严寒地区隧道保温及防排水技术研究

张 旭 东

（中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京 100024）

0 前 言

随着路网日益完善，铁路和公路基础建设正向着高纬度、高海拔等气候条件恶劣的寒区延伸。大量寒区隧道建设和运营实际情况［1-2］表明，由于低气温而引起的病害普遍存在于既有铁路和公路隧道中，这些冻害对隧道结构造成了严重的破坏，给隧道运营埋下了重大安全隐患。通过对严寒地区隧道调研得知，寒区隧道中有超过八成存在不同程度的冻害，有诸多隧道衬砌发生渗漏，混凝土剥落、开裂、沉陷等问题。这些冻害隧道的运营、养护耗时费力，且成本惊人，因此当前解决隧道冻害问题迫在眉睫，十分关键。

1 国内严寒隧道冻害调查

秦青公路梯子岭隧道［1］位于河北省秦皇岛市青龙县，全长1400m，1993年8月开工建设，1994年12月竣工交付使用。由于早期对隧道冻害认识不足，隧道并没做专门的防排水措施，也仅在洞口100m段施作了模筑混凝土衬砌。1995年末，仅运营了1年的隧道就发生了严重的冻害问题，路面结冰，拱顶滴水形成冰溜、冰柱，于1996年被迫停运。1997年3月开始改建，主要是在原无衬砌段落增加衬砌混凝土（一次套衬施工），并恢复原破损的路面结构。1997年8月改建项目竣工，再次运营后，同年冬季又发生了轻微的冻害，衬砌出现了开裂、路面结冰的情况。直到2000年进行第二次改建，冻害问题才基本消除。针对冻害采取的措施为：在现有隧道衬砌表面铺设防排水板和透水管，洞内两侧排水沟采用防冻保温水沟，形成新的防冻排水系统；在防水板表面铺设防冻隔温层；重新立模浇筑混凝土（二次套衬施工）。

祁连山隧道［2］位于甘肃与青海交界的祁连山脚下，冻害主要发生在洞门端墙处。调研得知，为根除冻害，采用的主要措施有以下3项：①全隧道设置双侧保温侧沟及中心排水管，中心排水管置于冻结深度以下，侧沟采用双层保温盖板；②在隧道进出口500m范围内设置夹层保温衬砌；③在夹层保温板背后敷设1.5mm厚EVA防水板。

国道317线鹧鸪山隧道［3］在四川省阿坝藏族羌族自治州理县与马尔康县交界处，隧道保温用4cm厚的聚酚醛泡沫材料，进出口设防长度均为500m，并且两个隧道口分别施作中心保温水沟将衬砌背后水排出洞外。

2 隧道冻害机制分析

通过对寒区隧道的调查得知，国内寒区隧道主要冻害类型有：衬砌漏水和挂冰；隧底冒水、积冰冻胀；衬砌开裂、酥碎、剥落；洞门墙开裂；排水系统冻结；洞口热融滑塌等。各类冻害的成因［4］有以下几个方面。

2.1 衬砌漏水和挂冰

隧道处于寒冷地区，加之年降水量大、地下水丰富等原因，当隧道排水系统不畅时，地下水很容易从隧道内衬砌的裂隙中渗漏，一般多发生在拱墙与仰拱交界的纵向施工缝处、环向施工缝处以及由于施工质量不过关造成的衬砌结构薄弱环节处，且隧道内渗水的水量和渗水位置均不确定。由于水结成冰后，体积将会增大，产生的冻胀力达到一定程度后，衬砌结构会出现开裂和破坏的情况，由此加剧了衬砌混凝土的破坏，逐渐积累形成一串串冰柱，侵入隧道的建筑限界，严重影响行车安全。

2.2 隧道底部冒水、冻胀

由于地下水一般具有一定的承压性，在隧道洞内排水系统不畅时，水就会从隧道底部渗漏到路面上，渗出的水在洞内较低的气温下逐渐冻结成冰，少量的水会使正常行驶的汽车打滑，甚至刹车失灵，造成较为严重的交通事故。当地下水较为丰富时，源源不断的地下水将冻结成片，进而形成一个个冰锥，此现象在我国东北地区较为常见。

2.3 衬砌开裂、冻碎、脱落

衬砌环向开裂是指垂直于隧道轴线方向的开裂，这种开裂在寒区隧道中较为常见。环向裂缝多发生在混凝土结构的施工缝处，对拱形隧道结构而言，环向裂缝对隧道衬砌结构的整体受力影响不大，但由于衬砌表面环向裂缝的存在，增加了围岩地下水的渗流通道，加剧了隧道衬砌结构的冻害，环向施工缝周围的混凝土将会被冻碎。这既影响隧道结构安全，也影响隧道洞内美观。

衬砌纵向裂缝和斜向裂缝的产生通常与隧道的结构形式有关。一般来说，早年修建的直墙式隧道要比曲墙式隧道更容易产生此种类型的裂缝，且多发生在结构承受较大弯矩处，例如拱腰和墙脚部位。

2.4 洞门墙开裂

寒区隧道洞门墙开裂是洞门主要的破坏形式。由于寒区隧道气温较低，普通的素混凝土洞门端墙施工质量难以保证。由于混凝土的收缩裂缝，且混凝土本身抗拉强度较低，洞门端墙混凝土极易造成拉裂破坏。因此寒区隧道的洞门端墙宜采用钢筋混凝土结构，有效增加整体的抗拉性能。

2.5 排水系统冻结

寒区隧道冻害产生的根本原因之一是隧道内排水系统的失效。目前，国内隧道防排水设计理论是“以排为主、防排结合”，但并未过多考虑洞内的低温对排水系统的影响，当排水系统设置在冻结深度以上时，排水管沟本身就会冻结，冻结的水并不能有效排出洞外，导致形成了一个“冰坨管”。

2.6 洞口热融滑塌

洞口热融滑塌多发生在次年3—4月，隧道洞口处黏土边坡白天融化，夜晚冻结，在这种周期冻融循环的作用下，隧道洞口边仰坡出现失稳，此种现象称为洞口热融滑塌。

3 寒区隧道的保温措施

保温层法由于具有保温效果好、施工方便、经济性好等特点，是国内目前最主流的隧道内保温措施。保温层法最佳适用范围为最冷月平均气温-15～0℃的地区。保温层主要有三种铺设方法，分别是表面喷涂法、表面铺设法和中间铺设法［4］。但最冷月平均气温更低的情况下，保温层法的效果并不好，建议采用主动的发热措施，例如电加热、暖风系统、锅炉取暖等。

表面喷涂法是指用压缩空气将含有保温材料、胶结材料、速凝剂等混合物的物料直接喷涂于衬砌结构混凝土表面，形成有效的保温隔热层。

保温层表面敷设法是使用紧固件将预先准备好的成品保温板敷设于二次衬砌结构表面，从而起到防冻隔热的作用。中间铺设法是指使用胶黏剂将预制好的保温板固定在初期支护表面或二次衬砌表面，黏结完成后再浇一层混凝土作为套衬（一般不配筋），达到防冻隔热的作用。

4 寒区隧道排水措施的建议

寒冷地区隧道防排水技术措施主要有侧式保温水沟、中心深埋水沟和防寒泄水洞，其主要思路是通过排除衬砌背后围岩中的地下水，从而达到减轻或消除冻害的目的。保证寒区隧道远离冻害的关键因素是设置完善、具有保温性能的防排水系统，从而保证排水系统在冰冻期不冻结。

最冷月平均气温在-10～0℃的寒冷地区，水沟可考虑不设保温措施，调查资料显示水沟也无冻结现象。但为防止衬砌结构冻害，工程可采用衬砌内敷设保温材料保护衬砌。最冷月平均气温在-15～-10℃、冬季有水且水量不是很大的隧道，可采用侧式保温水沟，水沟上敷设双层盖板，双层保温盖板边沟如图1所示。最冷月平均气温在-15～-10℃、冬季有水且水量较大的隧道，最大冻结深度小于1.0m，一般采用中心深埋水沟，水沟埋置深度应在冻结线以下，将中心水沟放在仰拱填充中，若最大冻结深度在1～2.5m之间，应考虑将中心深埋水沟放在仰拱结构层之下，施工时先施工中心深埋水沟，再施工仰拱结构及回填，且为方便检修，水沟深度一般不宜小于1.0m。隧道中心深埋水沟如图2所示。严寒地区最冷月平均气温低于-25℃、冬季有水的隧道，黏性土冻结深度大于2.5m，应设置防寒泄水洞（见图3）。

图1 双层保温盖板侧式边沟

图2 隧道防寒泄水洞排水系统

图3 隧道中心深埋水沟排水系统

5 结 论

由于岩体本身具有一定地温，如果衬砌表面温度大于或等于0℃，那么衬砌背后一定不会发生冻结。对于严寒地区公路隧道［5］，0℃可作为判断是否会发生冻害的临界温度。保温层法最佳适用范围为最冷月平均气温-15～0℃的地区。最冷月份平均气温-10～0℃有地下水地区的隧道应设置衬砌保温措施，水沟可不用考虑防冻。在最冷月平均气温-15～-10℃、最大冻结深度1.0～1.5m的地区，路侧边沟埋置深度有限，容易冻结，隧道内需设中心排水管沟。在最冷月平均气温-25～-15℃、最大冻结深度1.5～2.5m的地区，中心排水管沟已不能满足排水和防冻要求时，需设防寒泄水洞。防寒泄水洞应置于隧道路面以下3～5m，且拱部和边墙应设泄水通道。针对不同的气象条件和冻土深度选择合适的防排水措施，并提出“保温是前提、防水是基础、排水是核心”的冻害隧道防排水技术原则。