寒區隧道凍害現象形成機理及抗防凍設計研究

毛耀輝

【摘要】通過大量資料研究及實地調查分析，得出寒區隧道主要凍害形式及形成機理，為我國北方地區修建隧道提供技術支持。

【關鍵詞】寒區隧道； 凍害； 形成機理

1 引言

高寒區的公路鐵路隧道因受獨特的氣候影響，在施建及營運過程中除常規性病害之外還有襯砌開裂、酥碎、剝落、頂部及邊墻掛冰，底部滴水、洞門墻開裂及洞口熱融滑塌等特殊病害形式。這些凍害使得隧道襯砌遭受不同程度的損傷與劣化，且出現的掛冰、凍脹侵入建筑限界而危及行車安全，不僅造成較大的安全隱患，也降低了隧道的使用功能。在我國北方地區由于較大差異的溫差現象引起隧道圍巖間液體的凍融循環，凍脹變形對圍巖及隧道結構產生不可逆的損傷性，并加劇圍巖縮脹、損傷、開裂等一系列物理變化及可能的化學，使得圍巖失穩及隧道凍害現象顯著出來。

2 主要凍害現象分析

對高寒區大量隧道凍害實例進行調查分析，可將寒區隧道凍害現象分為五類：①襯砌漏水、掛冰；②襯砌開裂、酥碎、剝落；③洞門墻開裂；④隧道底部冒水、積水、凍脹；⑤隧道洞口處熱融滑塌。

（1）襯砌漏水、掛冰

在排水系統不通暢的情況下，圍巖內的地下水或融冰水由隧道襯砌向內滲漏。滲漏水量的大小和出水點的位置不固定，隨年降水量的變化而變化。滲漏水量及位置隨襯砌后背儲蓄蘊含量及襯砌質量有關，一般說來，襯砌后背水量充足襯砌質量越差則滲漏量越多，且主要在施工縫或混凝土含蜂窩及麻面的地方滲漏。在溫度在冰點之下時滲漏水凝固成掛冰，主要集中于拱頂部位。

（2）襯砌開裂、酥碎、剝落

襯砌裂縫形態可分為環向、縱向及斜向三種形式。襯砌產生裂縫的原因除圍巖情況、混凝土質量、結構類型和施工影響等因素相關外，由于凍土地區氣溫的日較差及年較差都很大，襯砌所產生的溫度應力與凍脹力是寒區隧道襯砌開裂最主要的原因。隧道襯砌環向開裂是垂直軸向的襯砌開裂，是寒區隧道出現凍害特性，其環向裂紋的形成及發展與地質關系往往不是很大，主要是集中于施工縫上。這些裂縫雖然對隧道襯砌結構的受力影響不大，但當其數量增多時為地下水滲漏提供了通道，且也導致襯砌受風化剝蝕作用也更為強烈。

（3）洞門墻開裂

隧道洞門墻的開裂，在隧道工程中較為普遍存在，但在寒區出現得具有其特性，隧道洞門墻產生開裂最主要的原因是溫度應力的影響。由于高寒地區晝夜溫差大，混凝土冷卻收縮時而導致洞門墻中受拉破壞，且洞門墻后積水或含水圍巖的凍脹加劇了開裂現象。

（4）底部冒水、積水、凍脹

因圍巖中裂隙水具有承壓性，在排水系統不通暢的情況下隧道底部可見冒水現象，低溫季節形成冰錐，因此冰錐主要是有地下承壓水引起的。產生底部冒水的直接原因是凍融循環作用，由于凍脹力的作用，使隧道襯砌的裂縫越來越大，沉降縫也越來越寬，防水層遭到破壞后，使帶壓的水能溢出，在排水不暢的情況下形成凍結。隨著水的不斷溢出在遇到外界低溫時而形成底部積水、凍脹。

（5）洞口熱融滑塌

當隧道出入口遇有厚層地下冰時，可能會產生熱融滑塌。熱融滑塌多產生在春融季節，當氣溫不斷升高時，富含于凍土層中的冰開始融化，一方面，由于冰的融化失去了其對土顆粒的固結穩定作用，使土顆?？梢宰杂傻挠蝿?。同時受水的滲流帶動了土顆粒的游動，水對土顆?？障吨g的填充也減少了土顆粒之間的磨擦力，起到了潤滑劑的作用。這時，水的勢能轉化為動能，由于土顆粒間磨擦的減少，土顆粒在斜坡上失去力的平衡也開始運動，故而產生熱融滑塌。

3 形成凍害的條件及力學機理研究

3.1形成凍害的必要條件

通過大量寒區隧道凍害研究可知，圍巖發生凍脹的條件是環境溫度在0℃以下且低溫持續時間足夠長；圍巖為黏土粉砂之類的；圍巖中含水量需達到凍脹的條件。圍巖形成凍脹的條件可歸納為：

（1）凍結指數（即一年中0℃以下的日平均氣溫之和）大于-400℃·d；

（2）巖石的單軸抗壓強度小于5MPa；

（3）圍巖（土層）的含水率>25%；

（4）圍巖（土層）中含粉沙以下顆粒含量>10%。

以上四個條件缺一不可，根據寒區隧道凍害產生的力學機理和工程實踐，寒區隧道產生凍害的基本條件主要有四個：溫度條件、水文條件、圍巖條件、施工原因。為了消除或減輕凍害，針對寒區隧道凍害產生的基本條件，可以采取相應的工程措施進行處治，綜合比較，應地制宜。

3.2 凍害力學機理

寒區凍土是一種特殊的具有負溫或零溫且含有冰的巖土體。按土體處于凍結狀態的持續時間來劃分凍土的類型為短期凍土、季節凍土及多年凍土。在多年凍土或季節凍土地區中，當溫度降低到土體的凍結溫度以下時，由于土體中的水變成冰就會逐漸形成凍土。凍土中冰主要以冰包裹、冰透鏡體和冰夾層等形式存在。

4 工程實例抗防凍設計

丹通高速公路是東北區域高速公路網的重要組成部分，全長共196.6公里，是鶴崗至大連高速公路的關鍵性路段。錯草溝隧道位于遼寧省東部的丹東市寬甸縣牛毛塢鄉與大川頭鄉之間，走向南西240°左右。該隧道左洞長3250米，右洞長3333.5米，是丹通高速公路控制工程，也是目前遼寧工程難度大、里程最長的雙線分離式隧道，被譽為“遼東第一隧道”。

丹通高速公路錯草溝隧道初砌混凝土采取濕噴法施工，添加的外加劑主要為速凝劑與減水劑，液體速凝劑對噴射混凝土強度、密實性、耐久性、回彈及成本有著重要影響，必須重視液體速凝劑試驗與選擇，包含以下六個方面：凝結時間與摻量試驗（標準實驗條件）；強度損失試驗；與水泥和減水劑相容性試驗；最佳摻量試驗；水灰比敏感性實驗（實際使用水灰比）；工藝性檢測（雜質、沉淀）。

以錯草溝隧道為例，根據外加劑的作用機理以及粗細集料、混凝土配合比與保溫材料的工程技術要求，依據相關規范要求，對隧道襯砌混凝土進行材料選取及配合比設計，其步驟為以下四點：

（1）根據混凝土強度等級確定初步配合比設計；

（2）根據寒區隧道的特殊要求，觀察拌合物的黏聚性和保水性對配合比進行調整；

（3）制作試件檢測強度，根據配制強度找出相應水灰比，從而確定混凝土實驗室配合比；

（4）根據寒區隧道的特性以及摻加的外加劑性能，換算成施工配合比。

5 結論

通過調研大量寒區已建隧道發生的凍害現象分析，進行其機理研究，從而歸納出寒區隧道凍害主要表現形式主要有襯砌漏水掛冰、襯砌開裂、剝落、洞門墻開裂、底部凍脹及洞口熱融滑塌等。寒區隧道凍害形成條件有溫度、水文、圍巖性質及施工因素等，可有針對性地選取措施防治寒區隧道凍害的發生。

參考文獻

[1] 趙楠，劉沖宇，伍毅敏等.寒區隧道凍害防治技術研究進展[J].北方交通， 2010， （9）：66-68.

[2] 周國恩. 基于ANP與模糊理論的寒區隧道凍害風險評估與管理研究[J]. 現代隧道技術， 2013， （1）：60-66.

[3] 王斌. 淺談寒區隧道防凍保暖技術[J]. 建材與裝飾， 2013， （33）.

[4] 熊旺.寒區雙連拱隧道溫度場規律及保溫隔熱方式研究[J].建筑工程技術與設計，2014，（17）.