高原隧道凍土施工措施探討

何聲軍

【摘 要】隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展，西部大開發(fā)政策的實施，交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的需求在不斷增長，尤其是我國藏區(qū)高原鐵路、公路建設(shè)的興起，高海拔寒冷地區(qū)凍土隧道的建設(shè)技術(shù)問題日益受到工程界的關(guān)注和重視?；诖?，本文就高原隧道凍土施工措施進行分析與研究。

【關(guān)鍵詞】高原隧道；凍土；施工措施

一、凍土的定義及分布

凍土是指零或零攝氏度以下，并含有冰的各種巖石和土壤。根據(jù)巖土凍結(jié)狀態(tài)保持時間的長短，凍土可分為多年凍土、深季節(jié)凍土、季節(jié)凍土和瞬時凍土。凍結(jié)狀態(tài)持續(xù)時間幾年到上千年的土均是多年凍土；凍結(jié)狀態(tài)持續(xù)時間從數(shù)月到幾年且凍深大于一米的均是深季節(jié)凍土；凍結(jié)狀態(tài)保持半月至數(shù)月的土是季節(jié)凍土；凍結(jié)狀態(tài)保持幾小時至半月的土均是瞬時凍土。

地球上多年凍土的分布面積約占陸地面積的 23 %，主要分布在中國、俄羅斯、美國的阿拉斯加和加拿大等地，其中我國的多年凍土分布面積約 206.8×104km2，僅次于原蘇聯(lián)（1 000×104km2）和加拿大（390×104～490×104 km2），約為美國多年凍土面積（140×104km2）的 1.5 倍。

我國是世界上的第三凍土大國，約占世界多年凍土面積的 10 %，約占我國國土面積的 21.5%，同時我國的多年凍土主要分布在中、低緯度的號稱“世界第三級”的青藏高原，我國季節(jié)性凍土面積為 513.7×105km2，約占全國國土面積的53.5 %。

多年凍土主要分布在青藏高原、帕米爾、西部高山（包括祁連山、阿爾金山、天山、西準噶爾山地和阿爾泰山等）、東北大小興安嶺、松嫩平原北部以及東部地區(qū)的一些高山頂部。深季節(jié)性凍土主要分布于東北三省、新疆北部、寧夏、甘肅、內(nèi)蒙古、川西和青海等地。季節(jié)凍土遍布在不連續(xù)多年凍土的外圍地區(qū)，主要分布于北緯 30°以北的地區(qū)，其南界大致從云南省挖苦河（25°14′ N，97°52′ E）向東北方向沿著橫斷山脈和喀拉山脈的坡腳，經(jīng)大巴山南麓向東南繞過四川盆地后，又從湖南省的咱果附近（29° N，109°25′ E）向東北方向延伸，直至江蘇省連云港附近（34°34′ N）。此外，在大別山、萊陽山和玉山頂部也有零星分布。瞬時凍土的南界大致與北回歸線（22° N）相一致。此界限以南，除山地外，一般無凍土。

二、凍土地質(zhì)特性

（一）凍土的熱穩(wěn)定性

凍土，顧名思義，是凍結(jié)狀態(tài)下的巖土體。凍土處于負溫狀態(tài)，其得以保存的條件與溫度息息相關(guān)，具有溫度敏感的特性。隨著溫度的變化，凍土中冰的含量和冰水之比也會發(fā)生變化，從而其他各種性質(zhì)也會發(fā)生變化。

對于松散土，其凍結(jié)溫度取決于土的礦物成分、水分和鹽分。在其他條件相同的情況下，凍結(jié)溫度隨含水量的增加而升高，隨含鹽量的增大而降低。

凍土的熱穩(wěn)定性是指任何一種凍土的熱狀態(tài)對外界條件變化響應(yīng)的敏感程度。前蘇聯(lián)學者的研究表明：凍土的熱穩(wěn)定性可以用外界條件影響下多年凍土的融化速率定量表示，并且主要與凍土的溫度及含水量有關(guān)，前者決定了凍土的熱容量，后者則決定了凍土的相變熱。

（二）凍土上限附近的水分遷移及其工程性質(zhì)變化

對于粘性土，在凍土上限附近，凍結(jié)成冰的過程，會產(chǎn)生凍結(jié)吸力，使結(jié)合水膜變薄，土水勢降低，導致未凍區(qū)的水分向正凍區(qū)遷移，以抵消凍結(jié)抽吸力，補償減薄了的結(jié)合水膜和降低了的土水勢。

在水分遷移的同時，會發(fā)生不等量的鹽分遷移，在從融化狀態(tài)到凍結(jié)狀態(tài)的過程中，粘性土的含水量和含鹽量趨于增大，良透水層的含水及含鹽量則趨于減小；在溫度升高時，土的未凍結(jié)含水量趨于增大。在有排水條件的情況下，土的含水量和含鹽量趨于減小。但在排水不良的情況下，如果土的上層已經(jīng)融化而下層仍處于凍結(jié)狀態(tài)，強烈的蒸發(fā)作用將把鹽分進一步引至土表，從而會進一步加劇土的鹽澤化。經(jīng)過多年的反復凍融和蒸發(fā)，土的含鹽量逐漸增大，在一定的條件下可以轉(zhuǎn)化為弱凍脹土或巖凍脹土。

按照水分遷移規(guī)律可將正凍土體分為 3 個區(qū)，未凍區(qū)、凍結(jié)前緣區(qū)和已凍區(qū)，如圖 1。

圖1 正凍土分區(qū)圖

1.未凍區(qū)：該區(qū)中只有土、水、氣而沒有水，土中水分場的分布由該區(qū)段土體內(nèi)的土水勢決定；

2.凍結(jié)前緣區(qū)：眾多的試驗研究表明，盡管這一區(qū)域很小，但凍土中的水分遷移主要受該區(qū)的控制，此區(qū)為水分遷移最為劇烈的部分，因此也是凍土中水分遷移計算的核心；

3. 已凍區(qū)：此區(qū)中土體已經(jīng)完全凍結(jié)，土體內(nèi)結(jié)構(gòu)相對比較穩(wěn)定，盡管水分遷移仍然存在，但導水性很差，因此水分遷移量也很小。

（三）凍土熱物理特性

凍土與一般融土的本質(zhì)區(qū)別是凍土處于凍結(jié)狀態(tài)，其物理特性與溫度變化密切相關(guān)，尤其是凍土的三相之一水，既有液態(tài)的，也有固態(tài)的，在一定的溫度調(diào)節(jié)下最容易發(fā)生相變，從而導致凍土的物理力學性質(zhì)發(fā)生變化。

凍土的基本物理力學指標包括導熱系數(shù)、熱容量和倒溫系數(shù)。不同的凍土其比熱、導熱系數(shù)、到溫系數(shù)是不同的。冰的比熱是液態(tài)水的一半，在其他條件相同時，土凍結(jié)后的比熱總是小于它在融化時的比熱。只有在土的含水量極小或者土的絕大部分保持液態(tài)時，土在凍結(jié)狀態(tài)和融化狀態(tài)的比熱才沒有顯著的變化。冰的導熱系數(shù)是液態(tài)水的 4 倍，因此，在其他條件相同時，凍土的導熱系數(shù)一般都大于融土，只有在土非常松弛和非常干燥，土的組成顆粒非常小或者含鹽量很大的時候，因凍結(jié)后冰晶極少，它在凍結(jié)前后的導熱率才不會有實質(zhì)上的區(qū)別。

三、高原隧道施工要點分析

（一）隧道爆破時的擾動對凍土環(huán)境的影響

在隧道施工時由于強制性的開挖干擾了地位，嚴重的對高原凍土產(chǎn)生了熱侵蝕，不僅有效的改變了凍土的環(huán)境及凍土的性質(zhì)，而且還改變了隧道工程的施工環(huán)境，當隧道工程在施工時穿過較厚的巖層時，爆破所引起的波動是不會影響高原凍土環(huán)境的，在隧道工程施工環(huán)境較差的情況下，如洞身位于淺埋區(qū)段，為了防止在施工中由于爆破方法不合理引起較大的坍塌事故，對凍土環(huán)境造成大范圍的破壞，這時必須重視爆破對隧洞工程洞口圍巖的擾動。所以，隧洞工程洞口施工應(yīng)該有效的減少對凍土環(huán)境中水熱狀態(tài)的擾動，并應(yīng)該認真考慮兩洞口可能出現(xiàn)的熱融滑塌及凍脹而對隧道工程工程造成的嚴重影響。

（二）高原隧道施工的通風方法

隧道施工通常采用的通風方法有：抽出式、壓入式通風、壓出式通風、壓氣引射器通風、機械通風、水力引射器通風、引射器通風、擴散、自然通風、利用輔助坑道通風和混合式通風等方式。過去的高原凍土隧道工程施工通風方法，對距離較短的高原凍土隧道工程通常采用獨頭壓入式通風方式；而采用無軌運輸?shù)母咴瓋鐾了淼拦こ淌┕の廴据^嚴重，高原凍土隧道工程通風方案如果采用壓入式通風方式，雖然這種通風方式具備較強的可操作性和較簡單的施工組織管理等優(yōu)點，但在高原凍土隧道工程中需要風機提供的風量過大，且通風機整體能耗較高、總功率過大，整體漏風率過高，獨頭通風距離過長，能源浪費嚴重，受斜井斷面凈空間限制的影響，難以為高原凍土隧道工程中每個工作面布置，條大直徑通風管+方案可優(yōu)化可調(diào)整的空間較小，可靠性偏差，斜井井身內(nèi)風管維護保養(yǎng)不方便等缺點。

（三）高原高寒地區(qū)隧道混凝土的抗凍融破壞施工

現(xiàn)澆襯砌混凝土和初期支護噴混凝土在低溫下進行隧道工程施工凍結(jié)分為：運輸、拌制、施工過程中受凍和養(yǎng)護期間受凍。高原隧道工程養(yǎng)護階段是混凝土具有一定的初始強度后的凍結(jié)，更容易發(fā)生水分遷移，破壞程度大于前者。高原凍土隧道工程養(yǎng)護期間，凍結(jié)因受高原凍土隧道工程混凝土內(nèi)外溫度平衡過程的影響，其表面的凍結(jié)程度大于內(nèi)部，解凍時對凍傷幾乎無恢復性。拌制、運輸、施工過程中的凍結(jié)是混凝土不具備初始強度的時候，雖然高原凍土隧道工程內(nèi)外凍傷基本一致，且解凍后混凝土強度有一定的恢復性，但是仍然損失較大。在運營期間，高原凍土隧道工程襯砌混凝土主要是襯砌背后的地下水。在低溫條件下隧道工程中凍結(jié)膨脹產(chǎn)生應(yīng)力，會破壞高原凍土隧道工程中混凝土毛細孔及混凝土中的游離水；在高原低溫情況下，凍結(jié)膨脹以及反復凍融破壞，混凝土強度會隨著高原凍土隧道工程中混凝土的凝結(jié)力的降低而降低，嚴重則會破壞高原凍土隧道工程的混凝土。

結(jié)束語

凍土并非高寒地區(qū)所特有的土地狀態(tài)，凍土在世界各地都有，只是由于某些局域性的地質(zhì)條件和環(huán)境在氣候轉(zhuǎn)換上相較其它地區(qū)緩慢很多，看上去有著百年如一日的特點，所以凍土會受到環(huán)境的影響，在堅固性與凍結(jié)度上有所差異，所以，文章就高原凍土隧道的施工措施進行分析與研究，保證其施工質(zhì)量，促進其快速發(fā)展。

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