寒區(qū)鐵路隧道常見病害及防治措施研究

茍勝榮

【摘 要】對于高寒區(qū)隧道，大多處于高原與高緯度地區(qū)，氣候惡劣，產(chǎn)生了各種病害，對隧道的美觀與正常運營造成了巨大的影響。文章探討了高寒區(qū)隧道常見的病害表現(xiàn)形式，諸如混凝土襯砌開裂、凍漲、掛冰、熱融沉降等，其中融沉破壞已成為寒區(qū)隧道的主要破壞形式。總結了工程上常用的寒區(qū)隧道病害防治措施，比如加強襯砌結構、綜合治水、保溫隔熱防凍、更換土壤、防止融塌等，為已有隧道的病害治理和新建隧道的病害防治提供參考，為隧道的安全運營提供保障。

【關鍵詞】寒區(qū)鐵路；隧道；病害；防治措施

1 寒區(qū)鐵路隧道病害表現(xiàn)形式

1.1 襯砌開裂

多年凍土及嚴寒地區(qū)鐵路隧道普遍存在襯砌開裂問題，襯砌開裂分為環(huán)向、縱向及斜向三種形式。開裂的原因除了地質(zhì)條件、施工影響和結構類型等因素外，本地區(qū)氣溫的日較差及年較差都很大，因而襯砌產(chǎn)生的溫度應力和凍脹力的作用是寒區(qū)隧道產(chǎn)生開裂的主要原因。

1.2 隧道洞口段凍脹破壞

處于多年凍土區(qū)的隧道，在隧道的進出口處也均處于多年凍土中，隧道開挖后，由于注漿、噴射混凝土、施工放熱及模注混凝土而放出大量的水化熱使得隧道開挖部分范圍內(nèi)的多年凍土出現(xiàn)融區(qū)，經(jīng)過若干年后，水化熱已釋放完畢，隧道洞口部分開始凍結，而沿隧道縱向有可能有補給的水源而使得洞口段襯砌內(nèi)不斷結冰，導致初期支護和二次襯砌最終開裂、變形，從而出現(xiàn)滲水、掛冰等，嚴重的可使洞門嚴重變形以至倒塌。

1.3 隧道貫堂風的病害

多年凍土區(qū)的外部大氣常年平均氣溫基本在0℃以下，隧道內(nèi)由于通風的作用，使得沿隧道縱向有可能形成一條凍結的柱狀帶，從而再次改變隧道內(nèi)襯砌和圍巖的應力狀況。當對隧道內(nèi)的保溫措施未能充分考慮時，就會產(chǎn)生意想不到的襯砌破壞和連鎖的其它凍害。

1.4 冰丘及冰椎

在多年凍土區(qū)的河灘、階地、沼澤地及平緩山坡和山麓地帶，常常會看到象墳丘一樣的土包，大小不一，有的呈單個分布，有的成串成片分布，這些丘狀的土包稱為冰丘，也稱凍脹丘。根據(jù)它的生成和發(fā)育條件與地下水的類型有密切關系。首先，以冰丘補給水源的類型作為一級分類的依據(jù)，可劃分出多年凍土層下承壓水補給的冰丘和多年凍土層上潛水補給的冰丘兩類；再按其形成和存在時間的長短又可分為季節(jié)性冰丘和多年冰丘；按組成冰丘的物質(zhì)成分還可為發(fā)育在粘性土地層中的冰丘、發(fā)育在粗顆粒土中的冰丘、泥灰?guī)r冰丘及碎石冰丘。當隧道進出口在富水區(qū)時就有可能在進出口的明洞或洞門邊坡或明洞內(nèi)形成冰丘，直接導致洞門開裂和錯臺，有的甚至破壞洞內(nèi)襯砌。

1.5 雪崩

多年凍土地區(qū)冰雪常年覆蓋，而且覆蓋的積雪一般很厚，洞門后的積雪在外界動荷作用下，如地震、附近地區(qū)雪崩、泥石流、雷聲、爆破等，會發(fā)生雪崩，體積有的高達幾百立方米，完全堵塞洞門和路面。

1.6 地下冰

在多年凍土地區(qū)天然上限附近往往存在著一層冰，其厚度不一，由幾厘米至幾米。這種層狀冰多為地表水下滲轉移到凍結鋒面上逐漸形成的。至于埋藏較深的地下冰，其成因在學術界有爭議。常見的地下冰有楔形冰和層狀冰兩種楔形冰是由于地溫的不均勻變化導致多年凍土中發(fā)生上大下小的裂隙，裂隙中聚水后凍結形成楔形冰。而層狀冰是由厚幾厘米至幾米平行地面呈層狀存在的冰層形成的。這種地下冰的存在對工程影響很大。會引起多年凍土上限下降，基底下沉、凍脹嚴重，養(yǎng)護困難，所以很不安全。對隧道而言，一般是引起洞門和擋墻護坡的下沉。

1.7壁面結霜和結露

寒區(qū)隧道在開挖期間洞口會發(fā)生結霜現(xiàn)象，投入運行期間5-6月份壁面曾多次發(fā)生結露現(xiàn)象，這是因為高原高寒地區(qū)，冬季氣溫低，但少雪，空氣相對濕度低于50%，暖季也是雨季，一般空氣相對濕度在60%以上，連續(xù)雨雪時可近于飽和。在隧道嚴冬期，入侵隧道的空氣溫度遠低于隧道圍巖的地溫，故壁面溫度高于氣溫不能結霜。暖季，入侵隧道的氣溫高于此間凍結壁表面溫度，此間洞內(nèi)溫度已上升，但因氣溫高于零度，故此間經(jīng)常出現(xiàn)結露現(xiàn)象，使隧道襯砌表面呈濕潤狀態(tài)。

1.8 融沉

融沉是多年凍土地區(qū)路基主要病害之一，也是隧道的主要病害之一。融沉一般多發(fā)生在含冰量大的豁性土地段，當隧道洞門的多年凍土上部或路塹邊坡上分布有較厚的地下冰層時，由于地下冰層埋藏較淺，在施工或運營過程中各人為因素的影響下，多年凍土層局部融化，上覆蓋土層在土體自重和外力作用下產(chǎn)生沉陷，造成洞門或洞門墻的嚴重變形。這種變形表現(xiàn)為洞門下沉、明洞段下沉、洞門墻開裂甚至倒塌等。

1.9 凍土沼澤

在多年凍土廣泛，降水集中、植被茂密、氣溫很低，地表水不易下滲，因而在溝谷洼地、河流地、洪積階地、緩山坡上以及分水嶺婭口處發(fā)育有許許多多的凍土沼澤。這些沼澤也因所在泥炭厚薄、沼澤底土層性質(zhì)等地質(zhì)條件和沼澤位置的不同而類型不同。

2 寒區(qū)鐵路隧道病害產(chǎn)生的原因

2.1 寒冷氣溫的作用

隧道凍害與所在地區(qū)的氣溫（0℃以下或正負溫交替）有直接的關系。

2.2 季節(jié)凍結圈的形成

沿襯砌周圍各最大凍結深度連成一個圈叫季節(jié)性凍結圈。隧道的排水設備如埋藏在凍結圈內(nèi)，冬季易發(fā)生冰塞。在凍結圈范圍內(nèi)的巖土，由于受強烈頻繁的凍融作業(yè)，導致隧道發(fā)生病害。

2.3 隧道周圍巖性的影響

在圍巖不良地段，當圍巖內(nèi)部含水量較大時，在凍脹壓力作用下拱部襯砌就會出現(xiàn)下沉、開裂，邊墻墻中出現(xiàn)內(nèi)鼓，墻頂出現(xiàn)內(nèi)移，混凝土內(nèi)部由于滲水作用而出現(xiàn)受凍結冰， 圍巖出現(xiàn)膨脹產(chǎn)生凍脹壓力， 從而導致襯砌結構產(chǎn)生縱向和環(huán)向裂紋。

2.4 隧道設計和施工的影響

目前我國凍土區(qū)含水量巖段襯砌層設計計算通常不考慮凍脹力影響，因此設計得到的襯砌厚度、強度普遍偏小。施工縫、伸縮縫的基礎受到防水水平的影響而不斷擴展刑場破壞裂縫。受限于現(xiàn)場條件和施工單位水平，施工質(zhì)量沒有達到設計要求，超挖圍巖段特別是坍塌嚴重圍巖段沒有回填密實，存在人為空洞。

3 寒區(qū)鐵路隧道病害防治措施

寒區(qū)隧道常見凍害的防治措施主要包括： 加強襯砌結構、綜合治水、保溫隔熱防凍、更換土壤、防止融塌等。

3.1 加強襯砌結構

對滲漏水裂縫的封堵和對襯砌的結構補強：首先采用“封”的措施：對襯砌滲漏水部位進行壓注化學漿液充填；對襯砌裂縫系統(tǒng)采用化學漿液灌縫，襯砌裂縫做全面封堵并對襯砌整體做結構補強，提高襯砌結構的整體性和水平向抗變形能力。

3.2 綜合治水

圍巖地下水凍結是導致寒區(qū)隧道出現(xiàn)凍害的根本原因，綜合治水就是通過防排水措施、填充襯砌背后空隙等方法將水排除在凍結圈外，不允許隧道襯砌背后積水，防止地下水凍結，是防治凍害的最基本措施。

4 結論

在高寒地區(qū)修建的隧道，除了普通地區(qū)隧道常見的病害之外，還必須考慮凍害問題。但是由于認識不足等各種原因，寒區(qū)隧道在后期運營過程中出現(xiàn)了各種各樣的病害，諸如襯砌開裂、剝落、掛冰和路面冒水、結冰以及洞口處的熱融滑塌，給隧道的安全運營和后期的維修養(yǎng)護帶來困難。針對以上常見病害，工程上可以以病害產(chǎn)生的原因為突破口，采用加強襯砌結構、綜合治水、保溫隔熱防凍、更換土壤、防止融塌等措施，為已有隧道的病害治理和新建隧道的病害防治提供參考，為隧道的安全運營提供保障。

【參考文獻】

[1]覃荷瑛，趙艷林，邢心魁.某寒區(qū)隧道裂縫成因與防治[J].混凝土.2010（4）：128-129+144.