寒區(qū)隧道凍害現(xiàn)象形成機理及抗防凍設計研究

毛耀輝

【摘要】通過大量資料研究及實地調查分析，得出寒區(qū)隧道主要凍害形式及形成機理，為我國北方地區(qū)修建隧道提供技術支持。

【關鍵詞】寒區(qū)隧道； 凍害； 形成機理

1 引言

高寒區(qū)的公路鐵路隧道因受獨特的氣候影響，在施建及營運過程中除常規(guī)性病害之外還有襯砌開裂、酥碎、剝落、頂部及邊墻掛冰，底部滴水、洞門墻開裂及洞口熱融滑塌等特殊病害形式。這些凍害使得隧道襯砌遭受不同程度的損傷與劣化，且出現(xiàn)的掛冰、凍脹侵入建筑限界而危及行車安全，不僅造成較大的安全隱患，也降低了隧道的使用功能。在我國北方地區(qū)由于較大差異的溫差現(xiàn)象引起隧道圍巖間液體的凍融循環(huán)，凍脹變形對圍巖及隧道結構產生不可逆的損傷性，并加劇圍巖縮脹、損傷、開裂等一系列物理變化及可能的化學，使得圍巖失穩(wěn)及隧道凍害現(xiàn)象顯著出來。

2 主要凍害現(xiàn)象分析

對高寒區(qū)大量隧道凍害實例進行調查分析，可將寒區(qū)隧道凍害現(xiàn)象分為五類：①襯砌漏水、掛冰；②襯砌開裂、酥碎、剝落；③洞門墻開裂；④隧道底部冒水、積水、凍脹；⑤隧道洞口處熱融滑塌。

（1）襯砌漏水、掛冰

在排水系統(tǒng)不通暢的情況下，圍巖內的地下水或融冰水由隧道襯砌向內滲漏。滲漏水量的大小和出水點的位置不固定，隨年降水量的變化而變化。滲漏水量及位置隨襯砌后背儲蓄蘊含量及襯砌質量有關，一般說來，襯砌后背水量充足襯砌質量越差則滲漏量越多，且主要在施工縫或混凝土含蜂窩及麻面的地方滲漏。在溫度在冰點之下時滲漏水凝固成掛冰，主要集中于拱頂部位。

（2）襯砌開裂、酥碎、剝落

襯砌裂縫形態(tài)可分為環(huán)向、縱向及斜向三種形式。襯砌產生裂縫的原因除圍巖情況、混凝土質量、結構類型和施工影響等因素相關外，由于凍土地區(qū)氣溫的日較差及年較差都很大，襯砌所產生的溫度應力與凍脹力是寒區(qū)隧道襯砌開裂最主要的原因。隧道襯砌環(huán)向開裂是垂直軸向的襯砌開裂，是寒區(qū)隧道出現(xiàn)凍害特性，其環(huán)向裂紋的形成及發(fā)展與地質關系往往不是很大，主要是集中于施工縫上。這些裂縫雖然對隧道襯砌結構的受力影響不大，但當其數量增多時為地下水滲漏提供了通道，且也導致襯砌受風化剝蝕作用也更為強烈。

（3）洞門墻開裂

隧道洞門墻的開裂，在隧道工程中較為普遍存在，但在寒區(qū)出現(xiàn)得具有其特性，隧道洞門墻產生開裂最主要的原因是溫度應力的影響。由于高寒地區(qū)晝夜溫差大，混凝土冷卻收縮時而導致洞門墻中受拉破壞，且洞門墻后積水或含水圍巖的凍脹加劇了開裂現(xiàn)象。

（4）底部冒水、積水、凍脹

因圍巖中裂隙水具有承壓性，在排水系統(tǒng)不通暢的情況下隧道底部可見冒水現(xiàn)象，低溫季節(jié)形成冰錐，因此冰錐主要是有地下承壓水引起的。產生底部冒水的直接原因是凍融循環(huán)作用，由于凍脹力的作用，使隧道襯砌的裂縫越來越大，沉降縫也越來越寬，防水層遭到破壞后，使帶壓的水能溢出，在排水不暢的情況下形成凍結。隨著水的不斷溢出在遇到外界低溫時而形成底部積水、凍脹。

（5）洞口熱融滑塌

當隧道出入口遇有厚層地下冰時，可能會產生熱融滑塌。熱融滑塌多產生在春融季節(jié)，當氣溫不斷升高時，富含于凍土層中的冰開始融化，一方面，由于冰的融化失去了其對土顆粒的固結穩(wěn)定作用，使土顆?？梢宰杂傻挠蝿印Ｍ瑫r受水的滲流帶動了土顆粒的游動，水對土顆?？障吨g的填充也減少了土顆粒之間的磨擦力，起到了潤滑劑的作用。這時，水的勢能轉化為動能，由于土顆粒間磨擦的減少，土顆粒在斜坡上失去力的平衡也開始運動，故而產生熱融滑塌。

3 形成凍害的條件及力學機理研究

3.1形成凍害的必要條件

通過大量寒區(qū)隧道凍害研究可知，圍巖發(fā)生凍脹的條件是環(huán)境溫度在0℃以下且低溫持續(xù)時間足夠長；圍巖為黏土粉砂之類的；圍巖中含水量需達到凍脹的條件。圍巖形成凍脹的條件可歸納為：

（1）凍結指數（即一年中0℃以下的日平均氣溫之和）大于-400℃·d；

（2）巖石的單軸抗壓強度小于5MPa；

（3）圍巖（土層）的含水率>25%；

（4）圍巖（土層）中含粉沙以下顆粒含量>10%。

以上四個條件缺一不可，根據寒區(qū)隧道凍害產生的力學機理和工程實踐，寒區(qū)隧道產生凍害的基本條件主要有四個：溫度條件、水文條件、圍巖條件、施工原因。為了消除或減輕凍害，針對寒區(qū)隧道凍害產生的基本條件，可以采取相應的工程措施進行處治，綜合比較，應地制宜。

3.2 凍害力學機理

寒區(qū)凍土是一種特殊的具有負溫或零溫且含有冰的巖土體。按土體處于凍結狀態(tài)的持續(xù)時間來劃分凍土的類型為短期凍土、季節(jié)凍土及多年凍土。在多年凍土或季節(jié)凍土地區(qū)中，當溫度降低到土體的凍結溫度以下時，由于土體中的水變成冰就會逐漸形成凍土。凍土中冰主要以冰包裹、冰透鏡體和冰夾層等形式存在。

4 工程實例抗防凍設計

丹通高速公路是東北區(qū)域高速公路網的重要組成部分，全長共196.6公里，是鶴崗至大連高速公路的關鍵性路段。錯草溝隧道位于遼寧省東部的丹東市寬甸縣牛毛塢鄉(xiāng)與大川頭鄉(xiāng)之間，走向南西240°左右。該隧道左洞長3250米，右洞長3333.5米，是丹通高速公路控制工程，也是目前遼寧工程難度大、里程最長的雙線分離式隧道，被譽為“遼東第一隧道”。

丹通高速公路錯草溝隧道初砌混凝土采取濕噴法施工，添加的外加劑主要為速凝劑與減水劑，液體速凝劑對噴射混凝土強度、密實性、耐久性、回彈及成本有著重要影響，必須重視液體速凝劑試驗與選擇，包含以下六個方面：凝結時間與摻量試驗（標準實驗條件）；強度損失試驗；與水泥和減水劑相容性試驗；最佳摻量試驗；水灰比敏感性實驗（實際使用水灰比）；工藝性檢測（雜質、沉淀）。

以錯草溝隧道為例，根據外加劑的作用機理以及粗細集料、混凝土配合比與保溫材料的工程技術要求，依據相關規(guī)范要求，對隧道襯砌混凝土進行材料選取及配合比設計，其步驟為以下四點：

（1）根據混凝土強度等級確定初步配合比設計；

（2）根據寒區(qū)隧道的特殊要求，觀察拌合物的黏聚性和保水性對配合比進行調整；

（3）制作試件檢測強度，根據配制強度找出相應水灰比，從而確定混凝土實驗室配合比；

（4）根據寒區(qū)隧道的特性以及摻加的外加劑性能，換算成施工配合比。

5 結論

通過調研大量寒區(qū)已建隧道發(fā)生的凍害現(xiàn)象分析，進行其機理研究，從而歸納出寒區(qū)隧道凍害主要表現(xiàn)形式主要有襯砌漏水掛冰、襯砌開裂、剝落、洞門墻開裂、底部凍脹及洞口熱融滑塌等。寒區(qū)隧道凍害形成條件有溫度、水文、圍巖性質及施工因素等，可有針對性地選取措施防治寒區(qū)隧道凍害的發(fā)生。

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