高海拔寒區隧道凍脹力影響因素分析

楊自強 YANG Zi-qiang；胥海洋 XU Hai-yang；文淵 WEN Yuan

（①中交二公局第四工程有限公司，洛陽 471000；②河南理工大學土木工程學院，焦作 454003）

0 引言

隨著我國西部大開發的進行，鐵路、公路隧道在西部地區建設正在進行，這一方面表明了我國的經濟正在蓬勃發展，但是另一方面又面臨著多種多樣的挑戰。西部為高海拔高寒地區，氣候環境和極其惡劣，這里長期溫度都在0℃以下，大量的隧道會出現各種各樣的凍害現象：洞頂掛冰、路面結冰、襯砌凍脹開裂、隧道底部冒水等。這些凍害現象會直接影響到隧道的交通運輸的安全及使用壽命，隧道維護、修復具有很大的困難性，從而造成的經濟損失不容忽視。因此，對高海拔寒區隧道凍脹力產生機理和影響因素的研究具有十分重大的意義。

目前，國內外對于高海拔寒區隧道的研究主要集中在對于高海拔寒區隧道發生凍害的原因以及發生凍害之后的防治措施。劉泉聲等[1]分析了土體和裂隙巖體發生凍脹的機理不同，對裂隙巖體凍脹的研究要了解裂隙巖體中的水分遷移機制，在低溫環境中凍脹力的產生及裂隙巖體中裂隙的擴展。譚賢君[2]等推導出考慮若干種因素作用下的THM耦合數學模型，但是在模型的建立過程中太過于理想化，忽略了巖體裂隙對儲氣庫的實際的影響；徐彬[3]等通過對儲氣庫的研究，將溫度產生的溫度應力對于低溫環境下裂隙巖體的開裂問題進行了思考，但是忽略了裂隙巖體中水分的存在，并沒有考慮低溫環境下水冰相變對低溫圍巖裂隙擴展的影響；李新平等[4]、路亞妮等[5]為了進一步了解低溫環境下巖石中裂隙的擴張過程以及低溫凍脹對裂隙巖石的力學性質的損傷，在相似材料中預制裂隙，進行大量的凍融循環的力學試驗并展開分析；任建喜[6]通過室內試驗對砂巖預制單一裂隙，并且在三軸壓縮的環境下對預制單一裂隙的砂巖進行了CT掃描，單一裂隙的存在使得裂隙砂巖的損傷比沒有裂隙的砂巖試件更加嚴重。本文總結了以前學者關于凍脹力影響因素的研究，介紹了寒區隧道凍脹力產生的機理，將影響凍脹力的因素分為巖體自身的力學性質、初始含水量、凍結溫度和裂隙的幾何形態和空間位置，為以后凍脹力研究提供一定參考。

1 寒區隧道凍脹力產生機理

凍脹力是由于水冰相變產生的體積膨脹受到原始圍巖的束縛而產生的壓力，是引起高海拔寒區隧道巖體凍融損傷的重要因素。巖體的凍脹主要包括了巖石的凍脹和巖體中裂隙的凍脹，其中對巖體凍脹影響最大的就是巖體裂隙中的裂隙水，裂隙水是產生凍脹力的原因，在溫度降低至0℃以下時，位于裂隙巖體中的裂隙水將會發生凍結變成冰，水冰發生相變后體積將會發生膨脹，在巖體的內部擠壓巖體周圍產生凍脹力。因此，了解低溫環境下裂隙巖體中裂隙水產生凍脹的凍脹力的量級大小，就必須要清晰凍脹力的產生機理和裂隙水在凍結的過程遷移機制。當低溫環境下裂隙水發生凍脹的時候沒有任何外界作用限制其結冰膨脹，冰體將會無限制的發育長大，冰體在長大的過程中需要更多的水分，因此其他部位的裂隙水會往此處遷移共同發生膨脹，如此循環往復，裂隙會在冰體膨脹作用產生的凍脹力下擴展延伸，巖體內部產生更長更大的裂隙從而發生破壞，直到冰體不再膨脹；然而對于一些低滲透性的巖體而言，其內部含有的裂隙小，在低溫條件下裂隙水凍結成冰產生體積膨脹從一開始就會受到巖體周圍的擠壓，從而限制冰體的進一步增長，因此主要是原來裂隙中的水分結冰膨脹，其他部分水分遷移速率比較緩慢，只有當原位水比較多的時候，冰體體積膨脹才會對周邊的巖石產生擠壓，當這種擠壓作用比較強烈的時候，產生的凍脹力將導致巖體裂隙的擴展，對巖石造成凍融損傷。水分遷移不僅僅只是凍脹力產生的原因，而且它還或多或少地決定了在低溫環境下裂隙巖體的凍脹變形。當裂隙水被擠出是由于在裂隙巖體中裂隙水在結冰的初始階段產生的凍脹力，凍脹力將裂隙水擠出是因為原始巖體中沒有多余空間提供給遷移來的裂隙水，而凍結初始階段的溫度并沒有能力使裂隙水全部凍結成冰，因此巖體內部孔隙中的介質變少，表現為體積的減小，稱之為凍縮。相反，如果裂縫介質的飽和度超過了某一較大的飽和度，卻沒有充分的將自由裂隙內空氣供應給在凍結過程中被擠出來的自由水，冰的膨脹將處于主導地位，介質骨架將會在凍脹力的作用下產生擴張變形。凍縮必須符合以下二個條件：更小的飽和度，以及適當的凍結溫度；而凍脹后只要巖體滿足了一定飽和度便可發生。

根據裂隙水產生移動的動力的來源不一樣，可以將其分毛細理論和凍結緣理論。毛細理論是Everett[7]在1961年提出的。凍結緣理論則是認為在巖體的凍結區和未凍結區之間存在凍結緣（圖1）。凍結緣的存在為裂隙水由巖體未凍區向巖體已凍區的遷移提供了條件，水分在溫度梯度等廣義牽引力的作用下從未凍區經凍結緣向已凍結區域遷移并結冰。

圖1 凍結緣

凍結緣理論能夠更好的解釋高海拔寒區隧道巖體中裂隙水的遷移過程。

2 寒區隧道凍脹力的影響因素

寒區隧道圍巖受溫度影響巖體內部不斷產生凍融現象，從而造成疲勞損傷，內部新的裂縫產生、延伸。宏觀環境下內部裂隙的貫通，導致內部整體失穩性的嚴重破壞。引起這一系列凍脹破壞的力稱為凍脹力。劉泉聲、黃詩冰[8]等通過理論的公式推導，在考慮未凍水的情況下推導出理論表達式并且建立了計算模型。通過計算分析驗證了該計算公式的準確性和計算模型的適用性。黃繼輝[9]等通過理論推導了寒區隧道凍脹力計算的計算公式，并且通過與賴遠明的計算結果對比，驗證了解析解的合理性。單仁亮[10]等將充水的巖樣分別進行不同溫度和不同壓力下的三軸壓縮試驗，分別從不同方面來研究紅砂巖的低溫凍結過程中凍脹力產生消失的過程。影響裂隙巖體凍脹力有許多因素，包括巖體力學性質、初始含水量、凍結溫度、裂隙空間位置及形態等。

2.1 巖體力學性質

巖石的彈性模量、單軸抗拉強度、粘聚力、孔隙率等都會影響裂隙巖體中凍脹力的大小，從而導致巖石產生不同程度的破壞。田延哲[11]通過實驗得到了巖石的單軸抗拉強度和粘聚力是在凍融循環過程中影響巖石的孔隙率來影響凍脹力大小。裴向軍[12]等對裂隙巖樣進行不飽水和飽水巖樣低溫試驗，發現巖石種類不同，低溫環境下所表現出來的凍脹性不一樣；夏才初等[13]發現裂隙法向的線凍脹率隨裂隙寬度的增加而變大，不過其增幅相對較小；當裂隙平行于溫度梯度方向的時候，巖塊不均勻凍脹系數會隨著裂隙長度的增加而減小。多孔的裂隙巖體與巖石間的不均勻凍脹系數k值的差異較小，此時對裂隙產生的沖擊相對較小。而孔隙度較小的裂隙巖體與巖石之間的差別則與此相反，不均勻凍脹系數的大小會導致沿溫度方向上的凍脹率大于垂直于溫度梯度方向，從而產生大小不一樣的凍脹力。

2.2 初始含水量

巖體中初始含水量的大小直接決定著巖體凍脹損傷的程度，只有當裂隙巖體中含水量超過臨界飽和度才會發生凍脹損傷。根據巖體內初始含水量的多少，可以將含水裂隙巖體分為飽和裂隙巖體和非飽和裂隙巖體。飽和的裂隙巖體在一般的情況下可以產生超過207MPa的凍脹應力。非飽和巖體中空氣所占據的空隙給冰的體積擴展創造了空間，在不考慮水分遷移前提下，即便是抗拉強度較低的巖體也無法形成有效的凍脹力。關于裂隙巖體飽和度的探討要區別于裂隙飽和度與巖石的飽和度。裂隙巖體中兩者的飽和度是不能一概而論的，在同一巖體中，若巖體飽和，則巖石和裂隙兩者肯定都是飽和的；若巖石飽和，則不能代表巖體中的裂隙也是飽和的；同樣，若裂隙飽和，也并不能夠說明巖石的飽和的，兩者存在這本質的去區別。在裂隙巖體凍結的過程中，未凍水的含量也會影響凍脹力的大小。為了進一步了解低溫巖體中未凍水的含量，可以根據未凍水的存在形式可以將孔隙巖石中的未凍水分成兩部分：一部分為自由孔隙水，另一部分為非自由孔隙水。劉泉聲等[14]研究得出，裂隙巖體飽和度存在一個最小值，當飽和度超過這個最小值的時候，裂隙巖體內部就會產生膨脹，這個飽和度最小值與會隨著裂隙水凍結速率的增大而變小；在考慮裂隙巖體中的水分遷移時間情況下，裂隙巖體中的水分結冰膨脹產生對周邊巖體的壓力會隨著巖體滲透性的增大而減小。裂隙巖體的飽和度則會隨著巖體中的水分的增加而增加。基于這種關系，可以利用低溫環境下裂隙巖體中水分的多少來預測裂隙巖體結冰膨脹產生的變形破壞程度。

2.3 凍結溫度

寒區隧道凍脹力的產生要凍結溫度至少達到凍結點以下，只有溫度達到凍結點以下，水冰相變才可能發生，產生凍脹力。凍結溫度在一定的條件下會影響凍結速率，而過快的凍結速率則會阻礙裂隙巖體中的水分遷移。對于巖體的有效凍結溫度的研究，國外的學者給出溫度位于-4～-10℃范圍，巖體中的水分才開始凍結并且產生一定程度大小的凍脹力。國內學者多是認為凍結溫度會影響巖體中的水分遷移。夏才初等[15]發現飽和砂巖隨著溫度的降低，巖石本身的線凍脹率增加，而裂隙法向方向的線凍脹率減小。申艷軍等[16]發現裂隙水遷移停止時，凍脹力不變，并產生凍脹荷載。夏才初等[17]試驗發現不均勻凍脹系數與平均溫度梯度呈線性遞增關系。溫度跨度大將導致巖石的凍融損傷劣化越快。

2.4 圍巖裂隙的幾何形態及空間位置

巖體中裂隙的空間位置以及裂隙的發育情況也與凍脹力的大小密切相關。當巖體中裂隙寬度是長度的100倍，裂隙水在低溫環境下膨脹快，更加容易結冰，體積膨脹所產生的凍脹力會加快巖體中裂隙的擴展。細且長的裂隙在發生裂隙水凍脹時產生的凍脹力要比短且粗的裂隙大，這是由于細長裂隙的臨界強度因子更小，其受凍脹的影響比較大。目前國內對于裂隙中凍脹荷載大小的探究大多都是在相似的材料中預制裂隙，通過測量其飽和凍脹后的裂隙的長度來判斷凍脹力的大小。

寒區隧道凍脹力的大小不僅與裂隙的幾何形態有關，還與裂隙的空間位置有關。這里的裂隙空間位置主要是指裂隙與溫度梯度空間位置。劉泉聲等[14]認為，巖體中裂隙與溫度梯度空間的相對位置有二個極端情況：裂隙平行于凍結鋒線和垂直于凍結鋒線。因為平行裂隙中的水會在溫度一樣的條件下迅速冷卻結冰，所以水分無法流出。垂直裂隙則要在溫度梯度作用下沿著裂隙方向隨時間慢慢冷卻，在凍結過程中水有充足時間流出，所以形成的凍脹力也會比較小。

3 結論

①水是凍脹力的根本來源物質，水分遷移的廣義驅動力是以溫度梯度為主。水分遷移機制是高海拔寒區隧道凍脹力產生的原因。

②凍脹力受環境凍結溫度、巖體最開始的含水量、巖石自身的力學性質（孔隙率、彈性模量等）和裂隙幾何形態及空間位置的因素影響。其中巖石自身的力學性質、初始飽和度和凍結溫度對凍脹力的影響較大。

③在高海拔低溫環境下，巖體力學性質和裂隙的幾何形態及空間位置主要影響凍脹力的大小；初始飽和度直接決定了巖體凍脹損傷的程度；凍結溫度主要影響凍脹速率，進而影響巖體中的水分遷移。