寒區(qū)隧道凍害等級(jí)及其設(shè)防等級(jí)研究

孫 兵

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋隧處，西安 710043)

隧道凍害問題一直是寒區(qū)隧道工程亟待解決的一大難題，凍害直接威脅到隧道結(jié)構(gòu)及運(yùn)營行車安全，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此，如何在寒區(qū)隧道的建設(shè)中采取行之有效的措施，避免或減輕凍害的發(fā)生就顯得尤為重要。

到目前為止，國內(nèi)外學(xué)者大致從以下5個(gè)方面做了大量的研究:(1)關(guān)于凍土力學(xué)特性的研究，筆者前期曾提出了一種凍土三軸凍脹應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系[1，2];(2)關(guān)于寒區(qū)隧道溫度場及多場耦合研究[3];(3)關(guān)于寒區(qū)隧道襯砌凍脹力的研究[4];(4)關(guān)于寒區(qū)隧道襯砌材料劣化的研究[5];(5)關(guān)于寒區(qū)隧道施工技術(shù)及凍害防治措施的研究[6]。本文則在總結(jié)歸納已有研究的基礎(chǔ)上，從寒區(qū)隧道凍害等級(jí)及其設(shè)防等級(jí)角度出發(fā)，討論了以上2種等級(jí)劃分的原則和方法，給寒區(qū)隧道的設(shè)計(jì)和施工提供參考，避免凍害的發(fā)生和過于保守的凍害設(shè)防措施。

1 寒區(qū)隧道區(qū)域劃分

一般情況下，根據(jù)隧道在不同高程穿越山體時(shí)，以及隧道所穿越山體的溫度分布情況，可將寒區(qū)隧道區(qū)域劃分為Ⅰ～Ⅴ類，隧道凍土區(qū)域劃分示意如圖1所示。

Ⅰ類隧道:隧道從山頂?shù)乇砗蛢鐾辽舷拗g穿越，該段山體處于強(qiáng)季節(jié)凍土區(qū)，在此處修建隧道非常不利。一般凍土上限的季節(jié)凍土層厚度在2 m左右，因此，從此處穿越隧道一般是不可能的，但是在起伏地形的山體內(nèi)修建隧道，局部可能出現(xiàn)這種情況，如昆侖山隧道，如圖2所示。當(dāng)山體表面存在積雪或積冰，由于雪或冰層存在季節(jié)層，凍土上限可能達(dá)到地表，在此條件下將不存在Ⅰ類隧道。

圖1 寒區(qū)隧道區(qū)域劃分示意

圖2 起伏狀山體Ⅰ類隧道示意

Ⅱ類隧道:隧道從凍土上限和凍土下限之間穿越。隧道開挖前，隧道洞口段山體處于強(qiáng)季節(jié)凍土區(qū)，洞身段山體處于多年凍土區(qū)，當(dāng)隧道開挖后，洞口段局部會(huì)產(chǎn)生次生多年凍土，如圖3所示。對于多年凍土區(qū)域，由于多年凍土層的存在，一方面阻擋了外界水的補(bǔ)給，不會(huì)發(fā)生滲漏水情況，另一方面襯砌背后的圍巖不會(huì)產(chǎn)生凍融循環(huán)，襯砌凍脹力很小甚至沒有，因此，不需要采取任何設(shè)防措施，在此處修建隧道是有利的。青藏鐵路的昆侖山隧道除局部處于強(qiáng)季節(jié)凍土區(qū)外和風(fēng)火山隧道均屬于這種情況。

圖3 Ⅱ類隧道示意

Ⅲ類隧道:隧道開挖之前，山體最初存在季節(jié)凍土區(qū)、多年凍土區(qū)和未凍土區(qū)3段，此處年平均氣溫小于0℃，例如大坂山隧道。當(dāng)隧道開挖后，洞口段和洞身段分別會(huì)產(chǎn)生次生多年凍土和次生季節(jié)凍土，如圖4所示，在此處修建隧道是不利的。

圖4 Ⅲ類隧道示意

Ⅳ類隧道:隧道洞口處在年平均氣溫大于0℃位置，隧道洞口段山體處于季節(jié)凍土區(qū)，洞身段山體處于非凍土區(qū)。當(dāng)隧道開挖后，洞身段的一部分非凍土區(qū)將轉(zhuǎn)變?yōu)榧竟?jié)凍土區(qū)，如圖5所示，在此處修建隧道是不利的。

圖5 Ⅳ類隧道示意

Ⅴ類隧道:從此處穿越的隧道，即不存在季節(jié)凍土也不存在多年凍土情況，隧道不需要作任何保溫設(shè)防，不存在凍脹問題，按一般隧道考慮。

另外，由于受到全球變暖的影響，可能出現(xiàn)以下3種情況:(1)弱季節(jié)凍土區(qū)變?yōu)榉莾鐾羺^(qū)，此情況下對寒區(qū)隧道是有利的;(2)強(qiáng)季節(jié)凍土區(qū)變?yōu)槿跫竟?jié)凍土區(qū)，此情況下對寒區(qū)隧道同樣是有利的;(3)多年凍土區(qū)變?yōu)閺?qiáng)季節(jié)凍土區(qū)，此情況下對寒區(qū)隧道是不利的。以上分析可作為寒區(qū)隧道選線指導(dǎo)原則。

2 寒區(qū)隧道凍害等級(jí)劃分

2.1 寒區(qū)隧道襯砌凍脹力作用等級(jí)劃分

凍脹力是寒區(qū)隧道產(chǎn)生凍害的直接原因，凍脹力與其他作用力共同作用于隧道襯砌上，當(dāng)超過混凝土襯砌強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)造成隧道結(jié)構(gòu)的開裂和剝落，導(dǎo)致隧道出現(xiàn)漏水、結(jié)冰、掛冰等凍害，因此，首先以凍脹力大小為指標(biāo)進(jìn)行凍害等級(jí)劃分。

當(dāng)凍脹力很小或不存在時(shí)，采用沒有配筋的素混凝土即可達(dá)到設(shè)計(jì)要求，此時(shí)的凍脹力稱之為弱凍脹力;當(dāng)凍脹力達(dá)到一定程度時(shí)，素混凝土襯砌已經(jīng)不能滿足安全要求，需通過配筋才能使襯砌達(dá)到安全要求，此時(shí)的凍脹力稱之為中凍脹力;當(dāng)凍脹力繼續(xù)增大時(shí)，鋼筋混凝土仍不能滿足安全要求，需采取一定的措施，才能使襯砌處于安全狀態(tài)，此時(shí)的凍脹力稱之為強(qiáng)凍脹力。

2.1.1 隧道襯砌設(shè)計(jì)原則

(1)混凝土襯砌設(shè)計(jì)原則

對于矩形截面混凝土構(gòu)件，當(dāng)抗壓強(qiáng)度控制承載力時(shí)，襯砌安全系數(shù)按式(1)進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)抗拉強(qiáng)度控制承載力時(shí)，襯砌安全系數(shù)按式(2)進(jìn)行計(jì)算，各參數(shù)具體意義參見《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范(TB1003—2005)》[7]。

(2)鋼筋混凝土襯砌設(shè)計(jì)原則

對于矩形截面對稱配筋偏心受壓構(gòu)件，其受壓區(qū)高度x可按式(3)計(jì)算，然后對構(gòu)件進(jìn)行配筋，如式(4)～(6)所示，各參數(shù)具體意義參見《鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊 － 隧道》[8]。

x＞0.55h0時(shí)，

當(dāng)2a'≤x≤0.55h0時(shí)，

當(dāng)x＞2a'時(shí)，

2.1.2 襯砌凍脹力作用等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

凍脹力作用等級(jí)以襯砌結(jié)構(gòu)形式作為劃分標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)采用素混凝土即可抵抗凍脹力時(shí)，此時(shí)的凍脹力稱之為弱凍脹力;當(dāng)需通過配筋才能抵抗凍脹力時(shí)，此時(shí)的凍脹力稱之為中凍脹力;當(dāng)采用最大配筋率仍不能抵抗凍脹力時(shí)，此時(shí)的凍脹力稱之為強(qiáng)凍脹力。

假設(shè)襯砌作為一種安全儲(chǔ)備，圍巖凍結(jié)前襯砌不受力，僅考慮凍脹力對襯砌產(chǎn)生的影響。以雙車道公路隧道為例，襯砌凍脹力作用等級(jí)劃分如表1所示，表中數(shù)值代表襯砌所能承受的最大凍脹力，凍脹力計(jì)算方法可參見文獻(xiàn)[9]。

2.2 寒區(qū)隧道洞內(nèi)結(jié)冰影響正常使用等級(jí)劃分

當(dāng)凍土地區(qū)年降水量較大或存在地表補(bǔ)給、圍巖破碎、圍巖內(nèi)貯水量豐富時(shí)，隧道通過融區(qū)時(shí)往往有地下水涌出，在排水系統(tǒng)不通暢的情況下，地下水將不可避免地通過隧道襯砌上的裂縫向隧道內(nèi)滲漏。

地下水的滲漏一到冬季就會(huì)逐漸凍結(jié)，在拱頂及邊墻上將出現(xiàn)一串串的冰柱，隨著滲漏地下水的不斷補(bǔ)給冰柱也逐漸加粗，有時(shí)冰柱的直徑可超過1 m，嚴(yán)重侵入隧道的建筑限界。

本文根據(jù)隧道的涌水情況來考察地下水的發(fā)育情況，進(jìn)一步評(píng)價(jià)隧道內(nèi)部可能出現(xiàn)的結(jié)冰程度，并進(jìn)行凍害等級(jí)劃分。馬萬一[10]根據(jù)涌水量的大小將地下工程中的涌水分為5大類，相應(yīng)的凍害等級(jí)劃分如表2所示。

表2 洞內(nèi)結(jié)冰的凍害等級(jí) ×104m3/d

2.3 混凝土結(jié)構(gòu)凍融環(huán)境下的結(jié)構(gòu)耐久性研究

2.3.1 混凝土凍害原因分析

在寒冷地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)物的破壞原因主要是凍害所致。外界環(huán)境是產(chǎn)生凍害的主要因素，普遍認(rèn)為凍害與溫度有直接關(guān)系，溫度越低凍害越嚴(yán)重，實(shí)際上并非如此，當(dāng)混凝土長期處于凍結(jié)狀態(tài)下，很難產(chǎn)生凍害，而處于反復(fù)凍融循環(huán)作用下，則容易產(chǎn)生凍害。另外，若降水量大，凍害危險(xiǎn)性也大。

2.3.2 混凝土凍融破壞標(biāo)準(zhǔn)

凍融破壞標(biāo)準(zhǔn)，是混凝土凍融耐久性定量化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，也可以說是混凝土經(jīng)凍融破壞的終點(diǎn)。室內(nèi)試驗(yàn)方法中，快凍法是以混凝土動(dòng)彈模降至60%或質(zhì)量損失5%時(shí)認(rèn)為混凝土已經(jīng)凍融破壞，而對于實(shí)際混凝土結(jié)構(gòu)，其動(dòng)彈模是難以測試的，鑒于國內(nèi)外尚無凍融過程中動(dòng)彈模與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系研究成果，參考英國混凝土實(shí)用規(guī)范(CP110)中給出的混凝土抗壓強(qiáng)度與動(dòng)彈模的關(guān)系式

式中Ed——混凝土動(dòng)彈性模量(×103MPa);

R——混凝土抗壓強(qiáng)度，MPa。

對于隧道混凝土襯砌結(jié)構(gòu)，按照破損階段和容許應(yīng)力法進(jìn)行設(shè)計(jì)。則有以下表達(dá)式

式中RN——混凝土結(jié)構(gòu)經(jīng)過N次凍融循環(huán)后的殘余極限強(qiáng)度;

R0——混凝土結(jié)構(gòu)的初始極限強(qiáng)度。

也就是說混凝土襯砌結(jié)構(gòu)經(jīng)過N次凍融循環(huán)后所能承受的最大載荷不能低于其初始極限強(qiáng)度折減值，則有

式中K——結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全系數(shù)，當(dāng)以抗壓強(qiáng)度作為控制指標(biāo)時(shí)取2.4，此時(shí)最小相對強(qiáng)度為41.6%。

再結(jié)合式(7)，即可得出對于隧道混凝土結(jié)構(gòu)，各等級(jí)混凝土允許的最低相對動(dòng)彈模，如表3所示?？梢妼τ谒淼阑炷两Y(jié)構(gòu)當(dāng)動(dòng)彈模降低至65%左右，就認(rèn)為混凝土結(jié)構(gòu)凍融破壞，與現(xiàn)有的60%規(guī)定基本一致。

表3 混凝土最低相對動(dòng)彈模 %

2.3.3 混凝土凍害模型

唐光譜等[11]基于唯象損傷觀點(diǎn)得出了混凝土凍害模型，如式(10)所示

式中D——損傷變量;

N——凍融循環(huán)次數(shù);

N40——混凝土能經(jīng)受的最大抗凍融(快凍)次數(shù);

ξ——試驗(yàn)參數(shù)，取至蔡昊試驗(yàn)值 0.946[12]。

文獻(xiàn)[13]根據(jù)以往試驗(yàn)的成果，采用多元回歸的方法，初步建立了混凝土能經(jīng)受的抗凍循環(huán)次數(shù)與水膠比，含氣量及粉煤灰摻量的多元回歸方程

式中A——混凝土的含氣量，%;

w/c——水膠比;

f——粉煤灰摻量，% 。

2.3.4 混凝土凍融破壞環(huán)境等級(jí)研究

日本根據(jù)140個(gè)地區(qū)的調(diào)查情況，并結(jié)合一定的試驗(yàn)結(jié)果，提出了凍害危險(xiǎn)值的計(jì)算表達(dá)式，該表達(dá)式綜合考慮了凍結(jié)溫度、凍結(jié)速度、凍結(jié)持續(xù)時(shí)間、日照時(shí)間、濕度、降水變化等因素，具體表達(dá)式如下

式中VF——凍害危險(xiǎn)值;

FT——凍融的天數(shù);

F——凍結(jié)的天數(shù);

u——日照融解率(根據(jù)氣象資料計(jì)算);

t——凍害加重系數(shù)(冰點(diǎn)以下溫度查表);

I——最低溫度凍結(jié)天數(shù)的修正值;

c——凍害減輕系數(shù)(潤濕情況查表)。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，將凍害環(huán)境分為6個(gè)等級(jí)，如表4所示。

表4 凍害危險(xiǎn)度和凍害危險(xiǎn)地區(qū)

2.3.5 混凝土抗凍耐久性設(shè)計(jì)

根據(jù)不同建筑物的安全運(yùn)行年限和不同地區(qū)的凍融循環(huán)狀態(tài)及混凝土抗凍性的室內(nèi)外關(guān)系，可以進(jìn)行混凝土抗凍耐久性初步的定量化設(shè)計(jì)，即根據(jù)混凝土的安全運(yùn)行壽命來設(shè)計(jì)混凝土的抗凍等級(jí)表達(dá)式如下

式中F——按安全運(yùn)行年限要求的抗凍性設(shè)計(jì)等級(jí);

Y——規(guī)定的安全運(yùn)行年限，年;

M——混凝土結(jié)構(gòu)所處環(huán)境的年凍融循環(huán)次數(shù)，次/年;

B——混凝土室內(nèi)外凍融損傷的比例系數(shù)，一般取12;

K——考慮到混凝土結(jié)構(gòu)運(yùn)行條件的安全系數(shù)，K值按≥1來考慮;

由式(13)所求得的F應(yīng)小于N40，以確保結(jié)構(gòu)安全性，N40既可以通過室內(nèi)試驗(yàn)方法獲得，也可以采用式(11)計(jì)算求得。那么，當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)物達(dá)到規(guī)定年限時(shí)，其損傷度和殘余強(qiáng)度表達(dá)式如下

2.4 混凝土疲勞強(qiáng)度研究

根據(jù)疲勞損傷力學(xué)原理，混凝土在較高應(yīng)力水平并發(fā)生循環(huán)變化時(shí)，要發(fā)生疲勞破壞。

根據(jù)Aas-Jakobsen的混凝土材料疲勞壽命公式，其表達(dá)式如下

式中S——應(yīng)力比，定義為作用在試件上的最大荷載Pmax與材料的極限承載能力σ之比;

R——荷載循環(huán)特征值，即循環(huán)荷載的最小值與最大值之比，一般取0.1或0.2;

B——試驗(yàn)參數(shù)，對于某一特定混凝土材料，β為定值，Aas-Jakobsen建議β=0.064 0;

N——混凝土的疲勞壽命，即在應(yīng)力比R作用下混凝土所能承受的最大疲勞次數(shù)。

由疲勞壽命方程可知，混凝土的疲勞壽命取決于荷載性質(zhì)和材料性質(zhì)。該式給出了疲勞壽命與荷載性質(zhì)及材料性質(zhì)的關(guān)系，但不能夠描述材料疲勞損傷的衰減過程。

潘華等[14]獲得了混凝土在單級(jí)等幅循環(huán)載荷下的損傷演化方程，如式(17)所示

通過式(16)和(17)，即可算出在規(guī)定年限內(nèi)混凝土結(jié)構(gòu)物的損傷度。對于寒區(qū)隧道，由于混凝土襯砌的存在，降低了背后圍巖的凍融循環(huán)次數(shù)，凍脹力循環(huán)次數(shù)相應(yīng)減少，甚至1年內(nèi)才發(fā)生幾次應(yīng)力循環(huán)，因此，由凍脹力產(chǎn)生的疲勞效應(yīng)較弱。

3 寒區(qū)隧道凍害設(shè)防等級(jí)劃分

根據(jù)上述凍害等級(jí)劃分情況，將凍害設(shè)防等級(jí)進(jìn)行相應(yīng)的劃分，并對每一種設(shè)防等級(jí)提出相應(yīng)的設(shè)防措施建議。根據(jù)以上分析，在多年凍土區(qū)修建隧道，無論是從襯砌凍脹力方面考慮，或者從混凝土凍融循環(huán)耐久性或疲勞強(qiáng)度方面考慮，還是從洞內(nèi)結(jié)冰情況考慮都是有利的，因此，以下設(shè)防措施是針對強(qiáng)弱季節(jié)寒區(qū)隧道提出的，具體見表5。

表5 寒區(qū)隧道凍害設(shè)防等級(jí)及相應(yīng)設(shè)防措施

4 結(jié)論

本文在總結(jié)歸納已有的研究基礎(chǔ)上，從3個(gè)方面對寒區(qū)隧道進(jìn)行了研究，分別為寒區(qū)隧道區(qū)域劃分、凍害等級(jí)劃分和凍害設(shè)防等級(jí)劃分，主要得到以下結(jié)論。

(1)通過對寒區(qū)隧道區(qū)域劃分研究，可初步獲得隧道在穿越山體不同部位時(shí)可能發(fā)生的凍害情況，對選線具有一定指導(dǎo)原則。

(2)通過對寒區(qū)隧道凍害等級(jí)研究，可對其可能發(fā)生的凍害程度進(jìn)行正確的評(píng)價(jià)，給寒區(qū)隧道設(shè)計(jì)提供參考。

(3)在正確評(píng)價(jià)寒區(qū)隧道凍害等級(jí)的基礎(chǔ)上，對其提出相應(yīng)的設(shè)防措施建議，不僅要避免凍害的發(fā)生，還要避免采用過于保守的凍害設(shè)防措施。

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