哈爾濱三環(huán)路典型路隧涎流冰成因分析及防治措施

趙天望，戴長(zhǎng)雷，張凱文

(1.黑龍江大學(xué)寒區(qū)地下水研究所，哈爾濱 150080；2.黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院，哈爾濱 150080；3.黑龍江大學(xué)中俄寒區(qū)水文和水利工程聯(lián)合試驗(yàn)室，哈爾濱 150080)

0 引 言

近年來(lái)，中國(guó)交通建造的速度快、數(shù)量多，也取得了很大的成果。國(guó)家為促進(jìn)交通基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展，中國(guó)的公路隧道工程不斷的向邊緣地區(qū)擴(kuò)建，其中也包括部分高寒地區(qū)。在北方寒冷地區(qū)，路隧出現(xiàn)的滲水結(jié)冰現(xiàn)象，不僅嚴(yán)重影響行車安全，也減少了路隧工程的使用壽命，增加了運(yùn)營(yíng)和養(yǎng)護(hù)的成本。如何在設(shè)計(jì)、施工過(guò)程中做出較好的預(yù)防，在運(yùn)營(yíng)中面對(duì)這類病害有效的處理措施，顯得越來(lái)越重要。為此，本課題開(kāi)展了路隧涎流形成原因的調(diào)查與研究，提高路隧的耐久性和結(jié)構(gòu)承載能力，保障公路隧道的運(yùn)營(yíng)安全。

1 涎流冰介紹

涎流冰，又叫“冰錐”、“冰柱”、“冰掛”，是指水碰到溫度≤0℃的物體表面時(shí)所形成的表面粗糙無(wú)光澤或透明玻璃狀的冰覆蓋層。鄒德昊[1]等通過(guò)模擬試驗(yàn)得出冰柱初步生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程。冰體多為錐體狀，錐尖鋒利，垂直向下，一旦墜落傷及行人、車輛，后果不堪設(shè)想。隧道滲水問(wèn)題已成為工程界備受關(guān)注的問(wèn)題[2]，但地處東北地區(qū)，氣溫較低，雨雪較多。其次，季節(jié)性凍土與覆蓋層等長(zhǎng)期處于低溫條件下就易出現(xiàn)涎流冰現(xiàn)象。形成這種現(xiàn)象的原因有很多而且復(fù)雜，不同因素甚至相互影響。顯然，這種現(xiàn)象也暗示著目前寒區(qū)路隧的病害防治仍需要深入研究。通過(guò)調(diào)查和分析，對(duì)其原因進(jìn)行分類，并不斷的追蹤問(wèn)題出現(xiàn)的深層次原因，這將有助于各種有效防治措施的制定。

文章根據(jù)黑龍江省哈爾濱市某路隧的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況，針對(duì)寒冷地區(qū)當(dāng)前公路隧道施工的現(xiàn)狀，分別從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、氣候條件、接縫和防排水處理等多個(gè)角度分析，研究路隧滲水結(jié)冰的機(jī)理，提高防治技術(shù)。

2 寒冷地區(qū)路隧滲水結(jié)冰及其成因分析

2.1 寒冷地區(qū)常見(jiàn)的路隧滲水結(jié)冰的表現(xiàn)形式

黑龍江省哈爾濱市某公路隧道自正式通車以來(lái)，經(jīng)過(guò)幾年的運(yùn)營(yíng)，路面的伸縮縫和施工縫因溫差變化大、地基不均勻沉降、設(shè)計(jì)和施工缺陷等原因，導(dǎo)致隧道底部出現(xiàn)開(kāi)裂、剝落的現(xiàn)象，隧道底部出現(xiàn)明顯開(kāi)裂、剝落，見(jiàn)圖1。路隧建造完成后容易出現(xiàn)滲漏水問(wèn)題，水流順著裂縫方向不斷延伸，擴(kuò)大受侵面積，增加滲水量[3]，隧道底部出現(xiàn)大量滲水現(xiàn)象，見(jiàn)圖2。

圖1 隧道底部出現(xiàn)明顯開(kāi)裂、剝落

圖2 隧道底部出現(xiàn)大量滲水現(xiàn)象

中國(guó)東北部，屬于高寒地區(qū)，具有獨(dú)特的地理環(huán)境。較長(zhǎng)的低溫條件，使得混凝土容易開(kāi)裂，造成新的滲漏，路隧底部滲水處遇到冷空氣出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象。這不僅對(duì)路隧結(jié)構(gòu)本身造成了很大的損害，也給交通安全帶來(lái)很大的隱患[3]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察的情況，在寒冷地區(qū)的冬季，路隧的多處施工縫及邊坡處出現(xiàn)多處開(kāi)裂、孔洞。外部的裝飾及施工材料嚴(yán)重脫落，并出現(xiàn)多處涎流冰，隧道底部出現(xiàn)大量涎流冰，見(jiàn)圖3。

圖3 隧道底部出現(xiàn)大量涎流冰

水源是造成滲漏的主要原因之一，路隧滲水的來(lái)源一方面是地表水，另一個(gè)是地下水匯流[4]。在冬雨季，路面融化的雪水是涎流冰產(chǎn)生的物質(zhì)基礎(chǔ)，順著結(jié)構(gòu)下部雪水緩慢向下流淌，在隧道中遇到冷空氣的產(chǎn)生凝結(jié)，形成覆冰，隨著時(shí)間的增加，冰體繼續(xù)向下發(fā)展形成涎流冰。當(dāng)涎流冰的體積不斷增大，自重達(dá)到極限時(shí)，在風(fēng)荷載的作用下冰體發(fā)生破壞[5]。又由于涎流冰一般成密集排列，凝結(jié)在一起，并且下端成錐形狀，高空墜落危險(xiǎn)系數(shù)較大，嚴(yán)重影響行車安全[6]，隧道里汽車行駛畫面，見(jiàn)圖4。

圖4 隧道里汽車行駛畫面

通過(guò)實(shí)地考察，測(cè)定當(dāng)日溫度，對(duì)滲水處進(jìn)行觀察。受調(diào)查環(huán)境所限，不能對(duì)冰體進(jìn)行精確測(cè)量。于是通過(guò)拍攝照片，記錄冰體形態(tài)，不同時(shí)間涎流冰的形態(tài)，見(jiàn)圖5?，F(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)相同部位在不同環(huán)境條件下涎流冰的數(shù)量變化，發(fā)現(xiàn)在0 ℃以上未見(jiàn)冰體產(chǎn)生，當(dāng)溫度處于0 ℃以下時(shí)開(kāi)始形成涎流冰。隨著時(shí)間的推移，滲水量變大，冰體也開(kāi)始發(fā)育，使得涎流冰數(shù)量增多，不同環(huán)境條件下滲水處涎流冰數(shù)量變化情況，見(jiàn)表1。

(a)拍攝于2020.11.13

(b)拍攝于2020.11.18

(c)拍攝于2020.12.22

(d)拍攝于2021.04.08

表1 不同環(huán)境條件下滲水處涎流冰數(shù)量變化情況

在中國(guó)公路路隧工程建設(shè)的過(guò)程中，滲水病害一直是工程界關(guān)注的重點(diǎn)，成為了路隧的質(zhì)量通病之一，又由于寒冷地區(qū)的地域特點(diǎn)，導(dǎo)致結(jié)冰。這也成為了寒區(qū)交通事業(yè)發(fā)展的一大難題。

2.2 寒冷地區(qū)路隧涎流冰的成因分析

2.2.1 從結(jié)構(gòu)本身分析

根據(jù)調(diào)查可知，目前大部分的公路隧道多采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)時(shí)間的重荷載的重復(fù)作用下，容易導(dǎo)致路面梁板反復(fù)拉伸，從而降低結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。再加上濕度、溫度等因素而產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的緊密性變差，形成細(xì)微裂縫，當(dāng)路面地表水、積水、雨水未有效處治或快速蒸發(fā)，在汽車的反復(fù)碾壓下，透過(guò)裂縫滲流到路面底部，從而造成滲水現(xiàn)象[7]。另一方面，由于鋼筋遇水受侵蝕，易生銹，并與空氣反應(yīng)，產(chǎn)生過(guò)多氫氧化鐵侵蝕物，從而對(duì)周邊混凝土產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，使得混凝土進(jìn)一步開(kāi)裂。受侵蝕影響，鋼筋強(qiáng)度降低且發(fā)生變形，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載力下降。以至于誘發(fā)更多的裂縫，加快水分向下滲流。

2.2.2 從氣候條件分析

東北地區(qū)，冬季較長(zhǎng)，雨雪天氣較多，且屬于高寒季節(jié)冰凍區(qū)。冬季施工過(guò)程中，對(duì)混凝土澆注后不采取保溫措施，氣溫處于零下，混凝土吸水飽和，容易發(fā)生凍脹。此時(shí)混凝土中骨料空隙多，易吸水；混凝土水灰比較大、振搗不密實(shí)；再加上前期養(yǎng)護(hù)措施不足，導(dǎo)致混凝土受凍，影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，易產(chǎn)生裂縫[8]。

由于北方地區(qū)溫度較低，當(dāng)溫度<0℃，水結(jié)冰而膨脹會(huì)破壞混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)而使建筑材料不密實(shí)。使得裂縫進(jìn)一步擴(kuò)張，最終導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。而鋪裝層裂縫的擴(kuò)張，會(huì)引起滲水問(wèn)題的發(fā)生，這一過(guò)程周而復(fù)始， 最終造成鋪裝層發(fā)生嚴(yán)重的破壞問(wèn)題，以至于路隧底部開(kāi)裂、剝落，并出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。當(dāng)裂縫處滲水后，水滴向下流，遇到冷空氣凝結(jié)成冰，然后滲水繼續(xù)沿著形成的冰體向下延伸，從而形成涎流冰形態(tài)。

2.2.3 從接縫和防水處理分析

由于，施工過(guò)程中接縫處理方法不當(dāng)，容易導(dǎo)致伸縮縫、施工縫出現(xiàn)嚴(yán)重滲漏[9]。這種病害在路隧建造中比較普遍，并且危害性比較大，在下雪或者雨季的時(shí)候，縫隙間經(jīng)常出現(xiàn)漏水，遇冷空氣凝結(jié)成冰，以至于隧道頂部易出現(xiàn)涎流冰現(xiàn)象。冰體發(fā)育過(guò)程中會(huì)造成周圍結(jié)構(gòu)產(chǎn)生開(kāi)裂，形成地下水匯流通道，產(chǎn)生局部水壓力使裂縫變寬，為冰體發(fā)育創(chuàng)造“空間”。

施工時(shí)通常用泄水管和排水管進(jìn)行排水處理。但是，在施工的過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)管道凍壞破損;注漿時(shí)造成泄水孔和排水孔堵塞;防排水工程設(shè)計(jì)不合理、方案不完善等問(wèn)題，嚴(yán)重影響防水效果。

3 路隧滴水涎流冰的防治措施

3.1 加強(qiáng)防排水措施

對(duì)于路隧涎流冰現(xiàn)象主要是由于水的凍結(jié)造成的。因此，必須優(yōu)化路隧工程的排水系統(tǒng)，制定更加合理的防排措施，有效的解決滲漏問(wèn)題。做到雨季不積水，冬季無(wú)積雪。

1)在選擇泄水管和排水管時(shí)，盡量選擇硬度大且抗凍的材料，避免在施工過(guò)程中因材料問(wèn)題造成破損，也防止水類病害的進(jìn)一步擴(kuò)展和蔓延[10]。另外，埋設(shè)管道的同時(shí)在其周圍設(shè)置防護(hù)材料。不僅減少澆注混凝土?xí)r造成的破壞。也可防治其在隧道運(yùn)營(yíng)過(guò)程中受水侵蝕。在泄水管埋設(shè)時(shí)確定足夠的長(zhǎng)度，避開(kāi)道路主體部分，保證水流能夠排走。為避免排水管漏水沖刷混凝土，應(yīng)定期檢查維修排水管道。排水口的寬度也不宜設(shè)置過(guò)小，以防堵塞，影響排水效果。

2)重視接縫處理工作，如伸縮縫、施工縫等部位的施工方法和順序，提高接縫的平整度以及結(jié)構(gòu)的完整性[11]。通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，隧道施工過(guò)程中接縫處極易在冬季滲水結(jié)冰，一方面是因?yàn)槭┕ろ樞蛴姓`，導(dǎo)致路面壓實(shí)度不足。另一方面，是因?yàn)樵谔幚斫涌p處時(shí)混凝土振搗不足導(dǎo)致厚度不夠，與其他面層之間出現(xiàn)高低差，從而形成積水縫。冬季易局部結(jié)冰，形成凍脹力，引起混凝土強(qiáng)度的損失和破壞?？p隙處經(jīng)常被認(rèn)為是凍害最嚴(yán)重、最集中的地方，使得路隧整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低，所以在施工過(guò)程中應(yīng)高度重視接縫處的施工質(zhì)量。

3.2 及時(shí)養(yǎng)護(hù)

在澆注水泥后，由于沒(méi)有及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，導(dǎo)致水泥表面水分快速蒸發(fā)，造成體積較大收縮。并且混凝土內(nèi)部水分較多，也導(dǎo)致表面收縮量增大，從而路面產(chǎn)生裂縫，路面上的雨水向下滲流。所以，為提高結(jié)構(gòu)應(yīng)在混凝土澆注完成后及時(shí)實(shí)施養(yǎng)護(hù)工作，并適當(dāng)?shù)脑黾羽B(yǎng)護(hù)時(shí)間。此外，還應(yīng)加強(qiáng)日常防護(hù)，滲漏部位要重新維修。出現(xiàn)涎流冰時(shí)，應(yīng)盡早組織人員將其打落，清理干凈。由于寒冷地區(qū)多雨雪天氣，在雨雪后及時(shí)清掃，以防路面積水。對(duì)于涎流冰出現(xiàn)較多，且不好打理的地方應(yīng)組織相關(guān)部門修補(bǔ)，保證道路交通能夠及時(shí)運(yùn)行。

3.3 采取保溫措施

在隧道施工層中開(kāi)設(shè)保溫層，通過(guò)保溫設(shè)施來(lái)提高溫度，使得水沒(méi)辦法結(jié)冰，防止混凝土產(chǎn)生膨脹應(yīng)力受到破壞，消除路面滲水對(duì)混凝土的收縮[12]。在保溫層周邊混凝土間摻加防潮材料，保證混凝土的水灰比。這也提高混凝土的密實(shí)度。在寒冷地區(qū)的冬季，冷空氣與路面的熱交換是產(chǎn)生凍害的原因之一，使得路隧內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，造成破壞。所以在選擇保溫材料的時(shí)候，盡量選擇隔熱防凍的材料。并在施工過(guò)程中對(duì)保溫層的鋪設(shè)方式、層間厚度及長(zhǎng)度做出合理的設(shè)計(jì)。也可以結(jié)合工程概況，在隧道中采用地源熱泵、電伴熱等增溫技術(shù)，作為保溫方式[13]。

4 結(jié) 論

隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施不斷完善，公路隧道的數(shù)量及規(guī)模逐漸增加。在交通運(yùn)輸工程建設(shè)和國(guó)家發(fā)展的過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用。它的工程質(zhì)量和安全性也成為了大眾關(guān)注的焦點(diǎn)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，分析寒冷地區(qū)路隧出現(xiàn)滲水結(jié)冰的原因。利用數(shù)據(jù)與實(shí)際現(xiàn)象相結(jié)合的方式得出以下結(jié)論：

1)滲水是造成結(jié)冰的主要原因之一，地面水和地下水的匯流，為冰體發(fā)育提供物質(zhì)基礎(chǔ)。由于北方地區(qū)多雨雪天氣，且低溫條件持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，也為成冰過(guò)程提供特殊“條件”。

2)隧道涎流冰現(xiàn)象的出現(xiàn)是由于多種因素共同影響的，在制定防治措施的同時(shí)，應(yīng)綜合考慮，這樣才能將各種措施靈活地運(yùn)用到實(shí)際工程中去。

3)結(jié)合寒區(qū)公路隧道的特點(diǎn)，對(duì)寒區(qū)路隧防滲水措施進(jìn)行分析研究。提出以防排水為主，采取保溫措施為輔的綜合治理技術(shù)，為公路隧道建設(shè)提供參考。