寒区隧道冻害现象形成机理及抗防冻设计研究

毛耀辉

【摘要】通过大量资料研究及实地调查分析，得出寒区隧道主要冻害形式及形成机理，为我国北方地区修建隧道提供技术支持。

【关键词】寒区隧道； 冻害； 形成机理

1 引言

高寒区的公路铁路隧道因受独特的气候影响，在施建及营运过程中除常规性病害之外还有衬砌开裂、酥碎、剥落、顶部及边墙挂冰，底部滴水、洞门墙开裂及洞口热融滑塌等特殊病害形式。这些冻害使得隧道衬砌遭受不同程度的损伤与劣化，且出现的挂冰、冻胀侵入建筑限界而危及行车安全，不仅造成较大的安全隐患，也降低了隧道的使用功能。在我国北方地区由于较大差异的温差现象引起隧道围岩间液体的冻融循环，冻胀变形对围岩及隧道结构产生不可逆的损伤性，并加剧围岩缩胀、损伤、开裂等一系列物理变化及可能的化学，使得围岩失稳及隧道冻害现象显著出来。

2 主要冻害现象分析

对高寒区大量隧道冻害实例进行调查分析，可将寒区隧道冻害现象分为五类：①衬砌漏水、挂冰；②衬砌开裂、酥碎、剥落；③洞门墙开裂；④隧道底部冒水、积水、冻胀；⑤隧道洞口处热融滑塌。

（1）衬砌漏水、挂冰

在排水系统不通畅的情况下，围岩内的地下水或融冰水由隧道衬砌向内渗漏。渗漏水量的大小和出水点的位置不固定，随年降水量的变化而变化。渗漏水量及位置随衬砌后背储蓄蕴含量及衬砌质量有关，一般说来，衬砌后背水量充足衬砌质量越差则渗漏量越多，且主要在施工缝或混凝土含蜂窝及麻面的地方渗漏。在温度在冰点之下时渗漏水凝固成挂冰，主要集中于拱顶部位。

（2）衬砌开裂、酥碎、剥落

衬砌裂缝形态可分为环向、纵向及斜向三种形式。衬砌产生裂缝的原因除围岩情况、混凝土质量、结构类型和施工影响等因素相关外，由于冻土地区气温的日较差及年较差都很大，衬砌所产生的温度应力与冻胀力是寒区隧道衬砌开裂最主要的原因。隧道衬砌环向开裂是垂直轴向的衬砌开裂，是寒区隧道出现冻害特性，其环向裂纹的形成及发展与地质关系往往不是很大，主要是集中于施工缝上。这些裂缝虽然对隧道衬砌结构的受力影响不大，但当其数量增多时为地下水渗漏提供了通道，且也导致衬砌受风化剥蚀作用也更为强烈。

（3）洞门墙开裂

隧道洞門墙的开裂，在隧道工程中较为普遍存在，但在寒区出现得具有其特性，隧道洞门墙产生开裂最主要的原因是温度应力的影响。由于高寒地区昼夜温差大，混凝土冷却收缩时而导致洞门墙中受拉破坏，且洞门墙后积水或含水围岩的冻胀加剧了开裂现象。

（4）底部冒水、积水、冻胀

因围岩中裂隙水具有承压性，在排水系统不通畅的情况下隧道底部可见冒水现象，低温季节形成冰锥，因此冰锥主要是有地下承压水引起的。产生底部冒水的直接原因是冻融循环作用，由于冻胀力的作用，使隧道衬砌的裂缝越来越大，沉降缝也越来越宽，防水层遭到破坏后，使带压的水能溢出，在排水不畅的情况下形成冻结。随着水的不断溢出在遇到外界低温时而形成底部积水、冻胀。

（5）洞口热融滑塌

当隧道出入口遇有厚层地下冰时，可能会产生热融滑塌。热融滑塌多产生在春融季节，当气温不断升高时，富含于冻土层中的冰开始融化，一方面，由于冰的融化失去了其对土颗粒的固结稳定作用，使土颗粒可以自由的游动。同时受水的渗流带动了土颗粒的游动，水对土颗粒空隙之间的填充也减少了土颗粒之间的磨擦力，起到了润滑剂的作用。这时，水的势能转化为动能，由于土颗粒间磨擦的减少，土颗粒在斜坡上失去力的平衡也开始运动，故而产生热融滑塌。

3 形成冻害的条件及力学机理研究

3.1形成冻害的必要条件

通过大量寒区隧道冻害研究可知，围岩发生冻胀的条件是环境温度在0℃以下且低温持续时间足够长；围岩为黏土粉砂之类的；围岩中含水量需达到冻胀的条件。围岩形成冻胀的条件可归纳为：

（1）冻结指数（即一年中0℃以下的日平均气温之和）大于-400℃·d；

（2）岩石的单轴抗压强度小于5MPa；

（3）围岩（土层）的含水率>25%；

（4）围岩（土层）中含粉沙以下颗粒含量>10%。

以上四个条件缺一不可，根据寒区隧道冻害产生的力学机理和工程实践，寒区隧道产生冻害的基本条件主要有四个：温度条件、水文条件、围岩条件、施工原因。为了消除或减轻冻害，针对寒区隧道冻害产生的基本条件，可以采取相应的工程措施进行处治，综合比较，应地制宜。

3.2 冻害力学机理

寒区冻土是一种特殊的具有负温或零温且含有冰的岩土体。按土体处于冻结状态的持续时间来划分冻土的类型为短期冻土、季节冻土及多年冻土。在多年冻土或季节冻土地区中，当温度降低到土体的冻结温度以下时，由于土体中的水变成冰就会逐渐形成冻土。冻土中冰主要以冰包裹、冰透镜体和冰夹层等形式存在。

4 工程实例抗防冻设计

丹通高速公路是东北区域高速公路网的重要组成部分，全长共196.6公里，是鹤岗至大连高速公路的关键性路段。错草沟隧道位于辽宁省东部的丹东市宽甸县牛毛坞乡与大川头乡之间，走向南西240°左右。该隧道左洞长3250米，右洞长3333.5米，是丹通高速公路控制工程，也是目前辽宁工程难度大、里程最长的双线分离式隧道，被誉为“辽东第一隧道”。

丹通高速公路错草沟隧道初砌混凝土采取湿喷法施工，添加的外加剂主要为速凝剂与减水剂，液体速凝剂对喷射混凝土强度、密实性、耐久性、回弹及成本有着重要影响，必须重视液体速凝剂试验与选择，包含以下六个方面：凝结时间与掺量试验（标准实验条件）；强度损失试验；与水泥和减水剂相容性试验；最佳掺量试验；水灰比敏感性实验（实际使用水灰比）；工艺性检测（杂质、沉淀）。

以错草沟隧道为例，根据外加剂的作用机理以及粗细集料、混凝土配合比与保温材料的工程技术要求，依据相关规范要求，对隧道衬砌混凝土进行材料选取及配合比设计，其步骤为以下四点：

（1）根据混凝土强度等级确定初步配合比设计；

（2）根据寒区隧道的特殊要求，观察拌合物的黏聚性和保水性对配合比进行调整；

（3）制作试件检测强度，根据配制强度找出相应水灰比，从而确定混凝土实验室配合比；

（4）根据寒区隧道的特性以及掺加的外加剂性能，换算成施工配合比。

5 结论

通过调研大量寒区已建隧道发生的冻害现象分析，进行其机理研究，从而归纳出寒区隧道冻害主要表现形式主要有衬砌漏水挂冰、衬砌开裂、剥落、洞门墙开裂、底部冻胀及洞口热融滑塌等。寒区隧道冻害形成条件有温度、水文、围岩性质及施工因素等，可有针对性地选取措施防治寒区隧道冻害的发生。

参考文献

[1] 赵楠，刘冲宇，伍毅敏等.寒区隧道冻害防治技术研究进展[J].北方交通， 2010， （9）：66-68.

[2] 周国恩. 基于ANP与模糊理论的寒区隧道冻害风险评估与管理研究[J]. 现代隧道技术， 2013， （1）：60-66.

[3] 王斌. 浅谈寒区隧道防冻保暖技术[J]. 建材与装饰， 2013， （33）.

[4] 熊旺.寒区双连拱隧道温度场规律及保温隔热方式研究[J].建筑工程技术与设计，2014，（17）.