寒冷及严寒地区隧道冻害发生机理及防治

摘要：在寒冷及严寒地区，隧道的冻害是非常容易出现的，并且不能进行根治，普遍的存在与高寒地区。目前在我国，高寒地区的隧道运营在逐渐的增多，因此系对冻害的相关问题要积极的分析防治，这样才能保证隧道的行车安全。基于此，本文对高寒地区冻害防治的相关问题进行了具体分析。

关键词：严寒地区；隧道冻害；发生机理；防治措施

中图分类号：U45 文献标识码： A

一、寒冷地区隧道的特点分析

1.寒区隧道内气温及围岩温度变化比较大

对于中短隧道洞中气温与大气温度基本相同年平均气温，在全年各时节沿隧道进程气温均大致呈抛物线型分布，隧道内各时节的气温较差与年平均气温较差是进出处大、中间段小，其差值是随隧道长度增加而减少。

2.寒区隧道洞壁开挖后围岩形成新的冻土层

对于开挖过程遇到的多年冻土围岩，围岩表层均要转变为季节性冻融层，季节融化层深度是进出口处大，中间段小。对于隧道围岩原属融化层，隧道开挖后围岩一般要形成新季节冻结层，其冻深也是进出口处大、中间段小。对于岛状多年冻土区与大片连续多年冻土区，隧道中融化围岩有可能由融土季节冻土多年冻土方向发展，形成新的多年冻土。

3.寒区隧道围岩与衬砌层要遭受反复冻融作用，造成强度损失

衬砌层与围岩在反复冻融作用下，将发生明显的强度损失。混凝土，特别是饱水混凝土衬砌层的强度损失是比较大的。围岩强度损失也不容忽视，特别是风化围岩，例如片岩、页岩等粘土质围岩强度损失是很大的。这种地层在寒区尤其是青藏高原的分布是很普遍的。

4.隧道衬砌层将反复遭受冻胀力作用

寒区隧道衬砌层后面含水围岩，每年均要发生冻结，产生冻胀，当冻胀受到受到衬砌层与围岩自身的约束就要引发冻胀力。研究表明，在相似含水条件与冻结条件下，冻胀力随围岩的冻结深度增大而增大；在其它条件相似时冻胀力随围岩与衬砌层的刚度增大而增大。

5.寒区隧道围岩所含水分的温度较低

寒区隧道围岩含水层水温普遍较低，据测试，在中季节冻土区围岩含水层水温一般为6～8℃，在深季节冻土区为4～6℃，而在多年冻土分布区一般为0～4℃。低温为渗入隧道或积于排水沟的水发生冻结提供了条件。

二、隧道冻害现象及其机理

在寒冷地区修筑隧道是基础建设中的一项特殊工程。由于受寒冷气候的影响，极易产生各种各样的冻害现象，如衬砌漏水、挂冰路面隧底冒水、积冰、冻胀衬砌变形、开裂、酥碎、剥落洞门墙开裂等。这些冻害一旦发生，不仅会使隧道衬砌遭到不同程度的破坏，而且挂积冰、冻胀还会侵入行车限界，危及行车安全，其后果不仅给隧道运营管理带来了很大的工程隐患，而且在冬季大大弱化了隧道的使用功能，造成了巨大的资源浪费和经济损失。

影响寒区隧道产生冻害的因素很多，主要有四个方面：

1.温度

当隧道围岩全年散失的热量与外界大气补给的热量达到动态平衡时，隧道围岩的温度仍会保持开挖前的温度，隧道就不会发生冻胀破坏。而寒冷地区隧道全年中寒冷时间很长，在全年中隧道围岩温度冷热交换的结果使围岩散失的热量大于外界大气补给的热量，从而导致隧道周围有新冻土层产生，新冻土层形成产生的冻胀力对隧道衬砌是极其不利的。隧道洞口处，可能出现外界大气补给的热量大于隧道围岩散失的热量的情况，使得原有的冻土层融化，导致热融滑塌现象的出现。2.水的影响

寒冷地区隧道围岩富含地下水，当温度降低到围岩的冻结温度以下时，围岩中的水冻结，引起体积膨胀，就可能发生冻害。围岩发生冻结的过程是地下水不断被吸收的过程，围岩的透水性和地下水位对围岩的冻结速度影响极大，围岩的冻结速度与围岩的渗透系数成正比，与冻结线到地下水面之间的距离成反比。

3.围岩因素

寒区隧道冻害的产生主要是因为围岩冻结膨胀受到约束而产生的冻胀力引起的。因此，那些抗压强度小、结构不密实、含水量大的围岩容易产生冻胀，造成破坏。

4.设计和施工因素

当以上三个条件都具备时，寒区隧道在设计、施工时采取的工程措施不当就可能导致隧道冻害的发生。

三、寒区隧道冻害防治思路

目前国内隧道冻害防治措施主要有：防排水法、防寒门法、铺设保温层法、供热法。

1.提高隧道衬砌结构抗裂性，

重视和加强基础数据测试和研究隧道结构开裂是渗漏水以及随之而来的冻害的前奏，有效的冻害预防措施首先应加强支护和加强二次衬砌的抗裂能力，采取柔性结构是否能够保证抗冻要求。

2.积极开发和应用新型隧道保温技术

目前，敷设隔热保温材料法是我国寒区隧道的主要防冻措施，即在衬砌表面或二次衬砌与初期支护之间设置隔热材料。常用的保温材料有聚氨酯泡沫、聚酚醛泡沫、聚苯乙烯、干法硅酸铝纤维等，这些材料的特点是导热系数低，吸水率低，易加工，加工厚度小等，但同时，这些有机的保温材料也存在易损坏、耐久性差等问题，实际保温效果在某些隧道中已表明不太理想，因此，应积极开发新的隧道保温技术。

3.隧道衬砌全面保温技术

隧道衬砌全面保温是指在隧道需要防冻的区段，在衬砌混凝土的表面或壁后整片地设置保温层。目前，对隧道采取保温措施来防止隧道冻害的发生已经在一些隧道中应用。国内应用最普遍的就是防冻隔温层，例如大坂山隧道、昆仑山隧道、风火山隧道、鹧鸪山隧道、梯子岭隧道等等，都采用防冻隔温层来进行隧道保温，但具体的施工方法有所不同，大坂山隧道和鹧鸪山隧道的防冻隔温层是设置在衬砌表面，而风火山隧道、昆仑山隧道和梯子岭隧道都是设置在初期支护和二次衬砌之间。这两种方法各有优缺点，且施工工艺各有不同。防冻隔温层的施工方法有两种，一种是设置在衬砌的表面，另一种是设置在衬砌的中间。设置到衬砌表面的又有两种施工工艺，一种是直接喷涂法，另一种是预制铺设法。

4.供热法一地源热泵型供热系统

寒区公路隧道地源热泵型防冻保暖技术目前在国内处于试验研究阶段，地源热泵型防冻保暖技术的原理：寒区隧道中部保持恒定正温可作为地源热泵利用的理想恒温层，可将此处设为取热段，在隧道施工过程中初支完成铺设防水版后，安设热交换管，再浇筑衬砌，从围岩中获取热能从而实现对隧道洞口段易冻结段的加热。如图1所示。

图1地源热泵型供热系统示意图

地源热泵型供热系统主要由取热段、加热段、热泵与分、集水管路四部分组成，可用于寒区隧道洞口段衬砌和排水系统的加热。取热段位于隧道中部恒温段，由环式串联的PE管组成；加热段安设在隧道洞口冻结段内，由安装于二衬、保温水沟内的供热管组成。在地源热泵供热系统的布设中，热交换管的布置是主要工作，取热段，加热段，分、集水管路均需要铺设大量的热交换管，这些管路联系起来，通过纵向总管与热泵连接，即形成了一个完整的热交换体系。

5.寒冷地区隧道防水层防水

寒冷地区隧道渗漏的原因很多，但最基本的原因则是防水层（第二圈层）破损，以及由衬砌混凝土与止水带组成的防水圈层（第三圈层）不严密。如果两个防水都十分严密，或者其中一层十分严密，即便是寒冷地区的隧道，也不应出现任何渗漏以及由此引发的各种冻害。

综上所述，通过对寒冷地区隧道冻害的分析，我们知道要有效的预防寒区隧道冻害，应从加强基础数据测试、提高隧道衬砌结构抗裂性、积极研发和应用新型隧道防排水措施、积极尝试主动的和被动的隧道保温技术等几方面入手，彻底改变寒区隧道病害多发而颇多无奈的现状。

参考文献：

[1]吴剑.隧道冻害机理及冻胀力计算方法的研究[D].西南交通大学，2004.

[2]苏林军.寒区隧道冻害预测与对策研究[D].西南交通大学，2007.

[3]罗彦斌.寒区隧道冻害等级划分及防治技术研究[D].北京交通大学，2010.

[4]吉哲.寒冷地区隧道冻害预防与处治技术研究[D].长安大学，2012.

作者简介：张连吉，男，1982年10月， 青海省公路科研勘测设计院，工程师；研究方向：公路设计（路基路面、隧道）