我对隧道冻害的基本认识

关宝树

(西南交通大学，成都 610031)

严寒地区也不是所有隧道都发生冻害的，这说明是否发生冻害是有条件的，只有搞清楚这些条件，才能对冻害的预防和整治给出明确的答案。

解决这个问题的前提条件是:搞清楚围岩的冻融特性。

众所周知，围岩的冻融特性与围岩构造、组成成分、性质、围岩含水量以及温度有关。

围岩的冻融特性主要表现在:冻结过程中的冻胀力和冻融过程中对围岩的损伤(构造破坏、强度丧失等)。因此，预防冻害就是要预防在冻融过程中对围岩的损伤。也就是说，要减少冻融循环的次数及其对围岩损伤的力度(图1)。

图1 冻融循环的特征概念

防冻害要以“围岩为本”，要在围岩上做文章。

影响围岩冻融特性的因素是什么?我主要从以下几个方面进行讨论。

1 围岩含水量与冻害的关系

没有地下水，也就是说围岩不含水，就不会发生冻结，也就不会发生冻害。

即使围岩含水，视其含水量，会冻结，但不一定发生冻害。

只有围岩含水，而且含水量大于某一限界时，围岩才会发生冻胀，其冻融过程才会造成对围岩的损伤，从而产生隧道冻害。

解决这个问题的关键——围岩的冻胀性(冻融特性)与围岩含水量的关系。

日本通过未固结围岩的试验，得到含水量与冻胀率的关系示于图2。含水量越大，冻胀率也越大。含水量在20%以下时，冻胀率都在10%以下，是很小的。这样的冻胀率是不会产生冻害的。

图2 围岩冻胀率和含水量的关系

日本对围岩的耐久性进行了不少研究，例如在“冻融循环作用下岩石的破坏过程和耐久性评价”一文中，对12种岩类，进行了质量损失、吸水率、动弹性系数、P波速度等的试验，并提出了评价岩石在冻融循环作用下的耐久性的方法。研究采取了裂隙发育的岩石和具有层状构造的岩石等样品12种为对象，进行了300次冻融循环的试验。12种岩石样品包括砂岩、绿色岩、泥质片岩。砂岩和绿色岩有方解石贯入，泥质片岩a是沿片理裂隙发育的，泥质片岩b是几乎没有裂隙的。此外还包括凝灰岩和溶解凝灰岩、石灰岩、安山岩、白云岩、片岩及泥岩等。这些样品有的是裂隙发育的，有的是侵入岩脉，有的是破碎的。因此在试验时要注意软弱面的影响。

下面是一些试验结果及其考察。

1.1 破坏的发展过程(图3)

图3 冻融试验的岩石试件的破坏过程

300次冻融循环的未破坏岩石的质量损失列于表1。

表1 300次冻融循环的质量损失和吸水率

由表1可知，300次循环，未破坏岩石的质量损失都在0.17%以下，几乎没有产生剥离。而发生破坏的岩石的质量损失则如图4所示。其中泥岩最为显著。

1.2 吸水率

泥质片岩a、凝灰岩、溶解凝灰岩的吸水率示于图5。

1.3 X线CT的内部观察(图6)

为了解决隧道冻害问题，我们必须从围岩冻胀性着手进行系统的研究。不了解围岩冻胀性与含水量的关系，就不可能彻底地解决隧道的冻害问题。

从围岩含水量出发，一般说含水量在20%以下，可以发生冻结(冻胀)，但不会发生冻害。这是判定是否发生冻害的一个准则。

图4 质量损失与冻融循环数

图5 吸水率与冻融循环数

2 发生冻害的围岩(地质)条件

在调查既有隧道和室内试验的基础上，日本认为冻害主要发生在:

新第三系的沉积岩及垆坶质的破碎物;

发生冻结的隧道衬砌背后的围岩，都发生了围岩冻胀现象，这是隧道产生变异的外力根源;

新第三纪中～上部的软质而且细粒的泥岩及凝灰岩;

吸水量20%以上的软质的泥质岩及凝灰质岩;

岩石因长年风化作用而破碎的场合;

中硬岩～硬岩的地质中，变异一件都没有发生。

这说明，在大多数围岩中，特别是中硬岩～硬岩的围岩中，基本上不会发生冻害。也就是说，这些围岩即使含水量超过20%，也不会发生冻害。工程实践也证实了这一点。

图6 各种岩石试件的CT断面三维显示

日本通过室内试验，也说明以单轴抗压强度为界，冻胀率有很大差异。即:岩石强度在5.0 MPa以下，冻胀率很大，但在5 MPa以上几乎没有发生冻胀(图7)。图8是单轴抗压强度正好在5 MPa，冻胀率是5%的冻结状态。试验前基本上是均质的，冻结后一部分开裂，解冻后试样从开裂处破坏。

图7 单轴抗压强度和冻胀率的关系

图8 冻胀试验后的状况

3 发生冻害的温度条件

从发生冻害的隧道调查中，可以看到，在同一座隧道中，发生冻害的部位是不同的。这除了与上述两个因素有关外，主要是由温度条件决定的。

一般说，当隧道超过一定长度后，冻害基本上发生在洞口附近，因此，洞口段是防冻害设计的重点。

围岩冻结只在冬季发生。

变异具有明显的季节变动特性(图9、图10);变动量:开裂宽度在5～10 mm;净空位移在10～40 mm。与混凝土的温度膨胀、收缩有明显的区别。

图9 隧道开裂和温度的关系

冬季发生的变异，夏季不能完全恢复，残留位移是累积的，到冬季时会急剧发展(图11)。

位移最大的情况，一般发生在3月，约与外气温有1个月的相位差，围岩的冻结深度也是此时最大。

是否发生冻害与累计寒度(冻结指数)有关。累计寒度定义是:1年中0℃以下的日平均气温之和。根据调查与事例分析，冻害一般发生的累计寒度大于400℃·d以上的地域。图9的数据也说明了这一点。在进行事例调查中，要关注累计寒度的数据。这是判定是否发生冻害的一个基准。

图10 开裂宽度的变化(中山隧道)

图11 衬砌位移的变化

4 冻胀力与冻害的关系

冻胀力是因水冻结后的体积膨胀所引起的。冻胀力的特点之一是向约束小的方向膨胀。特点之二是冻胀力不是均匀分布的，而是局部集中分布的。

第1个特点决定了对衬砌的冻胀力，一般说是不大的。衬砌背后的围岩的冻胀是受到约束的，但在冻胀过程中，由于围岩裂隙的存在，冻胀多数场合是向围岩深部挤压，因而，大大减小了向衬砌侧的挤压。这是对衬砌的冻胀力小的主要原因。

第2个特点可以用图12的在隧道周边围岩中水的存在加以说明。一般说，在裂隙围岩中，水并不是均匀地分布在隧道周边的围岩中，多数是局部存在的(与围岩渗透系数的各向异性有关)，因此发生的冻胀也不可能是均匀分布的。

通过调查和测定，衬砌受到的冻胀力，例如，东北林区的朝阳2号隧道，现场实测的冻胀力仅为25～200 kPa，是不大的。这与围岩冻胀机制有关。

因围岩冻结产生的隧道变异，净空断面的大小会随着季节而变动，如图13所示。因此，日本研究了既有隧道净空缩小量与冻胀率的关系。图14是其结果，但数据非常离散，冻胀率在20%以下时，断面缩小量最大是4 mm，非常小。此值与混凝土因温度变化引起的净空断面缩小量相同。因此，以围岩冻胀率20%作为可能使隧道产生冻害的大致标准，并以此来推定冻胀力的大小。

图12 冻胀力与冻害的关系

图13 冻胀力造成隧道变异的基本模式

图14 冬季内净空断面缩小量和冻胀率的关系

5 围岩冻胀性的判定

综合上述，日本建议的围岩冻胀性，以不发生冻害为目的，一般可根据表2的基准判定。

表2 围岩(岩石)冻胀性的判定指标

上述的研究表明:只要把围岩的含水量控制在一定水平之内，围岩即使发生冻结，围岩发生的冻胀力也不会产生冻害。这个研究成果，需要进一步加以验证。

6 隧道初期缺陷是发生冻害的重要因素

多数冻害的发生与隧道初期缺陷的存在有关，如衬砌的初期开裂、衬砌背后存在空洞、施工质量欠佳等。

隧道初期缺陷表现在以下几个方面:

衬砌混凝土初期开裂;

防水板铺设不良、破损;

衬砌背后回填不密实、存在空洞;

衬砌厚度不足;

排水系统不完善等。

在寒冷地区，具有上述初期缺陷的隧道，易于发生冻害。

实际上，在严格按照规范和工艺要求施工的隧道，基本上是不会发生冻害的。

7 隧道防冻害设计的基本原则

(1)不让衬砌背后地下水冻结——根据当地温度条件设置一定厚度的保温层，使衬砌背后的温度保持在不使围岩发生冻结的范围内;

(2)尽可能地减少衬砌背后一定范围围岩的含水量——根据地下水赋存状况，采取注浆方法将该部分围岩的含水量降低到围岩即使冻结也不会造成危害的程度;

(3)建立一个通畅的，不经由隧道内排出地下水的排水系统;并对排水系统采取保温对策;

(4)提高初期支护和二次衬砌施工技术水平，确保完成的隧道不存在初期缺陷。

根据上述原则，建议如下:

(1)加强对围岩冻胀性的基础研究，建立以“围岩为本”的设计理念;

(2)把预防冻害的发生，建立在尽可能地减少围岩含水量的基础之上，这是一劳永逸的对策;

(3)在上述对策的基础上，在洞口段设置适当的保温设施(如隔热层等)，把衬砌背后的温度控制在不使围岩发生冻结的温度以上，作为辅助对策;

(4)不管是“全包”防水或“半包”防水，都应设置良好的、通畅的排水系统。

8 预防冻害的设计方法

预防冻害的设计，实质上是对围岩、衬砌混凝土(包括喷混凝土)及隔热材料的热传导率与温度关系的设计。因此必须搞清楚三者的热传导率的特性。

(1)在预计可能发生冻害的隧道，设计时首先要搞清楚围岩的导热性(热传导率)。

在设计中，确定围岩的导热率是很重要的，但这个问题并没有解决。例如日本北海道地区，约有200余座公路隧道。其中半数约106座，有开挖时的地质描述，多数是在安山岩、玄武岩、砂岩、泥岩、凝灰岩、黏板岩中修建的。从计算隔热材厚度出发，需要安山岩、砂岩、泥岩、凝灰岩、黏板岩、花岗岩等等热传导率数据。因此，对这些岩石进行了热传导率的测定。共取试样1 043块，测定结果列于表3。

热传导率的测定值变化在0.3～5.3 kcal/m·h·℃比较广泛的范围内。凝灰岩、泥岩、砂岩的热传导率比较小，花岗岩、黏板岩的值比较大。安山岩居于中间。不同岩类热传导率的变化见表3。

表3 不同岩类热传导率的变化

目前计算隔热材厚度采用的围岩热传导率多取1 kcal/m·h·℃或2 kcal/m·h·℃。而从测定的热传导率(表3)，满足1～2 kcal/m·h·℃的仅为表3的1/3弱。特别是，黏板岩完全不在1～2 kcal/m·h·℃之内。因此，在计算隔热材厚度时，不能一概取1 kcal/m·h·℃。以表4为例，如果衬砌背后不产生冻结的隔热材厚度，在热传导率为1 kcal/m·h·℃的场合，是4 cm，则在2 kcal/m·h·℃的场合，隔热材厚度仅为其1/2。

表4 不同热传导率对隔热材厚度的影响

我们在过去的研究中，很不重视对这样的基础数据的研究，是很遗憾的。

(2)隔热材料的导热性(热传导率)

日本的隔热材料，基本上有2种，一种是板状隔热材料，一种是喷射隔热材料。在北海道的隧道中，曾进行这2种材料的耐火性试验。2种材料的基本性能列于表5。

表5 2种隔热材料的基本性能

我们目前多采用板状隔热材料，最近长安大学曾在雾凇岭公路隧道进行了在二次衬砌表面喷涂聚氨酯的方法施作保温层的方法，取得了良好的效果。

(3)二次衬砌混凝土及喷混凝土的导热性(热传导率)。

日本在隧道设计中，二次衬砌混凝土及喷混凝土的热传导率都采用1.3 kcal/m·h·℃。因此，了解混凝土及喷混凝土的热传导率也是很重要的。

混凝土的热传导率与其含水量有关。含水量在4.5%～9.1%变化时，混凝土的热传导率变化在1.2～1.6 kcal/m·h·℃。含水量越高，热传导率也越大。北海道地域的隧道衬砌混凝土的含水量在4%～7%，因此，混凝土的热传导率多采用1.2～1.3 kcal/m·h·℃。

(4)隔热层厚度的确定

日本确定隔热层厚度的方法，并不复杂，主要根据各地域的温度划分及围岩的热传导率来进行的。例如把北海道地域的温度条件划分为6个地域，如表6所示。

表6 12月～2月的平均气温(北海道地域) ℃

隔热层设定5 cm时，根据各地域及围岩热传导率的变化，隔热层背后的温度变化列于表7。

表7 5 cm隔热层时的隔热层背后的温度 ℃

如以隔热层背后温度在0℃以下，则当围岩的热传导率为1～2 kcal/m·h·℃，而且平均气温在-6～-10℃时，为保证隔热层背后温度在0℃以上，则需要的隔热层的厚度，列于表8。

表8 北海道地域隔热层必要的厚度 cm

这种模式化的设计方法是值得借鉴的。

编者注:此文是我国资深隧道专家关宝树教授在第八届铁路隧道年会上的讲座内容。关宝树教授对隧道冻害产生的机理进行了深入研究，特别是将日本在隧道冻害方面的研究成果进行了系统分析和提炼，对指导我国寒区隧道的勘察设计、施工及营运维护以及寒区隧道标准规范的制定，具有很好的参考价值。为了保持讲座内容的完整和原汁原味，本刊未对有关附图进行编辑修改，量和单位也未编修，以飨读者。