季凍地區(qū)隧道工程凍害與防治技術(shù)措施探討

焦興華

（遼寧省交通工程質(zhì)量與安全監(jiān)督局 沈陽(yáng)市 110005）

季凍地區(qū)隧道工程凍害與防治技術(shù)措施探討

焦興華

（遼寧省交通工程質(zhì)量與安全監(jiān)督局 沈陽(yáng)市 110005）

在季凍地區(qū)受氣候的影響，隧道極易產(chǎn)生襯砌的開(kāi)裂、剝落、掛冰和路面結(jié)冰的凍害，嚴(yán)重影響行車(chē)安全和使用壽命。從隧道凍害產(chǎn)生的原因及表現(xiàn)形式的多角度分析，提出了隧道凍害的防治及治理措施，對(duì)于指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)、施工有著重要參考價(jià)值。

隧道工程；凍害；保溫防凍

1　引言

寒冷地區(qū)修建隧道，比一般地區(qū)面臨更多的復(fù)雜的技術(shù)問(wèn)題，由于冬季排水溝凍結(jié)而致排水不暢，造成隧道滲漏水、路面結(jié)冰、襯砌混凝土開(kāi)裂等病害，影響行車(chē)安全，同時(shí)也給隧道襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定帶來(lái)了一定的隱患。日本、美國(guó)、法國(guó)、俄羅斯等國(guó)寒冷地區(qū)隧道凍害比較嚴(yán)重，僅日本北海道地區(qū)的302座大型公路隧道中凍害嚴(yán)重的高達(dá)104座。近幾年遼寧省通車(chē)的東部山區(qū)高速公路隧道不同程度地出現(xiàn)滲漏水或冰塞病害。為了使隧道能順利通行，運(yùn)營(yíng)管理單位投入了很大的精力對(duì)其進(jìn)行整治，結(jié)果仍無(wú)法根除病害，因此，如何防治隧道工程凍害是我們亟待解決的問(wèn)題。

2　凍害表現(xiàn)形式及產(chǎn)生的原因分析

在寒冷地區(qū)，隧道凍害嚴(yán)重地影響工程使用的安全性及壽命。多年來(lái)國(guó)內(nèi)外工程實(shí)踐調(diào)查表明，隧道凍害表現(xiàn)形式及原因分析如下：

2.1凍害表現(xiàn)形式

（1）隧道邊墻及拱部出現(xiàn)冰柱、掛冰現(xiàn)象（圖1）；

（3）在隧道路面形成冰坡，使行車(chē)滑溜（圖3）；

（4）隧道中央排水溝出口積水、結(jié)冰（圖4）。

（5）襯砌背后凍結(jié)，造成襯砌變形，反復(fù)凍融循環(huán)，引起結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

2.2凍害形成原因分析

（1）隧道內(nèi)部溫度變化情況。通過(guò)隧道內(nèi)部溫度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試來(lái)看，隧道冬季溫度從隧道外向隧道內(nèi)逐漸升高，且洞口段50～100m范圍內(nèi)溫度變化最為明顯，詳見(jiàn)圖5。隧道滲漏水及凍害主要發(fā)生在距隧道洞口1000m以?xún)?nèi)范圍的施工縫等防水薄弱地帶，發(fā)生時(shí)間主要是在凍結(jié)和消融過(guò)程。

（2）隧道凍害產(chǎn)生的機(jī)理。隧址區(qū)內(nèi)山體水系豐富，山體水沿著巖隙進(jìn)入隧道襯砌結(jié)構(gòu)，再通過(guò)環(huán)向?qū)す苓M(jìn)入縱向?qū)す?，在檢查井處匯集，當(dāng)冬季氣溫較低時(shí)積水結(jié)冰，在水及凍脹壓力作用下，從二襯接縫、電纜溝及檢查井處溢出，反復(fù)作用，外溢至路面結(jié)冰。凍害產(chǎn)生機(jī)理詳見(jiàn)圖6。

孟寶民表示，旅游是不斷滿(mǎn)足人們美好生活需求的幸福產(chǎn)業(yè)，是全面建成小康社會(huì)的應(yīng)有之義。2019年，全省文化和旅游系統(tǒng)將按照文化和旅游部安排部署，認(rèn)真落實(shí)省委、省政府的決策要求，緊盯國(guó)際一流文化旅游中心建設(shè)目標(biāo)，持續(xù)抓好全域旅游示范省創(chuàng)建工作，不斷推動(dòng)全省旅游高質(zhì)量發(fā)展，為落實(shí)“五新”戰(zhàn)略任務(wù)，推動(dòng)“三個(gè)經(jīng)濟(jì)”發(fā)展助力添彩！

（3）隧道凍害產(chǎn)生的原因

在隧道施工過(guò)程中，“重主體、輕附屬”的觀念依然存在，地下水處理始終是薄弱環(huán)節(jié)，在施工管理上沒(méi)有得到足夠的重視，更重要的是缺乏有效的檢測(cè)手段和方法。造成隧道產(chǎn)生凍害主要原因就是溫度和水兩項(xiàng)主要因素，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

①冬季氣溫較低，隧道圍巖內(nèi)部熱量逐漸散失，當(dāng)內(nèi)部溫度過(guò)低時(shí)，隧道襯砌表面含水裂縫、排水出口極易凍結(jié)，造成排水系統(tǒng)失效，形成凍害。

②隧道所在山體水系發(fā)育，巖系水豐富，在巖石裂隙或有大量涌水部位沒(méi)有進(jìn)行有效的引排，引起細(xì)粒流失，造成襯砌背后空洞，給隧道內(nèi)部排水造成極大壓力。

③隧道排水不暢，排水系統(tǒng)坡度較小，單向排水距離過(guò)長(zhǎng)，易造成地下水流速緩慢，不能迅速將水排出洞外。

④防排水系統(tǒng)埋設(shè)深度不足，將防排水系統(tǒng)設(shè)置深度在凍結(jié)深度范圍內(nèi)，低溫時(shí)極易受凍結(jié)冰。

⑤防水卷材等防水材料質(zhì)量不高，防水卷材拉伸強(qiáng)度、厚度、延伸率不足，焊接性不好，在施工過(guò)程中極易造成防水卷材刺破，并且焊接質(zhì)量難以保證，造成襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)部含水量過(guò)大。

⑥因施工工藝的原因，隧道工程為隱蔽工程，個(gè)別施工單位責(zé)任心較差，監(jiān)理監(jiān)管不到位，在施工過(guò)程中存在諸多隱患，如施工過(guò)程中縱橫向?qū)苓B接不當(dāng)或未連接，工作縫處止水帶（條）安裝不當(dāng)或缺失，中心水溝、檢查井等底部高程不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求等，都是造成隧道出現(xiàn)凍害的重要因素。

3　季凍區(qū)隧道凍害的預(yù)防措施

季凍地區(qū)隧道較一般地區(qū)隧道承受著更大的溫度應(yīng)力，在溫度驟降時(shí)應(yīng)力集中，會(huì)造成襯砌結(jié)構(gòu)裂縫，形成滲漏水通道，在低溫作用下產(chǎn)生冰凍災(zāi)害，因此，在隧道設(shè)計(jì)、施工過(guò)程中要充分考慮到隧道的保溫防凍和防排水效果。

3.1隧道保溫防凍設(shè)計(jì)原則

寒冷地區(qū)隧道保溫防凍設(shè)計(jì)應(yīng)本著科學(xué)、安全、環(huán)保、節(jié)能的原則，靈活選擇保溫防凍措施，隧道保溫設(shè)計(jì)應(yīng)使隧道不發(fā)生凍害，保溫防凍要遵循如下原則：

（1）隧道襯砌、路面等結(jié)構(gòu)物在低溫時(shí)不被破壞；

（2）隧道排水系統(tǒng)不被凍結(jié)，保證地下水能正常排泄；

（3）保證隧道內(nèi)部不能出現(xiàn)滲水或路面積水而發(fā)生襯砌掛冰、路面結(jié)冰而影響行車(chē)安全。

3.2加強(qiáng)防排水措施

由于隧道凍害是由于水的凍結(jié)造成的，減少隧道圍巖滲水量，加快隧道圍巖排水是減少凍害的重要方法，采用防、排、堵、截等多道防線，綜合治理，將地表水與巖隙水排出洞外，主要包括圍巖注漿堵水、加強(qiáng)防水、設(shè)置排水導(dǎo)洞等方法。

3.3采用保溫防凍設(shè)計(jì)

寒冷地區(qū)隧道保溫防凍工程是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，為了使寒區(qū)隧道達(dá)到保溫防凍的作用，國(guó)內(nèi)外研究了許多種保溫防凍技術(shù)措施，不同的技術(shù)措施適用于不同的條件，保溫防凍效果也不同。目前常見(jiàn)的方法主要有隔熱保溫法和加熱保溫法。

（1）隔熱保溫法又叫被動(dòng)保溫法，就是在導(dǎo)水管、排水溝、襯砌表面或初期支護(hù)與二襯之間設(shè)置隔熱層，使圍巖的熱量在冬季不散發(fā)出去，并保持隔熱層內(nèi)部在零度以上，從而防止凍害的發(fā)生。

（2）加熱保溫法又叫主動(dòng)保溫法，是在隧道襯砌或水管中添加加熱設(shè)施，如加熱器或往隧道內(nèi)吹熱風(fēng)等辦法。加熱保溫法是防止隧道凍結(jié)的有效辦法，也是治理隧道凍結(jié)的救急措施，已被很多國(guó)家廣泛應(yīng)用。在很多國(guó)家都是將兩種方法綜合使用，達(dá)到預(yù)期效果。

4　隧道凍害的治理措施

隧道凍害以防凍、疏通的原則進(jìn)行處理，采取確保防排水系統(tǒng)功能完好的技術(shù)處理方案。

（1）對(duì)于檢查井和電纜溝積冰的病害，應(yīng)采取以防排水系統(tǒng)不受凍，確保防排水系統(tǒng)功能完好的技術(shù)處理方案。

①對(duì)于檢查井與電纜槽連通的情況，可以進(jìn)行封堵，避免檢查井里的水進(jìn)入電纜槽。

②采用混凝土或優(yōu)質(zhì)防凍材料封堵檢查井，隔絕檢查井內(nèi)水與冷空氣接觸，做好防凍保溫措施。

③加大隧道進(jìn)出口段導(dǎo)水管和中央排水溝的埋深、出水口坡度等措施，提高排水系統(tǒng)抗凍能力。

④如果有不利于排水、防凍的因素，必要時(shí)考慮采用在一定范圍的中心水溝內(nèi)設(shè)置電熱帶的措施。

（2）對(duì)隧道邊墻及拱部接縫處滲漏水類(lèi)病害，慎用封堵措施，采取以疏導(dǎo)為主的技術(shù)處理方案。

①滲水嚴(yán)重部位，應(yīng)采用深切排水槽至防水板埋排水管，并確保排水管不受凍的措施，防止此類(lèi)病害的進(jìn)一步擴(kuò)展和蔓延；

②少量滲水部位，可采用注漿封堵辦法進(jìn)行封閉處理。

（3）對(duì)于凍結(jié)深度較深的隧道，建議采用保溫防凍設(shè)計(jì)對(duì)其進(jìn)行治理，如采取電加熱、增加暖氣供暖、安裝防凍門(mén)等方式進(jìn)行處置，根據(jù)具體情況靈活采取保溫防凍方案，保證隧道運(yùn)營(yíng)安全。

5　結(jié)論與建議

開(kāi)展隧道保溫防凍技術(shù)措施的研究具有重大的工程實(shí)際意義和廣闊的應(yīng)用前景。由于保溫防凍技術(shù)的復(fù)雜性，治理后隧道防凍效果也并不理想。因此，建議在隧道設(shè)計(jì)、施工過(guò)程中要認(rèn)真考慮隧址區(qū)地質(zhì)、氣候等環(huán)境因素，精心設(shè)計(jì)、精心施工，在保證主體結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量的前提下，對(duì)排水工程質(zhì)量要重視起來(lái)，加大各施工環(huán)節(jié)的管理力度，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理，避免或減輕凍害的發(fā)生概率。

［1］ 李傳濤.凍脹力對(duì)寒區(qū)隧道襯砌結(jié)構(gòu)影響及其防治措施［J］.西部探礦工程，2005（9）.

［2］ 關(guān)寶樹(shù).隧道力學(xué)概論［M］.成都：西南交通大學(xué)出版社，1993.

［3］ 崔凌秋，呂康成，王潮海，崔威武.寒冷地區(qū)隧道滲漏與凍害綜合防治技術(shù)探討［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2005（5）.

［4］ 孫文昊.寒區(qū)特長(zhǎng)公路隧道抗防凍對(duì)策研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2005.

Discussion on Freezing Damage of Tunnel Engineering in Seasonally Frozen Region and Prevention Technique Measures

JIAO Xing-hua
（Liaoning Province Communications Engineering Quality&Safety Supervision Bureau，Shenyang 110005，China）

Influenced by the climate in seasonally frozen region，freezing damages like lining crack，peeling，hanging ice and icy pavement of tunnel seriously influence the driving safety and service life.Through multi-angle analysis on reasons of freezing damages and pattern of manifestation of tunnel，prevention and treatment measures for freezing damages of tunnel are put forward，so as to provide important reference value for guidance of engineering design and construction.

Tunnel engineering；Freezing damage；Heat preservation and freeze-proofing

U457+.5

B

1673-6052（2016）03-0126-04

10.15996/j.cnki.bfjt.2016.03.037