达到工程防水的前提，而严格掌握施工要求是地下工程防水成败的关键。其主要环节有以下几个方面1、严禁被水浸泡；2、原材料必须符合要求；3、钢筋固定符合规范；4、必需采用机械搅拌，严格确定搅拌时间；5、防水混凝土运输；6、浇筑、振捣与养生；7、拆模时间,四、寒区隧道防排水设计与施工,,4.4止水带（条）设计与施工,,止水带（条）设计在隧道衬砌浇注过程中，不可避免的留下各种施工缝、变形缝等，这些部位很容易出现渗漏。在隧道工程中多采用止水带和止水条进行堵水。由于寒区隧道对防渗的特殊要求，考虑止水条的耐久性，寒区隧道应采用止水带进行施工缝和变形缝的处理，最好采用可排水型止水带，在堵水的同时，起到排水作用，实现无压堵水。可排水复合橡胶止水带是能对环向施工缝中的渗水进行“先排后堵”的新型止水带。它由绕道、翼缘、膨胀橡胶条和止浆滤水带组成（图1），其中绕道和翼缘构成止水带主体，止浆滤水带粘贴在翼缘上并与绕道形成排水通道。,四、寒区隧道防排水设计与施工,,4.4止水带（条）设计与施工,,止水带（条）设计,图1可排水复合橡胶止水带,四、寒区隧道防排水设计与施工,,4.4止水带（条）设计与施工,,可排止水带施工,止水带在端头模板上的固定是止水带安装的关键。止水带固定的好坏直接关系到止水带在衬砌中能否垂直于工作缝，是否能使排水通道与工作缝相通。具体安装工艺如下1）用Φ8钢筋卡间隔一米固定在止水带上。2）用穿板铁丝固定钢筋卡与板外钢筋段（图2）；3）将Φ10背托钢筋穿与止水带和钢筋卡之间，并用扎丝绑扎在钢筋卡上；4）先浇衬砌段拆模后，先将钢筋卡外露段扳直，并用其将自然伸直的止水带外露部分卡紧。,图4-6可排水止水带在端头模板上的固定,四、寒区隧道防排水设计与施工,,4.4排水系统,,寒区隧道排水体系组成1、隧道初期支护过程中逐层敷设在喷射混凝土中的半圆排水盲管；2、隧道衬砌环向铺设的环向排水管；3、隧道两侧拱脚的纵向排水管；4、连接纵向排水管和中央排水管的横向排水管；5、埋置于隧道中央路面以下的中央排水管6、中央排水管在洞外的出水口。在经济条件允许或围岩渗水较大的隧道，还可在初期支护与防水层之间增设排水网格，加强防水板背后的排水性能；有的隧道将中央排水管设置在路面一侧。,四、寒区隧道防排水设计与施工,,4.4排水系统,,寒区隧道排水体系组成1、隧道初期支护过程中逐层敷设在喷射混凝土中的半圆排水盲管；2、隧道衬砌环向铺设的环向排水管；3、隧道两侧拱脚的纵向排水管；4、连接纵向排水管和中央排水管的横向排水管；5、埋置于隧道中央路面以下的中央排水管6、中央排水管在洞外的出水口。在经济条件允许或围岩渗水较大的隧道，还可在初期支护与防水层之间增设排水网格，加强防水板背后的排水性能；有的隧道将中央排水管设置在路面一侧。,五、寒区隧道防冻保暖技术,,,为了达到保温防冻的目的，国内外研究了多种保温防冻技术措施，不同的技术措施适用条件不同，保温防冻效果也不同。,5.1保温技术,五、寒区隧道防冻保暖技术,,5.2保温技术,,寒区隧道排水系统规定的适用条件,六、寒区隧道防冻保暖技术的不足,,6.1主动供暖技术,,主动供暖技术的应用现状,洞口段供暖二衬与保温隔热层之间铺设供热管在防水层与衬砌之间设置电加热带隧道内通暖气保温水沟加热保温水沟铺设加热电缆保温水沟内布置供热管,上述主动供暖技术均得到成功应用，以避免冻害发生,六、寒区隧道防冻保暖技术的不足,,6.1隔热层法,,,隔热层法的不足,隔热法是在衬砌表面或初期支护与二次衬砌之间设隔热材料，使围岩的热量在冬季不逸出隧道衬砌，并保持隔热材料的表面在冰点以上，从而防止冻害的发生。适用于发生线状漏水、寒冷程度较小的既有隧道。,六、寒区隧道防冻保暖技术的不足,,6.1隔热层法,,,隔热层法的不足,六、寒区隧道防冻保暖技术的不足,,6.1隔热层法,,,隔热层法的不足,隔热层本身并不能产生热量，只能减缓围岩的冻融速度。单一保温层并不能阻挡冻结层的形成。需要与其他防冻措施配合使用，才能达到良好的防冻保暖效果。,六、寒区隧道防冻保暖技术的不足,,6.2中心排水沟,,,中心深埋水沟的不足中心深埋水沟对隧道结构产生不利影响在隧道底部挖深槽势必会威胁整个衬砌的稳定。中心深埋水沟不能彻底避免冻害。当冻结深度大于水沟埋深时，依然会发生冻害。保温水沟的不足保温水沟应用范围有限因保温水沟埋深浅，只适合应用于最冷月平均气温高于-15℃，冻深小于1.5m的地区，所以应用范围有限。,六、寒区隧道防冻保暖技术的不足,,6.3隧道衬砌及保温水沟加热的不足,,,利用主动加热防冻保暖技术可以彻底避免冻害发生，但给后期运营及维护带来巨大负担。增加了后期的运营成本。由于寒区隧道车流量很小，难于收回运营成本。,六、寒区隧道防冻保暖技术的不足,,6.4防寒泄水洞的不足,,,不能彻底避免冻害，已有工程中存在失败的案例；防寒泄水洞前期投入高；施工工序复杂；对主洞有影响；,七、寒区隧道防冻保暖新技术,,,,7.1概述,被动防寒措施只能进行被动防御，当出现极端天气时，隧道依然会产生冻害，不能彻底避免冻害发生；主动供暖方式可以彻底避免隧道冻害的发生，但存在运营成本高，管理不方便，环境污染等问题；急需研制和开发节能型主动加热系统，如寒区隧道地源热泵型防冻保暖技术。,七、寒区隧道防冻保暖新技术,,,,7.2寒区隧道地源热泵型防冻保暖技术,图2寒区隧道地源热泵型防冻保暖工作原理图,七、寒区隧道防冻保暖新技术,,,,7.2寒区隧道地源热泵型防冻保暖技术,七、寒区隧道防冻保暖新技术,,,,7.2寒区隧道地源热泵型防冻保暖技术,七、寒区隧道防冻保暖新技术,,,,7.2寒区隧道地源热泵型防冻保暖技术,七、寒区隧道防冻保暖新技术,,,,7.2寒区隧道地源热泵型防冻保暖技术,七、寒区隧道防冻保暖新技术,,,7.3双源供热型背贴式可排水止水带,七、寒区隧道防冻保暖新技术,,,7.3双源供热型背贴式可排水止水带,七、寒区隧道防冻保暖新技术,,,7.3双源供热型背贴式可排水止水带,七、寒区隧道防冻保暖新技术,,,,7.4寒区隧道地源热泵型防冻保暖技术经济及社会效益,可以彻底避免寒区隧道冻害的发生；,可替代深埋水沟和防寒泄水洞系统，单独作为寒区隧道的排水系统；,对隧道结构及工期不产生影响，施工工序简单。,比现有燃煤加热和电力加热的隧道防冻保暖技术节能35，无二氧化碳排放；,七、寒区隧道防冻保暖新技术,,,,7.5寒区隧道地源热泵型防冻保暖技术,为防止寒区隧道冻害发生，寒区隧道首先必须采取高效的防排水措施，注意施工质量，尽量减少隧道冻害的发生；被动防寒措施存在很多弊端，首先，隔热层本身并不能产生热量，只能减缓围岩的冻融速度。单一保温层并不能阻挡冻结层的形成，与其他措施相配合；其次，保温水沟、中心深埋水沟和防寒泄水洞既有成功案例，也有失败的教训。在严寒地区，仅靠防排水系统还不能彻底避免冻害。,七、寒区隧道防冻保暖新技术,,,,7.6寒区隧道地源热泵型防冻保暖技术,主动供暖可以彻底避免隧道冻害，国内采用主动供暖的寒区隧道都彻底避免了冻害。但现有的主动供暖措施还存在一些不足，主要体现在运营、维护费用高，污染和破坏环境。需开发和研制节能型主动供暖系统。如寒区隧道地源热泵型防冻保暖技术。,