隧道冻害调查及保温防冻技术措施探讨

陈学峰

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 问题的提出

在严寒和寒冷地区，冻害是隧道常见的病害之一，而隧道的保温防冻也一直是隧道工程师们关注的问题:东北地区若干十几年以前修建的隧道，冬季洞顶和侧墙挂冰，夏天渗水，不仅衬砌结构破坏，还危及行车安全;而近年修建的隧道，虽然在防冻保温能力方面有了较大的提高，但仍有程度不同的病害发生。

因此，如何在隧道的建设中采取行之有效的措施，避免或减轻冻害的发生，是目前隧道工程界急需解决的问题，开展隧道冻害机理及相关防治技术的研究具有重大的工程实际意义。

2 严寒和寒冷地区隧道冻害的调查分析

我国在20世纪90年代以前修建的隧道，凡是年平均气温低于-1℃的，都有不同程度的冻害，有的隧道衬砌裂缝宽达5 cm，有的常年有7～8个月不能使用，而有的甚至报废而全年不能使用。

牙林线岭顶隧道是我国第一座修建在多年冻土中的隧道。全长 936.8 m，所在地区年平均气温为-6.71℃。隧道出口端位于多年冻土区，季节融化最大深度为9 m左右，围岩为凝灰质角砾岩。设计时采用了普通水沟及衬砌背后注浆。主体工程1961年9月建成，同年11月发现了隧道病害现象，表现为:(1)隧道内部普遍漏水，入冻后拱部挂冰，隧底形成冰笋，边墙上出现1 m的大冰柱，隧底积冰厚度0.3～1.3 m;(2)边墙衬砌产生环向裂隙，大多数位于衬砌工作缝处，裂隙宽由一般发丝宽至3 mm不等。

嫩林线塔河—樟岭段的白卡尔隧道和西罗二号隧道在运营七八年后，由于冻害严重，于1974年进行大修，整治病害。主要由于隧道内特有的阴暗潮湿环境，用于保温水沟的保温材料难保持良好的状态，衬砌周围的水排不出，冬季冻胀，衬砌被冻裂剥落掉块，拱部、边墙挂冰，严重威胁行车安全。

南疆线奎先隧道，位于吐鲁番至库尔勒的南疆铁路线上，是穿越天山中部分水岭的越岭隧道，全长6 154.16 m隧道进出口约700 m穿越多年冻土层，其余均在多年冻土下穿过。年平均气温-3.8℃，极端最低气温-33℃。隧道通车运营后，在冬季自然气流情况下，洞内气温下降，原设计的保温水沟长度不够，正洞被冻结2 870 m，沟水漫流。1980年开始整治，在洞内设防寒水沟3 859 m采用沥青玻璃棉保温，减少沿途散热，使正洞侧沟的水保持正温流入平导洞中，出水口采用保温设计。1985年又采取在防寒沟里加电热器的方式进行治理。

兴安岭隧道建于1903年，是由俄罗斯人设计和组织施工的，其衬砌为石膏石灰砂浆浆砌片石、粗凿石或毛方石。该隧道位于高寒地区，最冷月份平均气温为-33℃，最大冻结深度为2.8 m，隧道的主要病害是由渗漏水结冻引起的，冬季危及行车安全，每年都要使用大量人力刨冰。为解决冻害，保证行车安全，使用单位后来对该隧道进行了改建。

青藏铁路西宁—格尔木段的关角隧道，出现了道床冬季上鼓、夏季翻浆冒泥和下沉，衬砌纵、横、斜向裂缝以及渗水挂冰等冻害。

1989年建成的甘肃七道梁隧道，由于冬季气候寒冷，排水沟冻结而使隧道排水不畅，造成衬砌背后产生冻胀现象，诱发衬砌混凝土开裂，造成隧道渗漏、路面结冰，影响行车安全。

两伊铁路位于兴安岭山麓地带，平均海拔900～950 m，属高寒地区。冬季严寒漫长，最低气温在-47℃以下，土层最大冻深达3.2 m。其中哈布特盖隧道冻害裂缝位置在两侧边墙水沟盖板顶面上方2～3 m，呈纵向对称状，裂缝宽度0.5～6 mm，从洞口向里由宽渐窄，个别处伴有竖向开裂，裂缝宽度0.5～2 mm，洞口段局部有错台，错台宽度0.5～1.5 mm;呼吉日延2号隧道冻害裂缝位置在两侧边墙水沟盖板顶面上方2～3 m，呈纵向对称状，裂缝宽度0.5～1.5 mm，从洞口向里由宽渐窄，无明显错台现象。

3 隧道的冻胀机理及冻害的表现形式

提起隧道的冻害，通常许多人首先会想到围岩的冻胀压力，因为许多资料在谈到寒区隧道的冻害问题时，对冻害产生的原因都笼统的归结为“隧道衬砌混凝土在围岩的冻胀压力作用下开裂破坏”。但是，学者们通过分析和计算发现这种说法并不准确。事实上，造成隧道冻害的原因有很多方面，如衬砌混凝土的冰冻破坏、局部存水冻胀破坏、冻胀性围岩冻胀破坏以及既有裂缝裂隙水的冻胀破坏等。隧道正是在以上因素的单独作用或共同作用下产生冻害的。

隧道产生冻害的直接原因是冰冻或冻胀力作用，但有些隧道由于其他原因在暖季时就开裂，在冻融循环的作用下进一步发展。最常见的就是隧道衬砌背后和底部的防排水系统设计施工不当，还有隧道三缝即沉降缝、变形缝和施工缝发生的渗漏水现象，尤其是施工缝开裂漏水更为突出。还有冬季施工没有很好控制温度而产生的温度裂缝等。

通过大量冻害隧道的调查分析，隧道冻害的主要表现形式主要有:

(1)因围岩的冻害而引起衬砌结构失稳，导致隧道衬砌结构部分被推出，甚至隧道整体塌陷;

(2)因冻害导致隧道衬砌大面积产生酥裂、剥落、开裂;

(3)衬砌背部冻结，出现融解漏水，甚至涌水;

(4)隧道拱部出现冰柱;

(5)隧道侧墙出现冻结，产生壁冰;

(6)隧道底部漫水、结冰。

4 隧道保温防冻技术措施

经过几十年的实践总结，人们逐渐认识到严寒寒冷地区隧道防冻保温工程是一项系统工程，包括防冻保温条件调查、防冻保温措施选择、防冻保温设计、防冻保温工程实施、防冻保温效果、防冻保温监测与评估、防冻保温优化等。防冻保温设计同样也是一项系统工程，应依据科学、安全、经济、环保、节能的原则，灵活选择保温防冻措施，制定系统的设计方案。

4.1 影响隧道防寒措施的几种因素在设计中的考虑

影响隧道防寒设计的因素主要包括:当地最冷月平均气温、隧道围岩的地下水发育情况、隧道走向与寒冷季节主导风向关系、隧道内纵断面坡度设置。

首先，防寒设计考虑的最主要因素是气温条件，大多数设计把最冷月平均气温作为主要依据，设计中采用的最冷月平均气温资料通常是各地区的气象站资料，这个资料与所设计的隧道位置的气温条件通常会有一定出入。考虑到取得各隧道工点位置的气温资料难度比较大，所以设计人员会在此资料基础上采取的措施适当加强。

其次，隧道走向与寒冷季节主导风向关系也是防寒设计考虑的因素:通过对沈阳铁路局范围内白河至和龙铁路的南山隧道进行分析，当地最低月平均气温为-12.1℃(元月)，而实测数据一月份最低平均气温为-22.3℃，远低于当地收集的气温资料，通过初步分析后得出结论认为，主要原因是检测数据的进口位置位于背阴山区，其次风向与隧道走向一致等。因此，设计在考虑当地最低月平均气温的同时，根据洞口朝向等，会适当调整部分隧道防寒保温措施设计。

第三，隧道地下水发育情况也会对冻害产生很大的影响:有关文献资料表明，隧道冻害中，水是造成工程冻害的主要因素，特别是在隧道运营阶段。据资料显示，土质地层及某些岩质围岩均易发生冻胀，岩质地层如新第三纪中上部的软质泥质岩和细粒凝灰岩等，土质围岩的隧道中尤其是含水量较大的粉砂和黏性土层中的隧道较易发生冻胀破坏。基于以上这些原因，为减少围岩中地下水引起的冻涨危害，在洞口一定范围内，设计可以考虑采取注浆加固围岩措施。

理论上说隧道坡度越大，水沟内水流速越大，越不容易发生冻胀，但目前还没有文献资料或统计结果能显示说明特定条件下:水沟冻结的临界坡度是多少。目前相关规范规定水沟纵坡与隧道坡度一致，且不得小于3‰。

4.2 防冻保温设计技术措施

防冻保温设计技术措施包括被动防寒措施和主动供暖措施。主动供暖存在能耗大、维护费用高、环境污染等问题，需要开发和研制节能型主动供暖系统。目前国内常用的是被动防寒措施。下面就简要介绍一下这类防冻保温设计技术措施。

目前国内隧道防冻保温措施主要包括:设计具有保温性能的防排水系统，以保持隧道内、衬砌后排水系统顺畅或将地下水隔绝于隧道冻融圈之外;设计衬砌保温隔热层，使围岩的热量在冬季不逸出，并保证隔热材料的表面温度在冰点以上而防止冻害;衬砌结构及其他方面考虑隧道的防冻问题。

4.2.1 防排水系统防冻保温技术措施

(1)抗冻混凝土:通过在衬砌混凝土添加引气剂、抗裂防水剂，提高抗冻耐久性和增加密实度，提高抗渗性。该法可有效地防止衬砌混凝土的冰冻破坏，但对衬砌背后围岩及围岩中水的冻胀性破坏没有明显的作用。

(2)抗冻钢筋混凝土:抗冻胀设防段均需要设置。局部存水冻胀破坏和冻胀性围岩中隧道结构的冻胀破坏时，衬砌结构所产生的冻胀应力对衬砌厚度的变化并不敏感，因此，完全采用增加衬砌厚度的方式来实现隧道抗冻并不可取。另外，隧道内一旦有冻害发生，则衬砌中产生的拉应力较大，因此采用钢筋混凝土结构作为二次衬砌可以有效地防止衬砌开裂，提高结构的承载能力。该法能提高混凝土结构的柔韧性，但对较大的冻胀力有时会失效，设置较多时增加投资较多。

(3)衬砌后注浆和围岩预注浆

此法是严寒地区隧道预防冻害的一种辅助方法。该法优点是通过注浆，可适当降低衬砌后土层的含水率，或减少衬砌后围岩存水空间，从而防止或抑制冻涨的发生。此外，隧道注浆还能提高围岩的自稳能力。隧道围岩注浆不但能起到增大围岩稳定性和强度、防漏、止水，还能起到减轻和防止隧道冻胀的作用。这种方式对衬砌背后局部存水效果很好。该法的缺点是:一般注浆效果难以达到设计要求，同时，注浆止水的耐久性效果也不理想。

(4)防排水措施

结合规范，目前国内对隧道的防排水基本采取“防、排、截、堵结合，因地制宜，综合治理”的原则［1］。

①确立衬砌结构自防水为根本，主体结构的抗渗等级为P10。当隧道地处最冷月平均气温低于-15℃地区时，二次衬砌混凝土等级提高一级。

②隧道拱墙初期支护和二次衬砌之间防水采用EVA或ECB等防水板。

③长隧道地下水发育时，采用径向注浆方式加固隧道周边地层，把地下水阻隔于地层最大冻结深度以外，防止地下水冻涨引起隧道结构受损。

④施工缝、变形缝防水

常用的集中构造形式:背贴式止水带+止水条;背贴式止水带+中埋式止水带;中埋式止水带+止水条+嵌填缝材料。其他新型的如预埋注浆管的施工缝构造形式、带接水盒的变形缝构造形式。

(5)洞内排水沟设置

目前，我国冻害地段隧道排水沟的设置方式主要有以下几种。

①泄水洞

泄水洞是隧道排除地下水的主要措施之一，形似小隧道，位于隧道下方或旁侧，利用竖井、钻孔或岩石裂隙将隧道周围的地下水降低，从而防止衬砌周围介质冻结对衬砌产生的冻胀影响。它适用于月均气温低于-25℃、黏性土冻结深度大于2.5 m的严寒地区。

②中心深埋渗水沟

中心深埋渗水沟是把水沟埋设于隧道内相应的冻害深度之下，利用地下水的初温达到冻融平衡，从而达到防冻的目的。它适用于月均气温低于-15℃、冻结深度为1.5～2.5 m的严寒地区［2］。

③保温水沟

保温水沟，即在水沟上部设置上下双层盖板，盖板间通过空气隔热或设保温材料使水沟保温。侧面为加气混凝土预制块保温层。

④中心保温管沟

在隧道浅部(即浅于隧道内的最大冻结深度)仰拱填充层内直接埋设混凝土管，管外用保温膜包裹。此方式施工、安装方便，适用于所有地层。但保温材料容易受潮失效，施工处理不好，形同虚设。另外一种设置方式是仰拱填充层中心水沟采用盖板明沟，在沟内设置预制直埋保温管。此种方式施工、安装及维修方便，但尚需要研究横向导水管与中心沟的连接方式，目前还没有在实践中采用，无成功的实例。

(6)环纵向排水盲沟

中心深埋水沟、泄水洞其配套的排水设施环纵向盲沟也需防寒，一般有深埋盲沟和保温盲沟。深埋盲沟为深切槽，施工困难，增加施工时间，初期支护不能及时封闭成环，影响隧道的稳定。保温盲沟为盲沟于衬砌之间局部或全部设铺保温层，局部设保温层保温效果相对较差。

(7)洞外排水暗沟

保温水沟、深埋水沟及防寒泄水洞内的水流，流出隧道后，应采用暗沟通过路堑地段流入地形低洼处。暗沟应置于冻结深度以下。

(8)保温出水口

在严寒地区，深埋水沟、防寒泄水洞、洞外暗沟均应设置防寒出水口。防寒出水口有端墙式(适用于地形较陡处)和圆包头式(适用于地形平坦处)两种。

4.2.2 保温隔热设计技术措施

(1)铺设保温层

铺设保温层从保温隔热的机理上看，是属于被动型措施，在国内已有较多寒区隧道采用，如风火山隧道、昆仑山隧道，大阪山隧道等，效果也较为理想。

保温层铺设位置可有两种:二次衬砌内、二次衬砌与初期支护之间。两种铺设位置所采用施工工艺有较大不同;挂设、喷涂、粘贴等;保温材料也可不同:高分子板材、高分子卷材、保温砂浆等。很明显，采用保温隔热设计，将使工程造价提高，并使工期加长。

(2)设置防寒门

在隧道洞口设置防寒门可以非常直接地起到保温隔热作用，经调查，防寒门在国内极少采用，在铁路隧道未见采用。制约防寒门推广采用的关键是其控制技术的安全性和可靠性，特别是在铁路提速的大环境下，若不能确保控制技术万无一失，防寒门是绝对不能允许被采用的，事实上，这一技术在国内基本是空白。另一方面，即使控制技术成熟，防寒门的开启频次，对保温隔热效果的影响规律也是不得不考虑和研究的因素。

5 结语

综上所述，业内对于理想环境下隧道冻害机理的研究相对比较成熟，也较易理解，而对于特定隧道防止冻害发生的经济合理、安全可靠的技术措施却难有定论，特别是在不同环境条件下，系统性隧道防冻害技术的研究，以及相应工程实践相对匮乏［3］。笔者认为，隧道冻害的防治应采取多道防线、综合治理的原则，并应与隧道防排水技术研究紧密结合，具体技术措施特别是技术参数应结合现场试验、现场监测等反复研究、实践和修正，进而根据其适用条件，对防冻技术措施进行系统性分类和归纳，以达到有效指导工程建设之目的，这同时也是笔者今后工作的一个努力方向。

［1］TB10003—2005 铁路隧道设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2010.

［2］TZ331—2009 铁路隧道防排水施工技术指南［S］.北京:中国铁道出版社，2009.

［3］王梦恕，等.中国隧道及地下工程修建技术［M］.人民交通出版社，2010.