隧道冻害及其防治

摘 要：隧道衬砌的渗漏水在严寒地区就会转化成各种冻害，严重影响隧道的正常使用和运营安全。本文基于工程实际，对隧道冻害的成因及类型进行探讨。提出了冻害防治的几种方法。得出了综合治水和防寒保暖可以大大减少隧道冻害产生的结论。

关键词：寒区隧道 冻害 防排水 防寒保温

中图法分类号：U418.6； 文献标识码：A

隧道冻害是寒冷地区和严寒地区的隧道内水流和围岩积水冻结，引起隧道拱部挂冰、洞内网线设备挂冰、围岩冻胀、衬砌涨裂、隧底冰锥、水沟冰塞、线路冻害等，影响到交通运营和建筑物的正常使用的各种病害。

我国幅员辽阔，冻土地区分布广泛（其中多年冻土占整个陆地面积的1/5），现有的铁路、公路隧道相当一部分处于冻土分布地区。随着铁路和公路交通的进一步发展，在寒冷地区特别是西部地区修建的隧道不断增多，隧道冻害问题会随之增多，在建的青藏铁路格尔木到拉萨段有多座隧道在高原多年冻土区，青藏公路也有多座隧道位于高原多年冻土区。隧道冻害会导致衬砌冻胀开裂，甚至疏松剥落，造成隧道衬砌结构的安全可靠性，严重影响运输的安全和正常运行。可见对隧道冻害的成因及冻害的防治进行分析是非常有必要的。

1、隧道冻害的成因分析

1.1寒冷气温作用

隧道冻害与所在地区气温（低于0℃或正负交替）直接相关，温度变化冻融交替是主要原因。

1.2季节冻胀圈的形成

季节性冻害隧道中，衬砌周围冬季冻结、夏季融化范围的围岩，沿衬砌周围各最大冻结深度连成的圈叫季节冻胀圈。当衬砌周围超挖尺寸不等，超挖回填用料不当及回填密实度不够产生生积水，形成冻结圈。修筑在多年冻土中的隧道，衬砌周围夏季融化范围的围岩，称为融化圈。

隧道两端冻结段长度不一定相等。同一座隧道内，季节冻结段的长度恒小于洞内季节负温度段的长度。隧道的排水设施如埋在冻结圈内，冬季易发生冰塞。

1.3围岩的岩性对冻胀的影响

在隧道的季节冻胀圈内如果是非冻胀性土，不会发生冻胀性病害。因此，如果季节性冻结圈内是冻胀性土，更换为非冻胀性土是有效的整治措施。

1.4隧道设计和施工的影响

隧道在设计和施工时，对防冻问题没有考虑或考虑不周，造成衬砌防水能力不足，洞内排水设施埋深不够、治水措施不当，施工有缺陷，都会造成和加重运营阶段隧道的冻害。

2、隧道冻害的类型

2.1拱部挂冰、边墙结冰

隧道漏水冻结，在拱部形成挂冰，不断增长变粗；在边墙形成冰柱，多条相近的冰柱连成冰侧墙；如不及时清除，挂冰、冰柱和冰侧墙侵入限界，对行车安全造成严重威胁。

2.2围岩冻胀破坏

围岩冻胀破坏产生的条件：①.Ⅳ～Ⅵ级围岩和风化破碎、裂隙发育的Ⅲ级围岩。②.在隧道冻结圈范围内含水率达到起始冻胀含水率以上，并具有水分迁移和聚冰作用条件下。

（1）隧道拱部发生变形与开裂

（2）隧道边墙严重开裂

（3）隧道内线路冻结

（4）衬砌材料冻融破坏

（5）隧底冻胀和融沉

3、隧道冻害防治

3.1保温防冻

隔热法是在衬砌表面或初期支护与二次衬砌之间设置隔热材料，使围岩的热量在冬季不溢出隧道衬砌，并保证隔热材料的表面在冰点以上，从而防治冻害发生。

（1）对于建成隧道常用形式：U型沟槽法、表面隔热法

在接缝、开裂等漏水、冻结处挖U型沟槽，插入隔热材料或张挂在衬砌表面，防止冻结，形成线状导水孔道。

（2）对于在建隧道保暖防冻的措施是加设隔热层

3.2综合治水

隧道冻害的根本原因就是围岩地下水的冻结，如果能将水排除在冻结圈外，杜绝水进入冻结圈，就能达到防止冻害的目的，因此，综合治水是防治冻害的最基本措施。

综合治水的方针：“防、排、堵、截”。具体措施：①加强接缝防水，防水材料要有一定抗冻性，以消除接缝漏水。②完善冻害段隧道的防、排水系统，消除衬砌背后积水，并防止冻结圈外的地下水向冻结圈内迁移。

3.3新建和改建排水设备

要求实测隧道内最大冻结深度，合理确定水沟埋深；严寒地区宜把主排水沟设在冻结圈以下，并要最大限度地降低冻结圈内围岩的含水率。

寒区隧道常见的排水方式：深埋渗水沟、防寒泄水洞

①深埋渗水沟。适用于严寒地区，最冷月平均气温低于-15 ℃、当地黏性土冻深在1.5--2.5M，水量小的条件。②防寒泄水洞。适用于严寒地区、最冷月平均气温低于-25 ℃， 当地黏性土冻深大于2.5M、水量较大的条件。

3.4更换或改造土壤

将冻结圈内的围岩更换或改造，将冻胀土变为非冻胀土、渗水性强的粗粒土或保温隔热材料，从而达到防治冻害的目的。

更换土壤一般是将砂黏土、粉砂、细砂更换为碎、卵石或炉渣，换土厚度为多年冻深的0.85-1倍，同时加强排水，防止换土区积水。

改造土壤一般采用压浆固结方法固结冻结圈内岩土，消除冻胀性。也可以采用在冻结圈注入憎水性填充材料，使之堵塞孔隙，阻止土中水分迁移和聚冰作用。

4、工程案例

4.1工程概况

乌鞘岭隧道位于兰新线兰武段打柴沟车站和龙沟车站之间， 为两座单线隧道，隧道长928M，隧道埋深20～60M，隧道高程2926.09 ～2914.5M。

4.2地质水文介绍

一年中冬季长达7个月，山顶积雪终年不化；四季雨水丰沛，地区年平均降水量133.4mm，年降水133.4d。隧道通过地区岩层破碎，节理裂隙发育；在隧道进出口附近各有一断层带垂直穿越线路。特殊的气候，加上破碎、裂隙发育的岩层使得绝大部分降水就地下渗。

4.3病害概述

隧道运营30年来，进口至出口前约800m段普遍渗水。多在起拱线及边墙渗出并沿壁面流淌，拱顶渗水滴漏于两轨之间。秋末至次年夏初，渗水冻结成冰布满边墙及钢轨两侧。而且地下水渗漏地段，机车排放烟气中二氧化碳溶于水，使衬砌受到腐蚀。壁面普遍鼓胀剥落。上述病害严重影响了行车安全，长期困扰着运营及维修养护部门。

4.4整治措施

地下水渗漏导致冬季洞内结冰是乌鞘岭隧道的主要病害。因该地区基岩连通性很差，地下水分布不均，故利用避车洞，在洞外向上打扇状排水，降低地下水位。整治施工时，在洞身两侧开掘排水洞室，并以扇状形式向上钻探排水孔，每孔长0 ～15M不等，将地下水引入中心排水沟。竣工后，回访洞顶、边墙渗水点基本消除，保证了列车正常运行。

实践证明，整治地下水病害，必须查清隧道的水文地质条件，特别是查明基岩裂隙水的特征及地下水的分布规律，这对整治方案的确定至关重要。

5、结语

水是寒区隧道发生各种冻害的重要因素，采用“防、排、堵、截”的综合治水方针。完善防排水体系，设置防寒保温层，设计合理的衬砌形式提高衬砌强度，加强防水堵漏等方面。同时，应该注意运用最新的科技成果，采用新型保温隔热材料进行隧道冻害防治。

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