高寒地區公路隧道襯砌凍脹病害處理技術

陳 鑫

（中交公路規劃設計院有限公司,北京 100010）

0 引言

多年凍土和季節性凍土在我國分布較廣，約占國土總面積的40%以上。在凍土地區修建的公路隧道容易出現凍脹病害，尤其是高寒區。如果對隧道凍脹病害的產生機理分析不當或選擇的防凍脹技術不合理，可能導致隧道在施工、運營期間出現襯砌開裂、仰拱隆起等病害，危及行車安全，嚴重的可能造成巨大的經濟損失和人員傷亡。近年來，國內外學者利用現場監測、室內模型試驗、數值模擬等手段研究了高寒區隧道襯砌的病害，但由于襯砌凍脹機理復雜，仍沒有統一的成果來指導高寒區隧道設計[1]。因此，進一步探討高寒地區公路隧道襯砌凍脹病害機理和處理技術具有重要的工程價值。

1 高寒區隧道襯砌凍脹機理分析

1.1 高寒區隧道分類

高寒區的最大特征是海拔高、氣溫低，其中最冷月是1 月份，平均氣溫在-10~-30 ℃；最暖月在7 月份，平均氣溫大于10 ℃，但大于10 ℃的月份不超過5 個月。在高寒區建設隧道難度較大，要先對隧道分類，有針對性地采取措施。但是，目前尚無統一的分類標準。大量工程實踐表明，水對高寒區隧道的影響最大，襯砌病害與水密切相關，故該文按地下水賦存與補給條件將高寒區隧道劃分為5 類，不同隧道的凍脹特征見表1[2]。

表1 高寒區隧道分類

1.2 隧道圍巖凍脹影響因素

在高寒地區，隧道襯砌是否發生凍脹及凍脹嚴重程度主要取決于水、圍巖特性、襯砌剛度等，具體闡述如下：①水。水是隧道圍巖發生凍脹的決定性因素，含水量越高，凍脹等級越高，凍脹病害越嚴重。②圍巖特性。圍巖滲透系數是不均勻、各向異性的，襯砌產生的凍脹力也是不均勻、各向異性的。同時，圍巖結構面在凍結期間會張開，吸收部分凍脹能力，減輕襯砌凍脹病害；此外，圍巖的巖土性質也強烈地影響著凍脹類別和強度，在相同含水量下，砂性土凍脹強度較黏土低。③襯砌剛度。一般情況下，襯砌剛度越大，抗變形能力越強，在開挖和運營期間承擔的凍脹力也越大。

1.3 隧道襯砌凍脹理論

（1）熱傳導理論。要計算高寒區隧道襯砌凍脹力，就要先了解外界溫度與襯砌之間的熱傳導規律。根據熱傳導第二定律“如果兩個物體之間有溫度差，熱量就會從一個物體傳導至另一個物體，且熱量總是從溫度最高點傳導至最低點，最終達到某一穩定溫度。在熱量傳遞過程中，隧道襯砌的溫度T是隨空間和時間不斷變化的，可以用函數T=T（x、y、z、t）表示。需注意，當函數T對時間t的導數為0 時，隧道襯砌所處的溫度場為穩態溫度場。

（2）凍脹力計算。高山區隧道在開挖結束后，周圍會產生“凍結圈”。在計算隧道襯砌凍脹力時，需先根據經驗初步判定凍結圈范圍，再改變凍結圈溫度，使圍巖裂隙中的水凍結為冰。水凍結成冰后作用在襯砌上的凍脹力δ可按式（1）計算[3]：

式中，E——襯砌彈性模量（MPa）；n——圍巖空隙率（%）；α——水凍結成冰的體積膨脹系數，可取9%；e——圍巖與襯砌彈性模量的比值；u1、u2——分別為圍巖和襯砌泊松比；p、q、m1、m2——均為計算參數，取決于襯砌內徑、襯砌外徑、凍結圈深度等參數。

2 高寒地區隧道凍脹力計算

2.1 工程概況

該隧道設計標準為雙向六車道，限界高度5.5 m，凈寬16.0 m，開挖斷面約130 m2，左線起訖樁號為ZK15+200~ZK16+350（長1 150 m），右洞起訖樁號為YK15+202~YK16+355（長1 153 m），屬長隧道。隧道襯砌采用復合式襯砌，并在初支和二襯之間設置防、排水層。根據隧道的詳細勘察資料，隧道圍巖以砂巖、泥質砂巖等為主，圍巖等級均為Ⅴ級。同時，水、冰、混凝土襯砌、圍巖、存水區域土體的密度分別取1.0 g/cm3、0.9 g/cm3、2.25 g/cm3、1.90 g/cm3、2.05 g/cm3，比熱容分別取4.2 W/(kg·K)、2.1 kJ/(kg·K)、0.95 kJ/(kg·K)、1.35 kJ/(kg·K)、1.60 kJ/(kg·K)。

此外，項目所處區域屬于高原山地氣候，全年平均氣溫1 ℃，且寒冷天氣持續時間長。一月份溫度最低，平均氣溫為-15 ℃；七月份溫度最高，平均氣溫為10 ℃。

2.2 計算模型建立

（1）基本假定。高寒區隧道襯砌凍脹力影響因素多，不可能全部考慮。為了提高計算效率，擬對隧道作出以下簡化：第一，將隧道圍巖和襯砌視作均質、連續、各向同性的彈塑性材料；第二，不考慮地下水對圍巖和襯砌性能的劣化；第三，冰與土顆粒是不可壓縮的，且水凍結成冰期間不考慮水蒸氣遷移。

（2）幾何尺寸。由“圣維南原理”定理可知，隧道襯砌的凍結圈范圍是有限的。結合相關研究成果，高寒區隧道的左、右邊界取3~5 倍隧道凈寬，上、下邊界取3~5 倍隧道凈高，上邊界與實際地形一致。基于上述原則，隧道計算模型的尺寸取25 m×30 m，如圖1 所示。

圖1 高寒區隧道計算模型

（3）模擬單元。高寒區隧道的圍巖可用實體單元模擬，初期支護和二次襯砌可用板單元模擬。在選定模擬單元后，還要對模型進行網格劃分。一般情況下，網格尺寸越小，網格數量越多，襯砌凍脹力計算結果越準確。但是，網格尺寸也不宜過小，否則可能導致軟件計算不收斂。該隧道模型網格劃分尺寸取0.5 m，共劃分了8 656 個單元，9 318 個節點[4]。

（4）溫度邊界條件。根據“附面層理論”，當地層深度達到某一臨界值時，環境對地層溫度的影響基本可忽略。參考相關研究成果，用正弦函數表達溫度邊界條件，見式（2）：

式中，Td——氣溫均值（℃）；A——氣溫振幅（℃）；wd——角頻率（℃/d）；φ——初相（°）。

2.3 凍脹力計算

在Midas/GTS 軟件中，隧道襯砌凍脹力可定義為水凍結前后圍巖與襯砌結構接觸壓力的差值。為了研究高寒地區隧道襯砌凍脹力的變化規律，在拱頂、拱腰、拱底分別設置應力監測點，編號為1#監測點、2#監測點、3#監測點。

（1）不同含水率下的隧道襯砌凍脹力。當隧道所處外界環境氣溫降低至零度以下，圍巖中分布的裂隙水會凍結成冰，使得體積膨脹，在圍巖－襯砌接觸面產生凍脹力。該文利用Midas/GTS 軟件計算了含水率為10%、15%、20%、25%、30%時不同監測點的凍脹力，計算結果見表2。

表2 隧道不同監測點凍脹力

由表1 可知：隨著含水率的增加，隧道襯砌不同監測點的凍脹力也不斷增加，含水率與凍脹力之間基本呈線性正相關關系。含水率每增加5%，1#監測點、2#監測點、3#監測點的凍脹力平均增加0.50 MPa、0.58 MPa、0.55 MPa。同時，在含水率相同的條件下，拱頂的凍脹力最小，拱腳的凍脹力最大，拱腰的凍脹力在拱頂和拱腳之間。上述現象表明[5]：高寒區隧道襯砌的凍脹力對水分較敏感，在設計時要加強防排水，以降低圍巖含水率，減小襯砌所承受的凍脹力。

（2）不同襯砌剛度下的隧道襯砌凍脹力。在圍巖含水率為20%的條件下，利用Midas/GTS 軟件分別計算了隧道襯砌彈性模量為8 GPa、12 GPa、16 GPa、20 GPa、24 GPa 時，1#監測點的凍脹力，計算結果見圖2。

圖2 凍脹力-彈模關系圖

圖2 計算結果表明：隧道襯砌1#監測點的凍脹力隨彈性模量的增加而增大，但增加速率逐漸變緩。當隧道襯砌彈性模量＜20 GPa，其凍脹力呈驟增趨勢；當隧道襯砌彈性模量超過20 GPa 后，凍脹力變化不明顯。此外，隧道襯砌彈性模量從8 GPa 增加至24 GPa，凍脹力從1.72 MPa 增加至2.50 MPa，增加幅度為45.3%。因此，高寒區隧道襯砌設計時可在滿足承載力和變形的前提下，二次襯砌背后可填充彈模較低的彈性材料，可減小作用在襯砌上的凍脹力。

3 高寒地區隧道防凍脹技術

大量工程實踐表明，高寒區隧道襯砌防凍脹措施在設計時應遵循“因地制宜、綜合治理”的原則，做好防排水（以排為主，防排結合）、襯砌保溫。

3.1 防排水技術

（1）防水措施。為了防止地下水滲入隧道襯砌中，首先要通過在混凝土中加膨脹劑、提高混凝土密實度等方法來提高襯砌的防滲等級。對于高寒區公路隧道，其襯砌防滲等級不宜小于P10；其次，在初支和二襯之間應鋪防排水板。防水板卷材一定要能耐低溫，否則在寒冷天氣下材料性能容易衰減，導致其失去防水功能；最后，在施工縫、沉降縫等位置安裝耐低溫止水條帶[6]。

（2）排水措施。相對于普通隧道，高寒區隧道的排水設計難度大，要確保排水溝及出水口在低溫條件下不凍結，具體措施如下：在隧道二次襯砌背后設置環向滲水軟管，墻腳外側設置縱向排水盲管，以便于將隧道周邊地下水引至仰拱下的縱向深埋中心排水溝，如圖3所示。

圖3 拱底深埋水溝示意

此外，當最冷月平均氣溫低于-25 ℃時，還可在隧道的正下方設置防寒泄水洞來排出地下水。防寒泄水洞在施工時要超前主洞掌子面50~100 m，也可作為超前地質預報的補充手段。

3.2 保溫技術

傳統的隧道襯砌保溫措施多采用釘掛保溫板的方法，會在襯砌表面鉆孔打眼，會降低隧道結構的強度和穩定性，且保溫板存在拼接縫隙，保溫效果差。為了解決這一問題，國內很多高寒區隧道保溫開始采用無機纖維保溫噴涂技術，即利用專用設備將材料噴涂在隧道襯砌表面（與襯砌100%貼合），不會損傷隧道襯砌結構，具體施工流程為噴涂基面處理→基底預噴→噴涂施工→表面整形→表面粘貼玻璃纖維布。

4 結論

該文主要研究了高寒區隧道分類、圍巖凍脹影響因素和理論，并以某高速公路隧道為研究對象，計算了襯砌凍脹力變化規律，提出了防凍脹措施，得到了以下結論：

（1）高寒區隧道無統一的分類標準，但其凍脹均與水、圍巖特性、襯砌剛度等因素密切相關。

（2）隧道產生凍脹的根本原因是外界寒冷空氣與襯砌之間產生了熱傳導。

（3）高寒區隧道襯砌不同位置的凍脹力隨含水量和剛度的增加而增大，在設計時要加強防排水措施，可在初支和二襯之間填充一定厚度的低模量彈性材料，以減輕作用在二襯上的凍脹力。

（4）為了提高高寒區隧道襯砌保溫效果，可采用無機纖維保溫噴涂技術。