寒区隧道冻害等级及其设防等级研究

孙 兵

(中铁第一勘察设计院集团有限公司桥隧处，西安 710043)

隧道冻害问题一直是寒区隧道工程亟待解决的一大难题，冻害直接威胁到隧道结构及运营行车安全，造成严重的经济损失。因此，如何在寒区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就显得尤为重要。

到目前为止，国内外学者大致从以下5个方面做了大量的研究:(1)关于冻土力学特性的研究，笔者前期曾提出了一种冻土三轴冻胀应力-应变关系[1，2];(2)关于寒区隧道温度场及多场耦合研究[3];(3)关于寒区隧道衬砌冻胀力的研究[4];(4)关于寒区隧道衬砌材料劣化的研究[5];(5)关于寒区隧道施工技术及冻害防治措施的研究[6]。本文则在总结归纳已有研究的基础上，从寒区隧道冻害等级及其设防等级角度出发，讨论了以上2种等级划分的原则和方法，给寒区隧道的设计和施工提供参考，避免冻害的发生和过于保守的冻害设防措施。

1 寒区隧道区域划分

一般情况下，根据隧道在不同高程穿越山体时，以及隧道所穿越山体的温度分布情况，可将寒区隧道区域划分为Ⅰ～Ⅴ类，隧道冻土区域划分示意如图1所示。

Ⅰ类隧道:隧道从山顶地表和冻土上限之间穿越，该段山体处于强季节冻土区，在此处修建隧道非常不利。一般冻土上限的季节冻土层厚度在2 m左右，因此，从此处穿越隧道一般是不可能的，但是在起伏地形的山体内修建隧道，局部可能出现这种情况，如昆仑山隧道，如图2所示。当山体表面存在积雪或积冰，由于雪或冰层存在季节层，冻土上限可能达到地表，在此条件下将不存在Ⅰ类隧道。

图1 寒区隧道区域划分示意

图2 起伏状山体Ⅰ类隧道示意

Ⅱ类隧道:隧道从冻土上限和冻土下限之间穿越。隧道开挖前，隧道洞口段山体处于强季节冻土区，洞身段山体处于多年冻土区，当隧道开挖后，洞口段局部会产生次生多年冻土，如图3所示。对于多年冻土区域，由于多年冻土层的存在，一方面阻挡了外界水的补给，不会发生渗漏水情况，另一方面衬砌背后的围岩不会产生冻融循环，衬砌冻胀力很小甚至没有，因此，不需要采取任何设防措施，在此处修建隧道是有利的。青藏铁路的昆仑山隧道除局部处于强季节冻土区外和风火山隧道均属于这种情况。

图3 Ⅱ类隧道示意

Ⅲ类隧道:隧道开挖之前，山体最初存在季节冻土区、多年冻土区和未冻土区3段，此处年平均气温小于0℃，例如大坂山隧道。当隧道开挖后，洞口段和洞身段分别会产生次生多年冻土和次生季节冻土，如图4所示，在此处修建隧道是不利的。

图4 Ⅲ类隧道示意

Ⅳ类隧道:隧道洞口处在年平均气温大于0℃位置，隧道洞口段山体处于季节冻土区，洞身段山体处于非冻土区。当隧道开挖后，洞身段的一部分非冻土区将转变为季节冻土区，如图5所示，在此处修建隧道是不利的。

图5 Ⅳ类隧道示意

Ⅴ类隧道:从此处穿越的隧道，即不存在季节冻土也不存在多年冻土情况，隧道不需要作任何保温设防，不存在冻胀问题，按一般隧道考虑。

另外，由于受到全球变暖的影响，可能出现以下3种情况:(1)弱季节冻土区变为非冻土区，此情况下对寒区隧道是有利的;(2)强季节冻土区变为弱季节冻土区，此情况下对寒区隧道同样是有利的;(3)多年冻土区变为强季节冻土区，此情况下对寒区隧道是不利的。以上分析可作为寒区隧道选线指导原则。

2 寒区隧道冻害等级划分

2.1 寒区隧道衬砌冻胀力作用等级划分

冻胀力是寒区隧道产生冻害的直接原因，冻胀力与其他作用力共同作用于隧道衬砌上，当超过混凝土衬砌强度时，就会造成隧道结构的开裂和剥落，导致隧道出现漏水、结冰、挂冰等冻害，因此，首先以冻胀力大小为指标进行冻害等级划分。

当冻胀力很小或不存在时，采用没有配筋的素混凝土即可达到设计要求，此时的冻胀力称之为弱冻胀力;当冻胀力达到一定程度时，素混凝土衬砌已经不能满足安全要求，需通过配筋才能使衬砌达到安全要求，此时的冻胀力称之为中冻胀力;当冻胀力继续增大时，钢筋混凝土仍不能满足安全要求，需采取一定的措施，才能使衬砌处于安全状态，此时的冻胀力称之为强冻胀力。

2.1.1 隧道衬砌设计原则

(1)混凝土衬砌设计原则

对于矩形截面混凝土构件，当抗压强度控制承载力时，衬砌安全系数按式(1)进行计算，当抗拉强度控制承载力时，衬砌安全系数按式(2)进行计算，各参数具体意义参见《铁路隧道设计规范(TB1003—2005)》[7]。

(2)钢筋混凝土衬砌设计原则

对于矩形截面对称配筋偏心受压构件，其受压区高度x可按式(3)计算，然后对构件进行配筋，如式(4)～(6)所示，各参数具体意义参见《铁路工程设计技术手册 － 隧道》[8]。

x＞0.55h0时，

当2a'≤x≤0.55h0时，

当x＞2a'时，

2.1.2 衬砌冻胀力作用等级划分标准

冻胀力作用等级以衬砌结构形式作为划分标准，当采用素混凝土即可抵抗冻胀力时，此时的冻胀力称之为弱冻胀力;当需通过配筋才能抵抗冻胀力时，此时的冻胀力称之为中冻胀力;当采用最大配筋率仍不能抵抗冻胀力时，此时的冻胀力称之为强冻胀力。

假设衬砌作为一种安全储备，围岩冻结前衬砌不受力，仅考虑冻胀力对衬砌产生的影响。以双车道公路隧道为例，衬砌冻胀力作用等级划分如表1所示，表中数值代表衬砌所能承受的最大冻胀力，冻胀力计算方法可参见文献[9]。

2.2 寒区隧道洞内结冰影响正常使用等级划分

当冻土地区年降水量较大或存在地表补给、围岩破碎、围岩内贮水量丰富时，隧道通过融区时往往有地下水涌出，在排水系统不通畅的情况下，地下水将不可避免地通过隧道衬砌上的裂缝向隧道内渗漏。

地下水的渗漏一到冬季就会逐渐冻结，在拱顶及边墙上将出现一串串的冰柱，随着渗漏地下水的不断补给冰柱也逐渐加粗，有时冰柱的直径可超过1 m，严重侵入隧道的建筑限界。

本文根据隧道的涌水情况来考察地下水的发育情况，进一步评价隧道内部可能出现的结冰程度，并进行冻害等级划分。马万一[10]根据涌水量的大小将地下工程中的涌水分为5大类，相应的冻害等级划分如表2所示。

表2 洞内结冰的冻害等级 ×104m3/d

2.3 混凝土结构冻融环境下的结构耐久性研究

2.3.1 混凝土冻害原因分析

在寒冷地区混凝土结构物的破坏原因主要是冻害所致。外界环境是产生冻害的主要因素，普遍认为冻害与温度有直接关系，温度越低冻害越严重，实际上并非如此，当混凝土长期处于冻结状态下，很难产生冻害，而处于反复冻融循环作用下，则容易产生冻害。另外，若降水量大，冻害危险性也大。

2.3.2 混凝土冻融破坏标准

冻融破坏标准，是混凝土冻融耐久性定量化设计的基础，也可以说是混凝土经冻融破坏的终点。室内试验方法中，快冻法是以混凝土动弹模降至60%或质量损失5%时认为混凝土已经冻融破坏，而对于实际混凝土结构，其动弹模是难以测试的，鉴于国内外尚无冻融过程中动弹模与抗压强度的关系研究成果，参考英国混凝土实用规范(CP110)中给出的混凝土抗压强度与动弹模的关系式

式中Ed——混凝土动弹性模量(×103MPa);

R——混凝土抗压强度，MPa。

对于隧道混凝土衬砌结构，按照破损阶段和容许应力法进行设计。则有以下表达式

式中RN——混凝土结构经过N次冻融循环后的残余极限强度;

R0——混凝土结构的初始极限强度。

也就是说混凝土衬砌结构经过N次冻融循环后所能承受的最大载荷不能低于其初始极限强度折减值，则有

式中K——结构强度安全系数，当以抗压强度作为控制指标时取2.4，此时最小相对强度为41.6%。

再结合式(7)，即可得出对于隧道混凝土结构，各等级混凝土允许的最低相对动弹模，如表3所示。可见对于隧道混凝土结构当动弹模降低至65%左右，就认为混凝土结构冻融破坏，与现有的60%规定基本一致。

表3 混凝土最低相对动弹模 %

2.3.3 混凝土冻害模型

唐光谱等[11]基于唯象损伤观点得出了混凝土冻害模型，如式(10)所示

式中D——损伤变量;

N——冻融循环次数;

N40——混凝土能经受的最大抗冻融(快冻)次数;

ξ——试验参数，取至蔡昊试验值 0.946[12]。

文献[13]根据以往试验的成果，采用多元回归的方法，初步建立了混凝土能经受的抗冻循环次数与水胶比，含气量及粉煤灰掺量的多元回归方程

式中A——混凝土的含气量，%;

w/c——水胶比;

f——粉煤灰掺量，% 。

2.3.4 混凝土冻融破坏环境等级研究

日本根据140个地区的调查情况，并结合一定的试验结果，提出了冻害危险值的计算表达式，该表达式综合考虑了冻结温度、冻结速度、冻结持续时间、日照时间、湿度、降水变化等因素，具体表达式如下

式中VF——冻害危险值;

FT——冻融的天数;

F——冻结的天数;

u——日照融解率(根据气象资料计算);

t——冻害加重系数(冰点以下温度查表);

I——最低温度冻结天数的修正值;

c——冻害减轻系数(润湿情况查表)。

根据计算结果，将冻害环境分为6个等级，如表4所示。

表4 冻害危险度和冻害危险地区

2.3.5 混凝土抗冻耐久性设计

根据不同建筑物的安全运行年限和不同地区的冻融循环状态及混凝土抗冻性的室内外关系，可以进行混凝土抗冻耐久性初步的定量化设计，即根据混凝土的安全运行寿命来设计混凝土的抗冻等级表达式如下

式中F——按安全运行年限要求的抗冻性设计等级;

Y——规定的安全运行年限，年;

M——混凝土结构所处环境的年冻融循环次数，次/年;

B——混凝土室内外冻融损伤的比例系数，一般取12;

K——考虑到混凝土结构运行条件的安全系数，K值按≥1来考虑;

由式(13)所求得的F应小于N40，以确保结构安全性，N40既可以通过室内试验方法获得，也可以采用式(11)计算求得。那么，当混凝土结构物达到规定年限时，其损伤度和残余强度表达式如下

2.4 混凝土疲劳强度研究

根据疲劳损伤力学原理，混凝土在较高应力水平并发生循环变化时，要发生疲劳破坏。

根据Aas-Jakobsen的混凝土材料疲劳寿命公式，其表达式如下

式中S——应力比，定义为作用在试件上的最大荷载Pmax与材料的极限承载能力σ之比;

R——荷载循环特征值，即循环荷载的最小值与最大值之比，一般取0.1或0.2;

B——试验参数，对于某一特定混凝土材料，β为定值，Aas-Jakobsen建议β=0.064 0;

N——混凝土的疲劳寿命，即在应力比R作用下混凝土所能承受的最大疲劳次数。

由疲劳寿命方程可知，混凝土的疲劳寿命取决于荷载性质和材料性质。该式给出了疲劳寿命与荷载性质及材料性质的关系，但不能够描述材料疲劳损伤的衰减过程。

潘华等[14]获得了混凝土在单级等幅循环载荷下的损伤演化方程，如式(17)所示

通过式(16)和(17)，即可算出在规定年限内混凝土结构物的损伤度。对于寒区隧道，由于混凝土衬砌的存在，降低了背后围岩的冻融循环次数，冻胀力循环次数相应减少，甚至1年内才发生几次应力循环，因此，由冻胀力产生的疲劳效应较弱。

3 寒区隧道冻害设防等级划分

根据上述冻害等级划分情况，将冻害设防等级进行相应的划分，并对每一种设防等级提出相应的设防措施建议。根据以上分析，在多年冻土区修建隧道，无论是从衬砌冻胀力方面考虑，或者从混凝土冻融循环耐久性或疲劳强度方面考虑，还是从洞内结冰情况考虑都是有利的，因此，以下设防措施是针对强弱季节寒区隧道提出的，具体见表5。

表5 寒区隧道冻害设防等级及相应设防措施

4 结论

本文在总结归纳已有的研究基础上，从3个方面对寒区隧道进行了研究，分别为寒区隧道区域划分、冻害等级划分和冻害设防等级划分，主要得到以下结论。

(1)通过对寒区隧道区域划分研究，可初步获得隧道在穿越山体不同部位时可能发生的冻害情况，对选线具有一定指导原则。

(2)通过对寒区隧道冻害等级研究，可对其可能发生的冻害程度进行正确的评价，给寒区隧道设计提供参考。

(3)在正确评价寒区隧道冻害等级的基础上，对其提出相应的设防措施建议，不仅要避免冻害的发生，还要避免采用过于保守的冻害设防措施。

[1]孙兵，仇文革，周超.饱和黏土三轴冻胀应力－应变关系试验研究[J].西南交通大学学报，2009，44(2):177-180.Sun Bing，Qiu Wenge，Zhou Chao.Experimental Investigation on Triaxial Frost Heaving Stress-Strain Relationship of Saturated Clay[J].Journal Of Southwest Jiaotong University，2009，44(2):177-180.

[2]仇文革，孙兵.冻土三轴冻胀应力-应变试验方法研究[J].冰川冻土，2010，32(1):116-120.Qiu Wenge，Sun Bing.Study of The Experimental Method for Triaxial Frost Heaving Constitutive Relationship of Frozen Soil[J].Journal Of Glaciology And Geocryology，2010，32(1):116-120.

[3]赖远明，吴紫汪，朱元林，等.寒区隧道温度场、渗流场和应力场耦合问题的非线性分析[J].岩土工程学报，1999，21(5):529-533.Lai Yuanming，Wu Ziwang，Zhu Yuanlin，et al.Nonlinear analyses for the couple problem of temperature，seepage and stress fields in cold region tunnels[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，1999，21(5):529-533.

[4]王建宇，胡元芳.隧道衬砌冻胀压力问题初探[J].铁道工程学报，2004，81(1):87-93.Wang Jianyu，Hu Yuanfan.A discussion on frost heave force acting on tunnel lining[J].Journal of Railway Engineering Society，2004，81(1):87-93.

[5]谷炼平，李培安，于治海，等.青藏铁路风火山隧道低温早强高性能混凝土试验研究与施工[J].现代隧道技术，2004，41(6):25-31.Gu Lianping，Li Peian，Yu Zhihai，et al.Study on the high performance concrete with early strength under Low temperature for the construction of Fenghuoshan tunnel on Qinghai-Tibet railway[J].Modern Tunnelling Technology，2004，41(6):25-31.

[6]张德华，王梦恕.青藏高原永久冻土区隧道施工新技术[J].岩石力学与工程学报，2004，23(24):4234-4237.Zhang Dehua，Wang Mengsu.New technology for tunneling in permafrost in qinghai-tibet plateau[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23(24):4234-4237.

[7]中华人民共和国铁道部.TB1003—2005 铁路隧道设计规范[S].北京:中国铁道出版社，2005.

[8]中华人民共和国铁道部.铁路工程设计技术手册·隧道[S].北京:中国铁道出版社，1995.

[9]孙兵.寒区隧道衬砌冻胀力及其作用等级研究[D].成都:西南交通大学，2009.

[10]马万一.坑(隧)道涌水的预测与防治[J].铁道工程学报，1990(4):90-95.

[11]唐光谱，刘西拉.基于唯象损伤观点的混凝土冻害模型研究[J].四川建筑科学研究，2007，33(3):138-143.Tang Guangpu，Liu Xila.A study on concrete frost model in view of phenomenological damage theory[J].Sichuan Building Science，2007，33(3):138-143.

[12]蔡昊.混凝土抗冻耐久性预测模型[D].北京:清华大学，1998.

[13]水利水电科学研究院结构材料所.大体积混凝土[M].北京:水利电力出版社，1990.

[14]潘华，邱洪兴.基于损伤力学的混凝土疲劳损伤模型[J].东南大学学报，2006，36(4):605-608.Pan Hua，Qiu Hongxing.Fatigue model of concrete based on continuum damage mechanics[J].Journal Of Southeast University(Natural Science Edition)，2006，36(4):605-608.