隧道凍害調(diào)查及保溫防凍技術(shù)措施探討

陳學(xué)峰

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

1 問(wèn)題的提出

在嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)，凍害是隧道常見的病害之一，而隧道的保溫防凍也一直是隧道工程師們關(guān)注的問(wèn)題:東北地區(qū)若干十幾年以前修建的隧道，冬季洞頂和側(cè)墻掛冰，夏天滲水，不僅襯砌結(jié)構(gòu)破壞，還危及行車安全;而近年修建的隧道，雖然在防凍保溫能力方面有了較大的提高，但仍有程度不同的病害發(fā)生。

因此，如何在隧道的建設(shè)中采取行之有效的措施，避免或減輕凍害的發(fā)生，是目前隧道工程界急需解決的問(wèn)題，開展隧道凍害機(jī)理及相關(guān)防治技術(shù)的研究具有重大的工程實(shí)際意義。

2 嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)隧道凍害的調(diào)查分析

我國(guó)在20世紀(jì)90年代以前修建的隧道，凡是年平均氣溫低于-1℃的，都有不同程度的凍害，有的隧道襯砌裂縫寬達(dá)5 cm，有的常年有7～8個(gè)月不能使用，而有的甚至報(bào)廢而全年不能使用。

牙林線嶺頂隧道是我國(guó)第一座修建在多年凍土中的隧道。全長(zhǎng) 936.8 m，所在地區(qū)年平均氣溫為-6.71℃。隧道出口端位于多年凍土區(qū)，季節(jié)融化最大深度為9 m左右，圍巖為凝灰質(zhì)角礫巖。設(shè)計(jì)時(shí)采用了普通水溝及襯砌背后注漿。主體工程1961年9月建成，同年11月發(fā)現(xiàn)了隧道病害現(xiàn)象，表現(xiàn)為:(1)隧道內(nèi)部普遍漏水，入凍后拱部掛冰，隧底形成冰筍，邊墻上出現(xiàn)1 m的大冰柱，隧底積冰厚度0.3～1.3 m;(2)邊墻襯砌產(chǎn)生環(huán)向裂隙，大多數(shù)位于襯砌工作縫處，裂隙寬由一般發(fā)絲寬至3 mm不等。

嫩林線塔河—樟嶺段的白卡爾隧道和西羅二號(hào)隧道在運(yùn)營(yíng)七八年后，由于凍害嚴(yán)重，于1974年進(jìn)行大修，整治病害。主要由于隧道內(nèi)特有的陰暗潮濕環(huán)境，用于保溫水溝的保溫材料難保持良好的狀態(tài)，襯砌周圍的水排不出，冬季凍脹，襯砌被凍裂剝落掉塊，拱部、邊墻掛冰，嚴(yán)重威脅行車安全。

南疆線奎先隧道，位于吐魯番至庫(kù)爾勒的南疆鐵路線上，是穿越天山中部分水嶺的越嶺隧道，全長(zhǎng)6 154.16 m隧道進(jìn)出口約700 m穿越多年凍土層，其余均在多年凍土下穿過(guò)。年平均氣溫-3.8℃，極端最低氣溫-33℃。隧道通車運(yùn)營(yíng)后，在冬季自然氣流情況下，洞內(nèi)氣溫下降，原設(shè)計(jì)的保溫水溝長(zhǎng)度不夠，正洞被凍結(jié)2 870 m，溝水漫流。1980年開始整治，在洞內(nèi)設(shè)防寒水溝3 859 m采用瀝青玻璃棉保溫，減少沿途散熱，使正洞側(cè)溝的水保持正溫流入平導(dǎo)洞中，出水口采用保溫設(shè)計(jì)。1985年又采取在防寒溝里加電熱器的方式進(jìn)行治理。

興安嶺隧道建于1903年，是由俄羅斯人設(shè)計(jì)和組織施工的，其襯砌為石膏石灰砂漿漿砌片石、粗鑿石或毛方石。該隧道位于高寒地區(qū)，最冷月份平均氣溫為-33℃，最大凍結(jié)深度為2.8 m，隧道的主要病害是由滲漏水結(jié)凍引起的，冬季危及行車安全，每年都要使用大量人力刨冰。為解決凍害，保證行車安全，使用單位后來(lái)對(duì)該隧道進(jìn)行了改建。

青藏鐵路西寧—格爾木段的關(guān)角隧道，出現(xiàn)了道床冬季上鼓、夏季翻漿冒泥和下沉，襯砌縱、橫、斜向裂縫以及滲水掛冰等凍害。

1989年建成的甘肅七道梁隧道，由于冬季氣候寒冷，排水溝凍結(jié)而使隧道排水不暢，造成襯砌背后產(chǎn)生凍脹現(xiàn)象，誘發(fā)襯砌混凝土開裂，造成隧道滲漏、路面結(jié)冰，影響行車安全。

兩伊鐵路位于興安嶺山麓地帶，平均海拔900～950 m，屬高寒地區(qū)。冬季嚴(yán)寒漫長(zhǎng)，最低氣溫在-47℃以下，土層最大凍深達(dá)3.2 m。其中哈布特蓋隧道凍害裂縫位置在兩側(cè)邊墻水溝蓋板頂面上方2～3 m，呈縱向?qū)ΨQ狀，裂縫寬度0.5～6 mm，從洞口向里由寬漸窄，個(gè)別處伴有豎向開裂，裂縫寬度0.5～2 mm，洞口段局部有錯(cuò)臺(tái)，錯(cuò)臺(tái)寬度0.5～1.5 mm;呼吉日延2號(hào)隧道凍害裂縫位置在兩側(cè)邊墻水溝蓋板頂面上方2～3 m，呈縱向?qū)ΨQ狀，裂縫寬度0.5～1.5 mm，從洞口向里由寬漸窄，無(wú)明顯錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象。

3 隧道的凍脹機(jī)理及凍害的表現(xiàn)形式

提起隧道的凍害，通常許多人首先會(huì)想到圍巖的凍脹壓力，因?yàn)樵S多資料在談到寒區(qū)隧道的凍害問(wèn)題時(shí)，對(duì)凍害產(chǎn)生的原因都籠統(tǒng)的歸結(jié)為“隧道襯砌混凝土在圍巖的凍脹壓力作用下開裂破壞”。但是，學(xué)者們通過(guò)分析和計(jì)算發(fā)現(xiàn)這種說(shuō)法并不準(zhǔn)確。事實(shí)上，造成隧道凍害的原因有很多方面，如襯砌混凝土的冰凍破壞、局部存水凍脹破壞、凍脹性圍巖凍脹破壞以及既有裂縫裂隙水的凍脹破壞等。隧道正是在以上因素的單獨(dú)作用或共同作用下產(chǎn)生凍害的。

隧道產(chǎn)生凍害的直接原因是冰凍或凍脹力作用，但有些隧道由于其他原因在暖季時(shí)就開裂，在凍融循環(huán)的作用下進(jìn)一步發(fā)展。最常見的就是隧道襯砌背后和底部的防排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)施工不當(dāng)，還有隧道三縫即沉降縫、變形縫和施工縫發(fā)生的滲漏水現(xiàn)象，尤其是施工縫開裂漏水更為突出。還有冬季施工沒有很好控制溫度而產(chǎn)生的溫度裂縫等。

通過(guò)大量?jī)龊λ淼赖恼{(diào)查分析，隧道凍害的主要表現(xiàn)形式主要有:

(1)因圍巖的凍害而引起襯砌結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，導(dǎo)致隧道襯砌結(jié)構(gòu)部分被推出，甚至隧道整體塌陷;

(2)因凍害導(dǎo)致隧道襯砌大面積產(chǎn)生酥裂、剝落、開裂;

(3)襯砌背部?jī)鼋Y(jié)，出現(xiàn)融解漏水，甚至涌水;

(4)隧道拱部出現(xiàn)冰柱;

(5)隧道側(cè)墻出現(xiàn)凍結(jié)，產(chǎn)生壁冰;

(6)隧道底部漫水、結(jié)冰。

4 隧道保溫防凍技術(shù)措施

經(jīng)過(guò)幾十年的實(shí)踐總結(jié)，人們逐漸認(rèn)識(shí)到嚴(yán)寒寒冷地區(qū)隧道防凍保溫工程是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，包括防凍保溫條件調(diào)查、防凍保溫措施選擇、防凍保溫設(shè)計(jì)、防凍保溫工程實(shí)施、防凍保溫效果、防凍保溫監(jiān)測(cè)與評(píng)估、防凍保溫優(yōu)化等。防凍保溫設(shè)計(jì)同樣也是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，應(yīng)依據(jù)科學(xué)、安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、節(jié)能的原則，靈活選擇保溫防凍措施，制定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

4.1 影響隧道防寒措施的幾種因素在設(shè)計(jì)中的考慮

影響隧道防寒設(shè)計(jì)的因素主要包括:當(dāng)?shù)刈罾湓缕骄鶜鉁?、隧道圍巖的地下水發(fā)育情況、隧道走向與寒冷季節(jié)主導(dǎo)風(fēng)向關(guān)系、隧道內(nèi)縱斷面坡度設(shè)置。

首先，防寒設(shè)計(jì)考慮的最主要因素是氣溫條件，大多數(shù)設(shè)計(jì)把最冷月平均氣溫作為主要依據(jù)，設(shè)計(jì)中采用的最冷月平均氣溫資料通常是各地區(qū)的氣象站資料，這個(gè)資料與所設(shè)計(jì)的隧道位置的氣溫條件通常會(huì)有一定出入?？紤]到取得各隧道工點(diǎn)位置的氣溫資料難度比較大，所以設(shè)計(jì)人員會(huì)在此資料基礎(chǔ)上采取的措施適當(dāng)加強(qiáng)。

其次，隧道走向與寒冷季節(jié)主導(dǎo)風(fēng)向關(guān)系也是防寒設(shè)計(jì)考慮的因素:通過(guò)對(duì)沈陽(yáng)鐵路局范圍內(nèi)白河至和龍鐵路的南山隧道進(jìn)行分析，當(dāng)?shù)刈畹驮缕骄鶜鉁貫?12.1℃(元月)，而實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)一月份最低平均氣溫為-22.3℃，遠(yuǎn)低于當(dāng)?shù)厥占臍鉁刭Y料，通過(guò)初步分析后得出結(jié)論認(rèn)為，主要原因是檢測(cè)數(shù)據(jù)的進(jìn)口位置位于背陰山區(qū)，其次風(fēng)向與隧道走向一致等。因此，設(shè)計(jì)在考慮當(dāng)?shù)刈畹驮缕骄鶜鉁氐耐瑫r(shí)，根據(jù)洞口朝向等，會(huì)適當(dāng)調(diào)整部分隧道防寒保溫措施設(shè)計(jì)。

第三，隧道地下水發(fā)育情況也會(huì)對(duì)凍害產(chǎn)生很大的影響:有關(guān)文獻(xiàn)資料表明，隧道凍害中，水是造成工程凍害的主要因素，特別是在隧道運(yùn)營(yíng)階段。據(jù)資料顯示，土質(zhì)地層及某些巖質(zhì)圍巖均易發(fā)生凍脹，巖質(zhì)地層如新第三紀(jì)中上部的軟質(zhì)泥質(zhì)巖和細(xì)粒凝灰?guī)r等，土質(zhì)圍巖的隧道中尤其是含水量較大的粉砂和黏性土層中的隧道較易發(fā)生凍脹破壞?；谝陨线@些原因，為減少圍巖中地下水引起的凍漲危害，在洞口一定范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)可以考慮采取注漿加固圍巖措施。

理論上說(shuō)隧道坡度越大，水溝內(nèi)水流速越大，越不容易發(fā)生凍脹，但目前還沒有文獻(xiàn)資料或統(tǒng)計(jì)結(jié)果能顯示說(shuō)明特定條件下:水溝凍結(jié)的臨界坡度是多少。目前相關(guān)規(guī)范規(guī)定水溝縱坡與隧道坡度一致，且不得小于3‰。

4.2 防凍保溫設(shè)計(jì)技術(shù)措施

防凍保溫設(shè)計(jì)技術(shù)措施包括被動(dòng)防寒措施和主動(dòng)供暖措施。主動(dòng)供暖存在能耗大、維護(hù)費(fèi)用高、環(huán)境污染等問(wèn)題，需要開發(fā)和研制節(jié)能型主動(dòng)供暖系統(tǒng)。目前國(guó)內(nèi)常用的是被動(dòng)防寒措施。下面就簡(jiǎn)要介紹一下這類防凍保溫設(shè)計(jì)技術(shù)措施。

目前國(guó)內(nèi)隧道防凍保溫措施主要包括:設(shè)計(jì)具有保溫性能的防排水系統(tǒng)，以保持隧道內(nèi)、襯砌后排水系統(tǒng)順暢或?qū)⒌叵滤艚^于隧道凍融圈之外;設(shè)計(jì)襯砌保溫隔熱層，使圍巖的熱量在冬季不逸出，并保證隔熱材料的表面溫度在冰點(diǎn)以上而防止凍害;襯砌結(jié)構(gòu)及其他方面考慮隧道的防凍問(wèn)題。

4.2.1 防排水系統(tǒng)防凍保溫技術(shù)措施

(1)抗凍混凝土:通過(guò)在襯砌混凝土添加引氣劑、抗裂防水劑，提高抗凍耐久性和增加密實(shí)度，提高抗?jié)B性。該法可有效地防止襯砌混凝土的冰凍破壞，但對(duì)襯砌背后圍巖及圍巖中水的凍脹性破壞沒有明顯的作用。

(2)抗凍鋼筋混凝土:抗凍脹設(shè)防段均需要設(shè)置。局部存水凍脹破壞和凍脹性圍巖中隧道結(jié)構(gòu)的凍脹破壞時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的凍脹應(yīng)力對(duì)襯砌厚度的變化并不敏感，因此，完全采用增加襯砌厚度的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)隧道抗凍并不可取。另外，隧道內(nèi)一旦有凍害發(fā)生，則襯砌中產(chǎn)生的拉應(yīng)力較大，因此采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)作為二次襯砌可以有效地防止襯砌開裂，提高結(jié)構(gòu)的承載能力。該法能提高混凝土結(jié)構(gòu)的柔韌性，但對(duì)較大的凍脹力有時(shí)會(huì)失效，設(shè)置較多時(shí)增加投資較多。

(3)襯砌后注漿和圍巖預(yù)注漿

此法是嚴(yán)寒地區(qū)隧道預(yù)防凍害的一種輔助方法。該法優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)注漿，可適當(dāng)降低襯砌后土層的含水率，或減少襯砌后圍巖存水空間，從而防止或抑制凍漲的發(fā)生。此外，隧道注漿還能提高圍巖的自穩(wěn)能力。隧道圍巖注漿不但能起到增大圍巖穩(wěn)定性和強(qiáng)度、防漏、止水，還能起到減輕和防止隧道凍脹的作用。這種方式對(duì)襯砌背后局部存水效果很好。該法的缺點(diǎn)是:一般注漿效果難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，同時(shí)，注漿止水的耐久性效果也不理想。

(4)防排水措施

結(jié)合規(guī)范，目前國(guó)內(nèi)對(duì)隧道的防排水基本采取“防、排、截、堵結(jié)合，因地制宜，綜合治理”的原則［1］。

①確立襯砌結(jié)構(gòu)自防水為根本，主體結(jié)構(gòu)的抗?jié)B等級(jí)為P10。當(dāng)隧道地處最冷月平均氣溫低于-15℃地區(qū)時(shí)，二次襯砌混凝土等級(jí)提高一級(jí)。

②隧道拱墻初期支護(hù)和二次襯砌之間防水采用EVA或ECB等防水板。

③長(zhǎng)隧道地下水發(fā)育時(shí)，采用徑向注漿方式加固隧道周邊地層，把地下水阻隔于地層最大凍結(jié)深度以外，防止地下水凍漲引起隧道結(jié)構(gòu)受損。

④施工縫、變形縫防水

常用的集中構(gòu)造形式:背貼式止水帶+止水條;背貼式止水帶+中埋式止水帶;中埋式止水帶+止水條+嵌填縫材料。其他新型的如預(yù)埋注漿管的施工縫構(gòu)造形式、帶接水盒的變形縫構(gòu)造形式。

(5)洞內(nèi)排水溝設(shè)置

目前，我國(guó)凍害地段隧道排水溝的設(shè)置方式主要有以下幾種。

①泄水洞

泄水洞是隧道排除地下水的主要措施之一，形似小隧道，位于隧道下方或旁側(cè)，利用豎井、鉆孔或巖石裂隙將隧道周圍的地下水降低，從而防止襯砌周圍介質(zhì)凍結(jié)對(duì)襯砌產(chǎn)生的凍脹影響。它適用于月均氣溫低于-25℃、黏性土凍結(jié)深度大于2.5 m的嚴(yán)寒地區(qū)。

②中心深埋滲水溝

中心深埋滲水溝是把水溝埋設(shè)于隧道內(nèi)相應(yīng)的凍害深度之下，利用地下水的初溫達(dá)到凍融平衡，從而達(dá)到防凍的目的。它適用于月均氣溫低于-15℃、凍結(jié)深度為1.5～2.5 m的嚴(yán)寒地區(qū)［2］。

③保溫水溝

保溫水溝，即在水溝上部設(shè)置上下雙層蓋板，蓋板間通過(guò)空氣隔熱或設(shè)保溫材料使水溝保溫。側(cè)面為加氣混凝土預(yù)制塊保溫層。

④中心保溫管溝

在隧道淺部(即淺于隧道內(nèi)的最大凍結(jié)深度)仰拱填充層內(nèi)直接埋設(shè)混凝土管，管外用保溫膜包裹。此方式施工、安裝方便，適用于所有地層。但保溫材料容易受潮失效，施工處理不好，形同虛設(shè)。另外一種設(shè)置方式是仰拱填充層中心水溝采用蓋板明溝，在溝內(nèi)設(shè)置預(yù)制直埋保溫管。此種方式施工、安裝及維修方便，但尚需要研究橫向?qū)芘c中心溝的連接方式，目前還沒有在實(shí)踐中采用，無(wú)成功的實(shí)例。

(6)環(huán)縱向排水盲溝

中心深埋水溝、泄水洞其配套的排水設(shè)施環(huán)縱向盲溝也需防寒，一般有深埋盲溝和保溫盲溝。深埋盲溝為深切槽，施工困難，增加施工時(shí)間，初期支護(hù)不能及時(shí)封閉成環(huán)，影響隧道的穩(wěn)定。保溫盲溝為盲溝于襯砌之間局部或全部設(shè)鋪保溫層，局部設(shè)保溫層保溫效果相對(duì)較差。

(7)洞外排水暗溝

保溫水溝、深埋水溝及防寒泄水洞內(nèi)的水流，流出隧道后，應(yīng)采用暗溝通過(guò)路塹地段流入地形低洼處。暗溝應(yīng)置于凍結(jié)深度以下。

(8)保溫出水口

在嚴(yán)寒地區(qū)，深埋水溝、防寒泄水洞、洞外暗溝均應(yīng)設(shè)置防寒出水口。防寒出水口有端墻式(適用于地形較陡處)和圓包頭式(適用于地形平坦處)兩種。

4.2.2 保溫隔熱設(shè)計(jì)技術(shù)措施

(1)鋪設(shè)保溫層

鋪設(shè)保溫層從保溫隔熱的機(jī)理上看，是屬于被動(dòng)型措施，在國(guó)內(nèi)已有較多寒區(qū)隧道采用，如風(fēng)火山隧道、昆侖山隧道，大阪山隧道等，效果也較為理想。

保溫層鋪設(shè)位置可有兩種:二次襯砌內(nèi)、二次襯砌與初期支護(hù)之間。兩種鋪設(shè)位置所采用施工工藝有較大不同;掛設(shè)、噴涂、粘貼等;保溫材料也可不同:高分子板材、高分子卷材、保溫砂漿等。很明顯，采用保溫隔熱設(shè)計(jì)，將使工程造價(jià)提高，并使工期加長(zhǎng)。

(2)設(shè)置防寒門

在隧道洞口設(shè)置防寒門可以非常直接地起到保溫隔熱作用，經(jīng)調(diào)查，防寒門在國(guó)內(nèi)極少采用，在鐵路隧道未見采用。制約防寒門推廣采用的關(guān)鍵是其控制技術(shù)的安全性和可靠性，特別是在鐵路提速的大環(huán)境下，若不能確?？刂萍夹g(shù)萬(wàn)無(wú)一失，防寒門是絕對(duì)不能允許被采用的，事實(shí)上，這一技術(shù)在國(guó)內(nèi)基本是空白。另一方面，即使控制技術(shù)成熟，防寒門的開啟頻次，對(duì)保溫隔熱效果的影響規(guī)律也是不得不考慮和研究的因素。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，業(yè)內(nèi)對(duì)于理想環(huán)境下隧道凍害機(jī)理的研究相對(duì)比較成熟，也較易理解，而對(duì)于特定隧道防止凍害發(fā)生的經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠的技術(shù)措施卻難有定論，特別是在不同環(huán)境條件下，系統(tǒng)性隧道防凍害技術(shù)的研究，以及相應(yīng)工程實(shí)踐相對(duì)匱乏［3］。筆者認(rèn)為，隧道凍害的防治應(yīng)采取多道防線、綜合治理的原則，并應(yīng)與隧道防排水技術(shù)研究緊密結(jié)合，具體技術(shù)措施特別是技術(shù)參數(shù)應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等反復(fù)研究、實(shí)踐和修正，進(jìn)而根據(jù)其適用條件，對(duì)防凍技術(shù)措施進(jìn)行系統(tǒng)性分類和歸納，以達(dá)到有效指導(dǎo)工程建設(shè)之目的，這同時(shí)也是筆者今后工作的一個(gè)努力方向。

［1］TB10003—2005 鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2010.

［2］TZ331—2009 鐵路隧道防排水施工技術(shù)指南［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2009.

［3］王夢(mèng)恕，等.中國(guó)隧道及地下工程修建技術(shù)［M］.人民交通出版社，2010.