寒區隧道凍害形式和成因的分析與防治措施的研究

【摘 要】凍害是寒區隧道中最主要的病害，本文詳細探討了隧道凍害的多種表現形式，并從土中水、負溫和邊界約束三個方面分析了凍害產生的原因，最后提出了提高隧道結構自身的抗凍能力、防排水能力、保溫能力和隧道圍巖注漿法等防治措施。

引言

我國凍土面積分布非常廣泛，有50%以上的國土面積屬于寒區，對于位于寒區的隧道來說，存在各種各樣的問題。通過對已運營的寒區隧道調查發現，寒區隧道中有80%以上都存在凍害現象，其中60%的隧道發生滲漏，24%的出現襯砌混凝土剝落、開裂、滑塌等問題，每年各地區和相關交通企業對這些凍害隧道的維修養護費用數量驚人，因此，深入研究和解決寒區隧道的凍害的問題勢在必行。

1 寒區隧道凍害的主要表現形式

（1）襯砌開裂：多年凍土及嚴寒地區鐵路隧道普遍存在襯砌開裂的問題，襯砌開裂分為環向、縱向及斜向三種形式。襯砌產生的溫度應力和凍脹力的作用是寒區隧道產生開裂的主要原因。

（2）隧道洞口段凍脹破壞：處于多年凍土區的隧道，在隧道的進出口處也均處于多年凍土中，隧道開挖后，由于注漿、噴射混凝土、施工放熱和模注混凝土而放出大量的水化熱使得隧道開挖部分范圍內的多年凍土出現融區，水化熱釋放完畢，隧道洞口部分開始凍結，導致初期支護和二次襯砌最終開裂、變形，從而出現滲水、掛冰等，嚴重的可使洞口嚴重變形以至倒塌。

（3）隧道貫堂風的病害：多年凍土區的外部大氣常年平均氣溫基本在0℃以下，隧道內由于通風的作用，使得沿隧道縱向有可能形成一條凍結的柱狀帶，從而再次改變隧道內襯砌和圍巖的應力狀態。

（4）冰丘及冰椎：在多年凍土區的河灘、階地、沼澤地及平緩山坡和山麓地帶，常常會看到像墳丘一樣的土包，大小不一，有的呈單分布，有的成串成片分布，這些丘狀的土包稱為冰丘，也稱凍脹丘。當隧道進出口在富水區時，就有可能在進出口的明洞或洞門口或明洞內形成冰丘，直接導致東門開裂和錯臺，有的甚至破壞洞內襯砌。當隧道的進口處于低洼富含水地段時，就有可能在條石砌筑的洞門墻下或洞頂邊坡坡腳處形成危害性極大的冰椎；當隧道內排水性能不好時，水也會從洞門與路基邊坡的坡腳處滲出形成冰椎。

（5）雪崩：多哦面凍土地區冰雪常年覆蓋，而且覆蓋的積雪一般很厚，洞門后的積雪在外界動荷載作用下，如地震、附近地區雪崩、泥石流、雷聲、爆破等，會生雪崩，彎曲堵塞洞門和路面。

（6）地下冰：在多面凍土地區天然上限附近往往存在著一層冰，有幾厘米至幾米，其厚度不一。這種層狀多為地表水下滲轉移到凍結鋒面上逐漸形成的。

（7）壁面結霜和結露：在隧道嚴冬期，入侵隧道的空氣溫度遠低于隧道危巖的地溫，故壁面溫度高于氣溫而結霜。暖季，入侵隧道的氣溫高于此間凍結壁表明溫度，此間洞內溫度已上升，但因氣溫高于零度，故此間經常出現結露現象，使隧道襯砌表明呈濕潤狀態。

（8）融沉：融沉是多年凍土地區路基主要病害之一，也是隧道的主要病害之一。融沉一般發生在含冰量大的地段，當隧道洞門的多年凍土上部或路塹邊坡上分布有較厚的地下冰層時，由于地下冰層埋藏較淺，在施工或運營過程中各種人為因素的影響下，多年凍土層局部融化，上覆蓋土層在土體自重和外力作用下產生沉陷，造成洞門或洞口墻的嚴重變形。這種變形表現為洞口下沉、明洞段下沉、洞口墻開裂甚至倒塌等。

（9）凍土沼澤：在多年凍土地區廣泛存在，降水集中、植被茂密、氣溫很低，地表水不易下滲等現象，因而在溝谷地、河流地、洪積階地、緩山坡以上及分水嶺埡口處發育有許許多多的凍土沼澤。這些沼澤也因所在泥炭厚薄、沼澤底土層性質等地質條件和沼澤位置的不同而類型不同。

2 寒區隧道凍害產生的原因

（1）與土中水分的關系：根據試驗資料，基礎（混凝土）的溫度比周圍土體溫度平均要低-0.2℃~-0.4℃，實際觀測，混凝土的凍結深度比周圍土層的凍結深度大1/5。凍結過程中首先在基礎周圍先出現凍結鋒面，水分向凍結鋒面遷移，產生析冰作用，混凝土壁表面形成一層薄冰，厚度一般為1~2mm，有的更厚些，基礎埋置與融化土層中時底面出現“冰霜”的冰晶。隧道結構也是建立在土體和圍巖中一種特殊的基礎，所以寒冷地區隧道結構周圍也會出現上述一般基礎所遇到的水分遷移現象。

（2）與土中負溫的關系：凍脹土與土中負溫的關系相當密切，溫度降低，凍脹力則增大，粘性土的凍脹力隨著土中負溫的變化關系可分為三個區段：土溫0℃~3℃為凍脹力劇烈增長區，該區段中，所產生的凍脹力值約占最大凍脹力值的60%；-3℃~-14℃為凍脹力近似于線性關系的緩慢增長區，這區間所產生的凍脹力值約占最大凍脹力值的30%；低于-14℃以下土溫，凍脹力的增長極微，為幾乎近于相對穩定的區段。

（3）與邊界約束條件的關系：當土體或巖體內發生凍脹時產生凍脹力的大小與周圍約束條件有很大的關系，一般來說，可發生的自由變形位移量越小，約束剛度越大，凍脹力就越大，凍脹土體的破壞性就越強。

3 寒區隧道凍害的防治措施

（1）提高隧道結構自身的抗凍能力：提高隧道結構自身的抗凍害能力主要采取的措施有：襯砌使用抗凍混凝土、增大襯砌厚度和襯砌使用鋼筋混凝土。使用抗凍混凝土和增加襯砌厚度可以有效的防止襯砌混凝土的冰凍破壞，但對于局部存水凍脹破壞和凍脹性圍巖中隧道結構的凍脹破壞，還要采用鋼筋混凝土結構作為二次襯砌，才可以有效地防止襯砌開裂等凍害，提高結構的承載能力。

（2）提高隧道的防排水能力：高寒地區隧道的凍害的根源來自于水，無論是凍脹性凍害還是由于水溝漫水結冰造成的凍害都離不開水的作用，因此高寒地區隧道的防排水措施是凍害防治的基本措施之一。在防水方面：防水板材料的選用既要延伸率大又要抗拉伸強度大，避免使用容易發生脆性破壞的材料；在初支與防水層之間要設環向排水管，同時也要做好施工縫的防水工作。在排水方面：做到隧道內部系統排水，排水系統要由環向透水盲管、縱向排水管、雙側保溫水溝、中心深埋排水溝、檢查井以及保溫出口構成；在仰拱下要設置橫向排水管，施工過程中排水管上方設置一定的緩沖層，以免荷載直接對其施壓，造成橫向排水管破裂或變形，影響其正常的排水能力。

（3）提高隧道的保溫能力：提供啊隧道的保溫能力可在隧道雙側設置保溫水溝和將隧道襯砌表面敷上隔熱材料來防止季節融化層的凍融作用，這兩種方法可以有效地防止隧道襯砌表米娜的溫度降至冰點以下；此外，對于不需要經常通風的隧道還可以采用防寒門法，在隧道的進出口安裝雙層防寒門，來阻止隧道內熱空氣與隧道外冷空氣的交換，進而達到保溫的目的。

（4）隧道圍巖注漿法：隧道襯砌背后的局部存水凍脹對隧道的破壞作用很大，而隧道圍巖的注漿技術的應用不僅可以增大圍巖強度、增強圍巖穩定性、防漏、止水，還可以減輕和防止隧道凍脹，因此，通過隧道圍巖注漿，可以有效的消除或減少這種局部存水空間，并能減少圍巖裂隙水的含量，進而防止或減輕凍害的發生。

4 結束語

綜上所述，隧道凍害有著多種表現形式，并且它們的產生都與土中水、負溫和邊界約束條件有著密切的關系，因此提高隧道結構自身的抗凍能力、防排水能力和保溫能力才是解決寒區隧道凍害的根本措施。

參考文獻

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