季凍地區隧道工程凍害與防治技術措施探討

焦興華

（遼寧省交通工程質量與安全監督局 沈陽市 110005）

季凍地區隧道工程凍害與防治技術措施探討

焦興華

（遼寧省交通工程質量與安全監督局 沈陽市 110005）

在季凍地區受氣候的影響，隧道極易產生襯砌的開裂、剝落、掛冰和路面結冰的凍害，嚴重影響行車安全和使用壽命。從隧道凍害產生的原因及表現形式的多角度分析，提出了隧道凍害的防治及治理措施，對于指導工程設計、施工有著重要參考價值。

隧道工程；凍害；保溫防凍

1　引言

寒冷地區修建隧道，比一般地區面臨更多的復雜的技術問題，由于冬季排水溝凍結而致排水不暢，造成隧道滲漏水、路面結冰、襯砌混凝土開裂等病害，影響行車安全，同時也給隧道襯砌結構穩定帶來了一定的隱患。日本、美國、法國、俄羅斯等國寒冷地區隧道凍害比較嚴重，僅日本北海道地區的302座大型公路隧道中凍害嚴重的高達104座。近幾年遼寧省通車的東部山區高速公路隧道不同程度地出現滲漏水或冰塞病害。為了使隧道能順利通行，運營管理單位投入了很大的精力對其進行整治，結果仍無法根除病害，因此，如何防治隧道工程凍害是我們亟待解決的問題。

2　凍害表現形式及產生的原因分析

在寒冷地區，隧道凍害嚴重地影響工程使用的安全性及壽命。多年來國內外工程實踐調查表明，隧道凍害表現形式及原因分析如下：

2.1凍害表現形式

（1）隧道邊墻及拱部出現冰柱、掛冰現象（圖1）；

（3）在隧道路面形成冰坡，使行車滑溜（圖3）；

（4）隧道中央排水溝出口積水、結冰（圖4）。

（5）襯砌背后凍結，造成襯砌變形，反復凍融循環，引起結構失穩。

2.2凍害形成原因分析

（1）隧道內部溫度變化情況。通過隧道內部溫度現場測試來看，隧道冬季溫度從隧道外向隧道內逐漸升高，且洞口段50～100m范圍內溫度變化最為明顯，詳見圖5。隧道滲漏水及凍害主要發生在距隧道洞口1000m以內范圍的施工縫等防水薄弱地帶，發生時間主要是在凍結和消融過程。

（2）隧道凍害產生的機理。隧址區內山體水系豐富，山體水沿著巖隙進入隧道襯砌結構，再通過環向導水盲管進入縱向導水盲管，在檢查井處匯集，當冬季氣溫較低時積水結冰，在水及凍脹壓力作用下，從二襯接縫、電纜溝及檢查井處溢出，反復作用，外溢至路面結冰。凍害產生機理詳見圖6。

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（3）隧道凍害產生的原因

在隧道施工過程中，“重主體、輕附屬”的觀念依然存在，地下水處理始終是薄弱環節，在施工管理上沒有得到足夠的重視，更重要的是缺乏有效的檢測手段和方法。造成隧道產生凍害主要原因就是溫度和水兩項主要因素，具體表現在以下幾個方面：

①冬季氣溫較低，隧道圍巖內部熱量逐漸散失，當內部溫度過低時，隧道襯砌表面含水裂縫、排水出口極易凍結，造成排水系統失效，形成凍害。

②隧道所在山體水系發育，巖系水豐富，在巖石裂隙或有大量涌水部位沒有進行有效的引排，引起細粒流失，造成襯砌背后空洞，給隧道內部排水造成極大壓力。

③隧道排水不暢，排水系統坡度較小，單向排水距離過長，易造成地下水流速緩慢，不能迅速將水排出洞外。

④防排水系統埋設深度不足，將防排水系統設置深度在凍結深度范圍內，低溫時極易受凍結冰。

⑤防水卷材等防水材料質量不高，防水卷材拉伸強度、厚度、延伸率不足，焊接性不好，在施工過程中極易造成防水卷材刺破，并且焊接質量難以保證，造成襯砌結構內部含水量過大。

⑥因施工工藝的原因，隧道工程為隱蔽工程，個別施工單位責任心較差，監理監管不到位，在施工過程中存在諸多隱患，如施工過程中縱橫向導水管連接不當或未連接，工作縫處止水帶（條）安裝不當或缺失，中心水溝、檢查井等底部高程不滿足設計要求等，都是造成隧道出現凍害的重要因素。

3　季凍區隧道凍害的預防措施

季凍地區隧道較一般地區隧道承受著更大的溫度應力，在溫度驟降時應力集中，會造成襯砌結構裂縫，形成滲漏水通道，在低溫作用下產生冰凍災害，因此，在隧道設計、施工過程中要充分考慮到隧道的保溫防凍和防排水效果。

3.1隧道保溫防凍設計原則

寒冷地區隧道保溫防凍設計應本著科學、安全、環保、節能的原則，靈活選擇保溫防凍措施，隧道保溫設計應使隧道不發生凍害，保溫防凍要遵循如下原則：

（1）隧道襯砌、路面等結構物在低溫時不被破壞；

（2）隧道排水系統不被凍結，保證地下水能正常排泄；

（3）保證隧道內部不能出現滲水或路面積水而發生襯砌掛冰、路面結冰而影響行車安全。

3.2加強防排水措施

由于隧道凍害是由于水的凍結造成的，減少隧道圍巖滲水量，加快隧道圍巖排水是減少凍害的重要方法，采用防、排、堵、截等多道防線，綜合治理，將地表水與巖隙水排出洞外，主要包括圍巖注漿堵水、加強防水、設置排水導洞等方法。

3.3采用保溫防凍設計

寒冷地區隧道保溫防凍工程是一項系統工程，為了使寒區隧道達到保溫防凍的作用，國內外研究了許多種保溫防凍技術措施，不同的技術措施適用于不同的條件，保溫防凍效果也不同。目前常見的方法主要有隔熱保溫法和加熱保溫法。

（1）隔熱保溫法又叫被動保溫法，就是在導水管、排水溝、襯砌表面或初期支護與二襯之間設置隔熱層，使圍巖的熱量在冬季不散發出去，并保持隔熱層內部在零度以上，從而防止凍害的發生。

（2）加熱保溫法又叫主動保溫法，是在隧道襯砌或水管中添加加熱設施，如加熱器或往隧道內吹熱風等辦法。加熱保溫法是防止隧道凍結的有效辦法，也是治理隧道凍結的救急措施，已被很多國家廣泛應用。在很多國家都是將兩種方法綜合使用，達到預期效果。

4　隧道凍害的治理措施

隧道凍害以防凍、疏通的原則進行處理，采取確保防排水系統功能完好的技術處理方案。

（1）對于檢查井和電纜溝積冰的病害，應采取以防排水系統不受凍，確保防排水系統功能完好的技術處理方案。

①對于檢查井與電纜槽連通的情況，可以進行封堵，避免檢查井里的水進入電纜槽。

②采用混凝土或優質防凍材料封堵檢查井，隔絕檢查井內水與冷空氣接觸，做好防凍保溫措施。

③加大隧道進出口段導水管和中央排水溝的埋深、出水口坡度等措施，提高排水系統抗凍能力。

④如果有不利于排水、防凍的因素，必要時考慮采用在一定范圍的中心水溝內設置電熱帶的措施。

（2）對隧道邊墻及拱部接縫處滲漏水類病害，慎用封堵措施，采取以疏導為主的技術處理方案。

①滲水嚴重部位，應采用深切排水槽至防水板埋排水管，并確保排水管不受凍的措施，防止此類病害的進一步擴展和蔓延；

②少量滲水部位，可采用注漿封堵辦法進行封閉處理。

（3）對于凍結深度較深的隧道，建議采用保溫防凍設計對其進行治理，如采取電加熱、增加暖氣供暖、安裝防凍門等方式進行處置，根據具體情況靈活采取保溫防凍方案，保證隧道運營安全。

5　結論與建議

開展隧道保溫防凍技術措施的研究具有重大的工程實際意義和廣闊的應用前景。由于保溫防凍技術的復雜性，治理后隧道防凍效果也并不理想。因此，建議在隧道設計、施工過程中要認真考慮隧址區地質、氣候等環境因素，精心設計、精心施工，在保證主體結構工程質量的前提下，對排水工程質量要重視起來，加大各施工環節的管理力度，發現問題及時處理，避免或減輕凍害的發生概率。

［1］ 李傳濤.凍脹力對寒區隧道襯砌結構影響及其防治措施［J］.西部探礦工程，2005（9）.

［2］ 關寶樹.隧道力學概論［M］.成都：西南交通大學出版社，1993.

［3］ 崔凌秋，呂康成，王潮海，崔威武.寒冷地區隧道滲漏與凍害綜合防治技術探討［J］.現代隧道技術，2005（5）.

［4］ 孫文昊.寒區特長公路隧道抗防凍對策研究［D］.成都：西南交通大學，2005.

Discussion on Freezing Damage of Tunnel Engineering in Seasonally Frozen Region and Prevention Technique Measures

JIAO Xing-hua
（Liaoning Province Communications Engineering Quality&Safety Supervision Bureau，Shenyang 110005，China）

Influenced by the climate in seasonally frozen region，freezing damages like lining crack，peeling，hanging ice and icy pavement of tunnel seriously influence the driving safety and service life.Through multi-angle analysis on reasons of freezing damages and pattern of manifestation of tunnel，prevention and treatment measures for freezing damages of tunnel are put forward，so as to provide important reference value for guidance of engineering design and construction.

Tunnel engineering；Freezing damage；Heat preservation and freeze-proofing

U457+.5

B

1673-6052（2016）03-0126-04

10.15996/j.cnki.bfjt.2016.03.037