多年凍土隧道襯砌的病害及其防治措施

高連 李申

（中國鐵建大橋工程局集團有限公司，天津 300450）

0 引言

隨著我國西部經(jīng)濟的增長，西部交通基礎設施的建設也在不斷完善，我國的隧道工程已日益向嚴寒地區(qū)延伸。因多年凍土區(qū)獨特的氣候條件，隧道襯砌結構將會面臨各種凍害問題，這些凍害嚴重影響著隧道的服役性能，對隧道運營產(chǎn)生不可估量的危害。因此，對凍土隧道襯砌服役性能的研究是極其有必要的。本文重點分析總結多年凍土區(qū)隧道襯砌的主要病害以及防治措施。

1 多年凍土隧道襯砌主要病害

多年凍土隧道襯砌結構產(chǎn)生的病害（見圖1）是影響襯砌結構服役性能的根本原因。目前國內的多年凍土隧道工程大多數(shù)都經(jīng)歷著不同程度的病害，有一些隧道工程甚至剛建成就因病害問題而報廢。

圖1 多年凍土隧道病害

多年凍土隧道襯砌結構病害主要包括隧道襯砌變形及開裂、隧道襯砌混凝土凍融劣化及隧道襯砌滲漏水結冰等方面。

1.1 隧道襯砌變形及開裂

襯砌的變形和開裂普遍存在于多年凍土區(qū)隧道中，其過程常常顯示出明顯的季節(jié)性，且變化幅度很大。襯砌裂縫（見表1）會對隧道結構的安全性產(chǎn)生直接影響，且凍融循環(huán)、滲漏水結冰、凍脹等多因素耦合作用會使裂縫進一步惡化，從而嚴重影響隧道襯砌服役性能。其原因主要歸納為以下方面：隧道環(huán)境因素、隧道設計因素、襯砌材料因素等[1]。

表1 多年凍土隧道襯砌裂縫類型

1.1.1 隧道環(huán)境因素

對多年凍土隧道來說，造成襯砌開裂的環(huán)境因素主要可概括為：溫度、濕度、外荷載等。覃荷瑛[2]將某寒區(qū)隧道襯砌混凝土形成的常見裂縫概括為：干縮裂縫、溫度裂縫、外荷裂縫。其根據(jù)對某寒區(qū)隧道二次襯砌裂縫進行長期觀測后指出：因混凝土熱膨脹系數(shù)、鋼筋的溫度膨脹系數(shù)、混凝土極限拉應變三者的數(shù)值差異，導致當混凝土的內外溫差達到7℃以上時，隧道襯砌就有可能產(chǎn)生溫度裂縫。而由于多年凍土隧道所處的特殊氣候條件，襯砌混凝土的內外溫差通常較大，故很容易產(chǎn)生溫度裂縫。在反復的凍融循環(huán)作用下，隧道圍巖中的水結冰會引起體積膨脹，從而產(chǎn)生作用于襯砌結構上的形變壓力，導致襯砌開裂。同時隧道所處環(huán)境中較大的晝夜溫差，會使襯砌結構內部產(chǎn)生額外的溫度應力，也會導致隧道襯砌產(chǎn)生變形開裂，從而大大降低襯砌結構的服役性能。

1.1.2 襯砌材料因素

襯砌結構所選用的材料也與襯砌裂縫密切相關。襯砌混凝土水灰比不當，骨料品種不當，外加劑種類選用及用量不當都會導致隧道襯砌產(chǎn)生開裂。襯砌結構應采取曲墻帶仰拱鋼筋混凝土，并結合溫度應力的影響進行襯砌分段；襯砌混凝土應具備抗凍、抗裂、抗?jié)B、低溫早強等性能，強度等級不得低于C30，抗凍性能不得低于F300，且抗?jié)B等級不得低于P10，必要時還可加厚襯砌厚度。

1.1.3 隧道設計及施工因素

對于多年凍土隧道來說，隧道的設計及施工都具有較高要求，合理的設計方案及良好的施工技術是隧道質量的基本保障。在進行隧道初步設計時，應優(yōu)先選擇無凍害巖體段、地下水位低或巖體凍脹敏感性低的地層通過。此外，由于施工現(xiàn)場執(zhí)行力不足，可能導致部分施工過程不符合規(guī)范，如襯砌的防凍保溫及防排水等。以上原因都有可能導致隧道襯砌在施工及運營中產(chǎn)生裂縫。對此，建設單位應重視初步設計階段，加強施工執(zhí)行力，提升隧道質量。

1.2 隧道襯砌滲漏水結冰

當隧道穿過貯水豐富、地下水位高的地段時，在排水系統(tǒng)不暢且防水不可靠的情況下，隧道襯砌將不可避免地發(fā)生滲漏水現(xiàn)象，地下水會先沿著圍巖裂隙進入襯砌結構，再以襯砌中的縫隙為通道，向隧道內部滲漏。當冬季到來，滲漏出的地下水會在負溫作用下逐漸凍結，若不采取一定的防治措施，地下水將會源源不斷地通過襯砌縫隙滲漏進來，使凍結面積增大，增厚。

多年凍土隧道襯砌滲漏水結冰的原因主要可歸納為以下幾點：

（1）在設計以及施工環(huán)節(jié)上對地下水處理問題沒有給予足夠的重視，缺乏對地下水有效的檢測手段和方法；隧道內防排水系統(tǒng)有缺陷，使隧道內襯砌滲漏水結冰進一步加劇。

（2）隧道襯砌內的施工縫、伸縮縫處防水措施不當，成為地下水主要滲漏通道。

（3）防水卷材等材料質量不合格，拉伸強度、厚度、延伸率不夠[3]。

1.3 隧道襯砌混凝土凍融劣化

由于多年凍土隧道襯砌長期暴露在正負溫度交替的空氣中，因此會長期受到凍融循環(huán)的侵害。襯砌混凝土中的水結冰時會發(fā)生體積膨脹，故反復的凍融循環(huán)會使混凝土內部產(chǎn)生微觀裂隙，長此以往，混凝土的抗壓強度，抗拉強度，彈性模量等力學性能都將嚴重下降。

董長松[4]以鄂拉山和姜路嶺隧道為依托工程，對隧道二襯混凝土試樣進行室內快速凍融循環(huán)實驗，以研究混凝土力學性能在凍融循環(huán)下的變化，其實驗結果表明：隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土相對動彈性模量、質量、劈裂抗拉強度、抗壓強度均有不同程度的下降。汪在芹[5]從混凝土的微觀結構入手，研究混凝土在凍融循環(huán)作用下微孔結構的變化，分析混凝土微觀結構在凍融循環(huán)下的變化，得出結論：混凝土在凍融循環(huán)過程中抗拉強度和抗折強度的劣化趨勢大于抗壓強度。由于隧道工程具有隱蔽性，不同位置襯砌混凝土所經(jīng)歷的凍融循環(huán)次數(shù)也不同，Xu[6]研究某寒區(qū)隧道襯砌凍融圈的分布規(guī)律，結果表明沿隧道縱向襯砌經(jīng)歷的凍融循環(huán)次數(shù)與所處位置和隧道長度有關：對于長隧道在進出口處經(jīng)歷的凍融循環(huán)次數(shù)較多，在隧道內中間部位經(jīng)歷的凍融循環(huán)較少；而對于短隧道則隧道內各部位所經(jīng)歷的凍融循環(huán)次數(shù)變化不大。

實際工程中隧道所處環(huán)境通常都比較復雜，襯砌混凝土并不只經(jīng)歷單一凍融循環(huán)，還會經(jīng)歷凍融-碳化、凍融-鹽離子侵蝕、凍融-干濕等耦合作用，多因素耦合作用會加劇襯砌混凝土的劣化，嚴重影響襯砌服役性能。

2 多年凍土隧道襯砌病害防治措施

2.1 建立可靠的防排水系統(tǒng)

多年凍土隧道襯砌產(chǎn)生病害的根本原因是水的影響，所以在設計及施工階段需結合隧址區(qū)氣候條件以及地質條件建立完善的防排水系統(tǒng)，做到“防水通暢，排水可靠”。

2.1.1 防水措施

（1）襯砌結構可采用復合式襯砌，在初期支護和二次襯砌之間設置防水板、防水卷材及無紡布等；

（2）二次襯砌材料選用抗?jié)B等級高的混凝土，一般不低于P10，并加強二次襯砌施工縫、伸縮縫的處理，設置橡膠止水帶或橡膠止水條；

（3）當隧道所處圍巖地下水豐富并且裂隙發(fā)育時，可對圍巖進行注漿堵水，形成防滲圈，必要時可對襯砌背后進行壓漿回填，以防止襯砌背后積水，對襯砌結構產(chǎn)生凍脹破壞；

（4）選用新型防水材料，如背貼、分貼、中埋充氣式止水帶，并優(yōu)化鋪設工藝，避免施工過程中的破壞。

2.1.2 排水措施

（1）在地下水可能凍結的地段，宜設中心埋深水溝。中心埋深水溝溝底應位于凍結線以下。中心埋深水溝達不到排水防凍要求時，可設置防寒泄水洞。但需要在施工時注意減少對凍土層的擾動，避免形成凍土融化圈。

（2）在多年凍土段設置保溫水溝，用于排出凍土融化產(chǎn)生的地下水。可選用沿路線走向的縱向人字坡[7]，還可增加縱向坡度以加快排水的速度。

2.2 采取合理的防凍保溫措施

沿隧道軸向不同位置襯砌溫度場具有一定變化，隧道洞口段應被視作防凍保溫的重點位置。多年凍土隧道的防凍保溫措施主要有：

（1）在隧道襯砌之間鋪設隔熱保溫層。對于多年凍土隧道，鋪設保溫層是為了阻止熱量侵入圍巖，防止圍巖形成融化圈。

（2）設置防寒保溫門。防寒保溫門主要應用在冬季，其可以阻擋寒冷空氣侵入隧道，維持襯砌及圍巖溫度，防止洞內頻繁產(chǎn)生正負溫交替。但防寒保溫門會妨礙車輛正常行駛，故不適用于車流量大的地段，僅適用于較偏遠的地區(qū)。

（3）在隧道內設置主動加熱系統(tǒng)。可在隧道內安設暖氣管道，適用于極寒地區(qū)，但該方法造價較高。也可將地源熱泵布設在隧道襯砌或排水溝之間，利用地熱能維持隧道內溫度，防止凍害發(fā)生。

2.3 選用合理的襯砌結構

（1）隧道襯砌結構斷面選型應選為帶仰拱的近圓形曲墻式，相比直墻式，曲墻式斷面可減少襯砌內的應力集中。

（2）襯砌結構可選用三層復合式襯砌結構，如一次錨噴支護+二次模筑混凝土+隔熱保溫層，防水層+三次模筑混凝土+隔熱保溫層。施作初期支護時，若圍巖表面有大范圍結冰，噴混凝土可能很難與巖面貼合，此時可采用模筑襯砌。

根據(jù)具體施工情況可選擇增加襯砌厚度或加大配筋率，以保證襯砌結構的服役性能。

（3）在進行襯砌結構設計計算時應考慮凍脹力+圍巖壓力的累加作用，當隧道處在凍脹非常嚴重的地區(qū)時可在襯砌混凝土中摻入一定量的纖維，如聚乙烯纖維、鋼纖維等，以提高襯砌混凝土的抗凍性。

3 結束語

總之，未來我國會修建越來越多的凍土隧道，而關于隧道襯砌結構的服役性能也會一直是研究的重點及難點。在多年凍土隧道的設計階段應結合地勘報告對地下水進行防治，并選用合理的襯砌結構、隔熱保溫措施及防排水措施。在隧道施工及運營過程中應隨時關注襯砌結構的健康狀態(tài)，定期檢查襯砌是否產(chǎn)生裂縫、地下水滲漏結冰，并測量襯砌混凝土力學性質，判斷其劣化程度，及時處置已產(chǎn)生的病害。