季凍區(qū)隧道凍脹力計算方法及防凍技術研究綜述

崔光耀 田宇航 王雪來 侯占鰲

(1. 北方工業(yè)大學， 北京 100144；2.中鐵隧道集團一處有限公司， 重慶 401121)

季節(jié)凍土是地表層冬季凍結、夏季全部融化的土。中國是凍土面積大國，受地理位置影響，我國凍土面積居世界第三，其中季節(jié)性凍土主要分布在東北、西北、華北以及西南高海拔山區(qū)，面積占國土總面積的53.5%[1-2]。凍土區(qū)的廣泛分布，導致我國交通隧道的選線不可避免地穿越在季節(jié)性凍土區(qū)[3]。早期修建的隧道工程，受隧道設計理念、施工缺陷、施工技術條件等的限制，加之當時工程技術人員對嚴寒地區(qū)復雜的凍害情況了解甚少，隧道工程未選用合適的保溫防凍措施，導致早期修建于季凍區(qū)的隧道在運營一段時間后，出現(xiàn)了不同類型和不同受損程度的凍害現(xiàn)象，嚴重威脅了隧道的正常使用及安全運營[4]。

大量的研究調查發(fā)現(xiàn)，由于地下水的存在，季凍區(qū)隧道若不采取良好的排水系統(tǒng)及防滲漏措施，普遍會發(fā)生滲漏水現(xiàn)象[5]。進入冬季后，隨著溫度的持續(xù)降低，滲漏水發(fā)生相變，在襯砌拱頂及邊墻位置凍結形成冰柱。隨著地下水的持續(xù)補給，冰柱的尺寸會逐漸變大，若不及時進行清理，冰柱侵限會嚴重影響列車的正常通行[6]。若襯砌周圍圍巖較破碎，當滲漏水充滿破碎圍巖時，圍巖本身會在相變過程中產生巨大的凍脹力，嚴重影響隧道的正常運營。同時，若因施工塌方或超挖回填不密實等在襯砌和圍巖之間形成存水空間，滲漏水充滿存水空間后發(fā)生相變，也會對襯砌產生巨大的凍脹力，且因凍融循環(huán)會導致襯砌疲勞破壞，從而大大削減襯砌的承載能力，造成襯砌凍裂、混凝土的剝落，同時伴隨著襯砌掉塊等。此外，洞門墻中部也會出現(xiàn)從冒石頂部向下發(fā)展的裂縫，春融季節(jié)隧道洞口位置也會出現(xiàn)熱融滑塌等凍害[7]。

凍害問題對季凍區(qū)隧道的運營管理、維修和整治提出了嚴峻挑戰(zhàn)。凍害調查發(fā)現(xiàn)，引起季凍區(qū)隧道凍害的因素十分復雜，若溫度未降至冰點或不存在地下水，則所有凍害將不會發(fā)生。同時，若圍巖本身足夠完整、不具備凍結性，且無施工缺陷，則凍脹力將不會產生[8]。因此，本文主要對季凍區(qū)隧道凍脹力的計算方法和防凍技術進行分析和闡述，對保障季凍區(qū)隧道施工及運營時襯砌結構的安全性和耐久性具有重要的意義。

1 凍脹力計算方法研究

季凍區(qū)隧道產生凍害的根本原因是凍脹力，因此，研究凍脹力是解決季凍區(qū)隧道凍害處治問題的關鍵所在。準確計算凍脹力的大小可為季凍區(qū)隧道襯砌的承載性能研究及抗凍針對性設計提供理論依據。目前，凍脹力計算方法研究，主要可總結為含水風化層凍脹模型、局部存水凍脹模型和整體凍脹模型3種模型。

1.1 含水風化層凍脹模型

含水風化層凍脹模型如圖1所示。

圖1 含水風化層凍脹模型簡圖

該模型最早由日本的北川修三等人提出[9-10]。他們認為，出現(xiàn)凍害現(xiàn)象的隧道襯砌周邊圍巖均存在風化層，厚度10～20 cm左右，風化層一旦結冰、膨脹就會產生凍脹力。由于風化層主要分布在拱肩至邊墻位置，拱肩及邊墻位置會發(fā)生向內收斂變形，拱頂位置卻幾乎無影響。以此為依據，將含水風化層產生的凍脹力簡化為水平側壓力。但北川修三等人僅闡明了凍脹力的來源，并未推導出明確的計算公式。張祉道等[11]基于此提出襯砌背后含水風化層凍脹時的凍脹力計算公式，并分別對洞口和洞內位置的抗凍設計給出了凍脹力設計值。但并未提出公式的適用范圍。事實上，風化層凍脹并非圍巖產生凍脹的主要原因，若風化層的外側圍巖較為破碎，含水量高，本身具有凍結性，則會對襯砌產生更大的凍脹力；若風化層的外側圍巖比較完整，含水少，則風化層外側的圍巖凍脹力小于近襯砌側的風化層凍脹力。

1.2 整體凍脹模型

圍巖等級為IV級及以下較破碎的巖體在長時間的低溫條件下，圍巖在一定的深度范圍內會形成以圈層形式存在的破碎圍巖，破碎圍巖整體發(fā)生結冰，進而發(fā)生整體凍脹。整體凍脹模型如圖2所示。

圖2 整體凍脹模型簡圖

該模型最早由賴遠明院士提出[12]。他認為， 隧道襯砌周圍以圈層形式存在的破碎圍巖因孔隙充水后結冰，在相變過程中會發(fā)生體積膨脹，對襯砌產生整體凍脹力。據此，他利用彈性粘彈性相應原理，求得了季凍區(qū)隧道的凍脹力和襯砌應力。張德華等[13]探討了圍巖凍脹對隧道襯砌結構的影響，并通過理論分析推導出隧道圍巖凍脹力的彈性解；張玉偉等[14]結合含水風化層凍脹模型的優(yōu)點，總結出凍融巖石破碎圈整體凍脹模型，該理論包含了更全面的圍巖凍脹力來源，具有很高的工程參考價值；FENG Qiang[15]等將整個隧道圍巖劃分為非凍結彈性區(qū)、凍結彈性區(qū)、凍結塑性區(qū)和支護區(qū)四個區(qū)域，建立了季凍區(qū)隧道圍巖彈塑性計算新模型；LIU Hongyan[16]等認為以往的整體凍脹模型未考慮到多次凍融循環(huán)造成的圍巖力學性質變化，僅適用于求解圍巖的初始凍脹力，并以此為基礎對整體凍脹模型進行優(yōu)化；LIU Weiwei[17]等考慮非均勻凍脹、支護強度和支護時間的綜合效應，推導出季凍區(qū)隧道凍脹力的彈塑性解。

目前針對整體凍脹模型的研究，主要從純力學角度進行分析，為簡化計算，隧道多假設為圓形斷面，與實際工程差距較大，計算量值存在誤差。

1.3 局部凍脹模型

在隧道圍巖比較完整的情況下，若開挖過程中因施工塌方或超挖回填不密實造成施工缺陷，則襯砌背后出現(xiàn)局部存水空間。一旦有水進入存水空間內且在低溫條件下相變之后體積膨脹，便會產生凍脹力。局部存水凍脹模型如圖3所示。

圖3 局部存水凍脹模型簡圖

針對局部存水凍脹機理的研究，王建宇等[18]最早提出了局部存水凍脹模型，他們將存水空間的橫斷面形狀簡化為三角形，推導出局部存水凍脹力的計算公式。該模型較好地解釋了施工缺陷造成的局部存水凍脹現(xiàn)象，為后續(xù)局部存水凍脹的研究提供了理論基礎；范磊等[19]考慮到水在低溫條件下發(fā)生相變后的冰體也為彈性體，以文獻[18]為基礎，改進了凍脹力的計算公式，并提出“等效當量彈性系數法”，使凍脹力量值的計算過程更為清晰簡便；宋天宇[20]認為前人推導的局部凍脹公式忽略了圍巖本身的低溫膨脹作用及積水結冰后冰體自身作為彈性體的影響，并以此為基礎對已有的局部積水凍脹模型進行修正。但以上研究普遍假定存水空間的平面形狀為三角形，沿隧道縱向方向均勻分布且均在二維條件下對凍脹力的計算公式進行推導。雖然考慮到了二維推導和三維實際的差距，并提出了從二維結果轉化為三維結果的折減系數，但通過以上理論計算出的結果并不夠準確。鄧剛等[21]以文獻[18]為基礎，從三維空間角度提出了一種與氣體壓力類似的約束凍脹模型，該理論認為，在低溫條件下，存水空間中的水從液態(tài)轉化為固態(tài)的過程中，只有當變形受到全方位的約束時，膨脹變形后才會產生凍脹壓力的作用；一旦任何一個方向沒有約束，凍脹壓力就會被釋放，局部凍脹將不會發(fā)生。相較于二維空間下的理論模型，該理論推導過程更為嚴謹，但該理論假設存水空間為正四面體，這與實際情況存在較大偏差。

2 防凍技術研究

季凍區(qū)隧道工程凍害整治的關鍵在于選擇合適的防凍措施。

隧道凍害調查發(fā)現(xiàn)，我國大部分寒區(qū)隧道發(fā)生凍害的最主要原因是隧道沒有做好防排水工作，導致有滲漏水現(xiàn)象發(fā)生，一旦低溫后水發(fā)生相變，則存在發(fā)生凍害的風險。若在隧道運營過程中沒有水的滲漏，則可從根源上規(guī)避凍害的發(fā)生。因此，防排水是嚴寒地區(qū)隧道修建過程中需首要解決的問題。目前，在季凍區(qū)隧道水處理問題上，主要采取“防水、排水、堵水、截水”四位一體的原則[22]。防水主要采用復合防水層和防水混凝土組成的防水體系，并通過布設排水管、排水網格的方法達到排水目的，使其與防水體系共同構成一套完善的防排水系統(tǒng)。同時對圍巖進行注漿，堵塞地下水向隧道的滲流，達到堵水的效果。最后通過施設截水溝、截水墻、防寒泄水洞等方法達到截水目的[23]。

目前，在做好防排水的基礎上，對季凍區(qū)隧道所采取的防凍措施主要分為主動保溫措施和被動防凍措施。

2.1 主動保溫措施

主動保溫措施即通過主動提供熱量的方法對隧道工程進行保溫，主要適用于凍結深度較大的季凍區(qū)，常見的方法有電伴熱法、地源熱泵法等。電伴熱(EHT)法即輻射加熱系統(tǒng)，通過對加熱電纜通電并隨后將熱能傳遞到隧道而將電能轉換成熱能[24]。邱軍領等[25]為防治季節(jié)性寒區(qū)隧道凍害，提出了一種以發(fā)熱電纜為主的電伴熱保溫防凍法，并在實際工程中取得成功應用；張廣龍[26]通過隧道現(xiàn)場溫度測試的方法對采用主動保溫措施的隧道溫度場進行分析，并結合工程實際對隧道的主動保溫提出設計建議。地源熱泵法(GHEs)是從周圍地層中獲取能量，實現(xiàn)對隧道洞口襯砌及保溫水溝的供熱[27]。張國柱等[28]設計了寒區(qū)隧道地源熱泵供熱試驗，對隧道圍巖和襯砌溫度場的影響因素進行了詳細研究；夏才初等[29]提出了一種可用于隧道洞口段襯砌和保溫水溝的加熱地源熱泵系統(tǒng)，并將該供熱系統(tǒng)成功應用于實際寒區(qū)隧道工程中。

電伴熱法雖然在建設初期投資較低，但后期卻需要大量的運營投資，同時還存在環(huán)境污染等問題。地源熱泵法雖然節(jié)能環(huán)保，壽命長，但建設初期成本過高，建設過程復雜，對大多數季凍區(qū)隧道工程而言，其經濟性較差。以上兩種保溫措施都屬于隱蔽工程，實施后的維修保障也是一大難題。

2.2 被動防凍措施

被動防凍措施即保溫隔熱，主要是在襯砌或圍巖處設置導熱系數很低的材料或避免襯砌與冷空氣發(fā)生強迫對流，以達到保溫防凍的效果[30]，常見的方法有施設隔熱門、施設隔熱層、增設保溫模注套襯等。設置隔熱門的目的即減少通入隧道洞內的冷空氣，避免襯砌與冷空氣長時間發(fā)生強迫對流。隔熱門雖然安裝方便，但不可避免地會影響隧道運行，特別是在高交通流量的情況下[31]，高速鐵路(公路)隧道幾乎不可能關閉隔熱門。保溫模注套襯施工工作量較大、工期較長，且未解決混凝土剝落、掉塊等問題，不適合季凍區(qū)運營鐵路隧道的凍害處治[32]。

事實上，在我國季凍區(qū)絕大多數的隧道工程中，設置保溫層對隧道進行保溫是最常用的方法，因此，保溫材料的優(yōu)選是季凍區(qū)隧道防凍設計的關鍵問題之一。目前，隧道工程中常用的保溫材料包括聚氨酯、聚酚醛、聚苯乙烯等，這些材料導熱系數低、密度小，且易加工、成本低，但在吸水性、可燃性及耐久性等方面各有優(yōu)劣[33]。除保溫材料外，保溫層敷設位置及方法的不同也會不同程度地影響季凍區(qū)隧道的保溫效果。保溫層最常見的敷設方法有貼壁式、夾心式及離壁式[34]，各方式的結構示意圖及特點如表1所示。

表1 保溫層不同敷設方式比較表

在對保溫層不同敷設方式保溫效果的探討中，馬啟騰[35]利用有限元軟件，分析了保溫層設置方式、材料及厚度對隧道保溫效果的影響；姚紅志等[36]以鄂拉山隧道為研究背景，研究了不同方式敷設保溫層對隧道保溫效果的影響，并建議在條件允許的情況下，同時采用貼壁式和夾心式兩種敷設方式；袁金秀等[37]通過現(xiàn)場監(jiān)測及數值模擬的方法，對保溫層不同敷設方式下的保溫效果進行研究，認為在整個隧道的御寒保溫效果上，貼壁式保溫敷設較夾心式敷設更優(yōu)；范東方等[38]通過數值模擬的方法探討了不同類型凍土中3種保溫層敷設方式的保溫效果，但其研究成果主要探討了多年凍土和非凍土的情況，并未對季凍土的保溫防凍提出建設性意見；鄧剛[39]提出了離壁式襯砌，并對襯砌結構、保溫層厚度、離壁距離等進行了詳細探討，但并未與貼壁式、夾心式的保溫效果及經濟性等進行比較。且因施工工藝復雜、建設成本高、適用于離壁式套襯的極寒地區(qū)隧道較少等原因，離壁式襯砌雖保溫效果很好，但在寒區(qū)隧道中應用較少。

3 存在問題及下一步研究內容

3.1 凍脹力計算方面

上述3種凍脹力計算模型的提出對初步了解季凍區(qū)隧道的凍脹力計算方法起著至關重要的作用，且越來越多的專家、學者在對凍脹模型進行修正、優(yōu)化。但實際上，以上3種凍脹模型僅從純力學角度解釋了凍脹力的來源，與實際工程相比，很多角度均為理想化假設，與實際工程情況有著較大的出入，存在一定的誤差。若要將公式更準確地應用到實際工程中，尚需進一步完善。

(1)季凍區(qū)隧道局部存水凍脹力計算方法及應用

已有的局部存水凍脹模型均假定存水空間的平面形狀為三角形并沿縱向方向均勻分布，而實際工程中，襯砌與圍巖中間的積冰體形狀并不規(guī)則。因此，可考慮將圍巖與襯砌之間的存水空間形狀假定為更符合實際情況的幾何體，進而對局部凍脹力進行推導。

(2)季凍區(qū)破碎圍巖隧道整體凍脹力計算方法及應用

已有破碎凍融圈整體凍脹模型假定隧道斷面為圓形。而實際隧道斷面形狀多為馬蹄形。可考慮改變假定斷面形狀條件，如利用馬蹄形斷面隧道為例，對破碎凍融圈凍脹力的計算公式進行推導。

3.2 防凍技術方面

目前，國內外專家、學者對夾心式和貼壁式保溫層敷設方式的保溫效果探討較多，對離壁式保溫層敷設方式的研究較少。事實上，離壁式套襯保溫效果好，使用壽命長且易于維修撤換。可將研究方向著眼于解決離壁式套襯施工工藝復雜、建設成本高等問題上，如發(fā)展裝配式離壁式套襯等。同時，可從防水材料上著手，尋找防水性能好的保溫材料，有效防水可大幅度提高保溫效果。此外， 研究可維修的主動保溫措施對于凍結深度較大的季凍區(qū)隧道施工也十分重要。

4 結論

我國隧道建設正處于飛速發(fā)展時期，結合我國存在大面積季凍區(qū)的實際國情，解決好季凍區(qū)的凍害問題對隧道工程的發(fā)展至關重要。本文主要對季凍區(qū)隧道的凍脹力計算方法和防凍技術進行了分析研究，主要結論如下：

(1)在凍脹力計算方面，目前主要使用含水風化層凍脹模型、整體凍脹模型、局部存水凍脹模型3種計算模型對凍脹力進行計算。

(2)在做好排水的基礎上，防凍技術主要有主動保溫和被動防凍兩種措施。主動保溫適用于凍結深度較大的季凍區(qū)，常用方法有電伴熱法、地源熱泵法等。被動防凍主要措施有施設隔熱門、施設隔熱層、增設保溫模注套襯等，其中最常用的為設置保溫層，主要有貼壁式、夾心式以及離壁式3種敷設方法。

(3)目前3種計算凍脹力的模型僅從純力學角度解釋了凍脹力的來源，很多方面與實際工程有較大的出入，要使公式能更準確地應用到實際工程中，還需將凍脹模型進一步完善。在防凍技術方面，可研究裝配離壁式套襯，簡化施工工藝，降低成本，同時尋找防水效果好的保溫材料，提升防凍效果。適用于凍結深度較大季凍區(qū)隧道的可維修主動保溫措施，仍有待進一步研究。