寒区隧道冻害形式和成因的分析与防治措施的研究

【摘 要】冻害是寒区隧道中最主要的病害，本文详细探讨了隧道冻害的多种表现形式，并从土中水、负温和边界约束三个方面分析了冻害产生的原因，最后提出了提高隧道结构自身的抗冻能力、防排水能力、保温能力和隧道围岩注浆法等防治措施。

引言

我国冻土面积分布非常广泛，有50%以上的国土面积属于寒区，对于位于寒区的隧道来说，存在各种各样的问题。通过对已运营的寒区隧道调查发现，寒区隧道中有80%以上都存在冻害现象，其中60%的隧道发生渗漏，24%的出现衬砌混凝土剥落、开裂、滑塌等问题，每年各地区和相关交通企业对这些冻害隧道的维修养护费用数量惊人，因此，深入研究和解决寒区隧道的冻害的问题势在必行。

1 寒区隧道冻害的主要表现形式

（1）衬砌开裂：多年冻土及严寒地区铁路隧道普遍存在衬砌开裂的问题，衬砌开裂分为环向、纵向及斜向三种形式。衬砌产生的温度应力和冻胀力的作用是寒区隧道产生开裂的主要原因。

（2）隧道洞口段冻胀破坏：处于多年冻土区的隧道，在隧道的进出口处也均处于多年冻土中，隧道开挖后，由于注浆、喷射混凝土、施工放热和模注混凝土而放出大量的水化热使得隧道开挖部分范围内的多年冻土出现融区，水化热释放完毕，隧道洞口部分开始冻结，导致初期支护和二次衬砌最终开裂、变形，从而出现渗水、挂冰等，严重的可使洞口严重变形以至倒塌。

（3）隧道贯堂风的病害：多年冻土区的外部大气常年平均气温基本在0℃以下，隧道内由于通风的作用，使得沿隧道纵向有可能形成一条冻结的柱状带，从而再次改变隧道内衬砌和围岩的应力状态。

（4）冰丘及冰椎：在多年冻土区的河滩、阶地、沼泽地及平缓山坡和山麓地带，常常会看到像坟丘一样的土包，大小不一，有的呈单分布，有的成串成片分布，这些丘状的土包称为冰丘，也称冻胀丘。当隧道进出口在富水区时，就有可能在进出口的明洞或洞门口或明洞内形成冰丘，直接导致东门开裂和错台，有的甚至破坏洞内衬砌。当隧道的进口处于低洼富含水地段时，就有可能在条石砌筑的洞门墙下或洞顶边坡坡脚处形成危害性极大的冰椎；当隧道内排水性能不好时，水也会从洞门与路基边坡的坡脚处渗出形成冰椎。

（5）雪崩：多哦面冻土地区冰雪常年覆盖，而且覆盖的积雪一般很厚，洞门后的积雪在外界动荷载作用下，如地震、附近地区雪崩、泥石流、雷声、爆破等，会生雪崩，弯曲堵塞洞门和路面。

（6）地下冰：在多面冻土地区天然上限附近往往存在着一层冰，有几厘米至几米，其厚度不一。这种层状多为地表水下渗转移到冻结锋面上逐渐形成的。

（7）壁面结霜和结露：在隧道严冬期，入侵隧道的空气温度远低于隧道危岩的地温，故壁面温度高于气温而结霜。暖季，入侵隧道的气温高于此间冻结壁表明温度，此间洞内温度已上升，但因气温高于零度，故此间经常出现结露现象，使隧道衬砌表明呈湿润状态。

（8）融沉：融沉是多年冻土地区路基主要病害之一，也是隧道的主要病害之一。融沉一般发生在含冰量大的地段，当隧道洞门的多年冻土上部或路堑边坡上分布有较厚的地下冰层时，由于地下冰层埋藏较浅，在施工或运营过程中各种人为因素的影响下，多年冻土层局部融化，上覆盖土层在土体自重和外力作用下产生沉陷，造成洞门或洞口墙的严重变形。这种变形表现为洞口下沉、明洞段下沉、洞口墙开裂甚至倒塌等。

（9）冻土沼泽：在多年冻土地区广泛存在，降水集中、植被茂密、气温很低，地表水不易下渗等现象，因而在沟谷地、河流地、洪积阶地、缓山坡以上及分水岭垭口处发育有许许多多的冻土沼泽。这些沼泽也因所在泥炭厚薄、沼泽底土层性质等地质条件和沼泽位置的不同而类型不同。

2 寒区隧道冻害产生的原因

（1）与土中水分的关系：根据试验资料，基础（混凝土）的温度比周围土体温度平均要低-0.2℃~-0.4℃，实际观测，混凝土的冻结深度比周围土层的冻结深度大1/5。冻结过程中首先在基础周围先出现冻结锋面，水分向冻结锋面迁移，产生析冰作用，混凝土壁表面形成一层薄冰，厚度一般为1~2mm，有的更厚些，基础埋置与融化土层中时底面出现“冰霜”的冰晶。隧道结构也是建立在土体和围岩中一种特殊的基础，所以寒冷地区隧道结构周围也会出现上述一般基础所遇到的水分迁移现象。

（2）与土中负温的关系：冻胀土与土中负温的关系相当密切，温度降低，冻胀力则增大，粘性土的冻胀力随着土中负温的变化关系可分为三个区段：土温0℃~3℃为冻胀力剧烈增长区，该区段中，所产生的冻胀力值约占最大冻胀力值的60%；-3℃~-14℃为冻胀力近似于线性关系的缓慢增长区，这区间所产生的冻胀力值约占最大冻胀力值的30%；低于-14℃以下土温，冻胀力的增长极微，为几乎近于相对稳定的区段。

（3）与边界约束条件的关系：当土体或岩体内发生冻胀时产生冻胀力的大小与周围约束条件有很大的关系，一般来说，可发生的自由变形位移量越小，约束刚度越大，冻胀力就越大，冻胀土体的破坏性就越强。

3 寒区隧道冻害的防治措施

（1）提高隧道结构自身的抗冻能力：提高隧道结构自身的抗冻害能力主要采取的措施有：衬砌使用抗冻混凝土、增大衬砌厚度和衬砌使用钢筋混凝土。使用抗冻混凝土和增加衬砌厚度可以有效的防止衬砌混凝土的冰冻破坏，但对于局部存水冻胀破坏和冻胀性围岩中隧道结构的冻胀破坏，还要采用钢筋混凝土结构作为二次衬砌，才可以有效地防止衬砌开裂等冻害，提高结构的承载能力。

（2）提高隧道的防排水能力：高寒地区隧道的冻害的根源来自于水，无论是冻胀性冻害还是由于水沟漫水结冰造成的冻害都离不开水的作用，因此高寒地区隧道的防排水措施是冻害防治的基本措施之一。在防水方面：防水板材料的选用既要延伸率大又要抗拉伸强度大，避免使用容易发生脆性破坏的材料；在初支与防水层之间要设环向排水管，同时也要做好施工缝的防水工作。在排水方面：做到隧道内部系统排水，排水系统要由环向透水盲管、纵向排水管、双侧保温水沟、中心深埋排水沟、检查井以及保温出口构成；在仰拱下要设置横向排水管，施工过程中排水管上方设置一定的缓冲层，以免荷载直接对其施压，造成横向排水管破裂或变形，影响其正常的排水能力。

（3）提高隧道的保温能力：提供啊隧道的保温能力可在隧道双侧设置保温水沟和将隧道衬砌表面敷上隔热材料来防止季节融化层的冻融作用，这两种方法可以有效地防止隧道衬砌表米娜的温度降至冰点以下；此外，对于不需要经常通风的隧道还可以采用防寒门法，在隧道的进出口安装双层防寒门，来阻止隧道内热空气与隧道外冷空气的交换，进而达到保温的目的。

（4）隧道围岩注浆法：隧道衬砌背后的局部存水冻胀对隧道的破坏作用很大，而隧道围岩的注浆技术的应用不仅可以增大围岩强度、增强围岩稳定性、防漏、止水，还可以减轻和防止隧道冻胀，因此，通过隧道围岩注浆，可以有效的消除或减少这种局部存水空间，并能减少围岩裂隙水的含量，进而防止或减轻冻害的发生。

4 结束语

综上所述，隧道冻害有着多种表现形式，并且它们的产生都与土中水、负温和边界约束条件有着密切的关系，因此提高隧道结构自身的抗冻能力、防排水能力和保温能力才是解决寒区隧道冻害的根本措施。

参考文献

[1]王星华等.高原多年冻土隧道工程研究.北京：中国铁道出版社，2007

[2]胡蕊芬；陈耀华.隧道冻害的形成与治理.山西建筑2008（11）

[3]苏林军.寒区隧道冻害预测与对策研究.成都：西南交通大学硕士学位论文.2004

[4]孙文昊.寒区特长公路隧道抗防冻对策研究.成都：西南交通大学研究生论文.2005

[5]魏恩义.高寒地区隧道防排水方案的选择.铁道标准设计通讯，1990，（8）：7—11

[6]杨彦民.高寒区大阪山公路隧道设计.北京：人民交通出版社.2002