我對隧道凍害的基本認(rèn)識

關(guān)寶樹

(西南交通大學(xué)，成都 610031)

嚴(yán)寒地區(qū)也不是所有隧道都發(fā)生凍害的，這說明是否發(fā)生凍害是有條件的，只有搞清楚這些條件，才能對凍害的預(yù)防和整治給出明確的答案。

解決這個問題的前提條件是:搞清楚圍巖的凍融特性。

眾所周知，圍巖的凍融特性與圍巖構(gòu)造、組成成分、性質(zhì)、圍巖含水量以及溫度有關(guān)。

圍巖的凍融特性主要表現(xiàn)在:凍結(jié)過程中的凍脹力和凍融過程中對圍巖的損傷(構(gòu)造破壞、強(qiáng)度喪失等)。因此，預(yù)防凍害就是要預(yù)防在凍融過程中對圍巖的損傷。也就是說，要減少凍融循環(huán)的次數(shù)及其對圍巖損傷的力度(圖1)。

圖1 凍融循環(huán)的特征概念

防凍害要以“圍巖為本”，要在圍巖上做文章。

影響圍巖凍融特性的因素是什么?我主要從以下幾個方面進(jìn)行討論。

1 圍巖含水量與凍害的關(guān)系

沒有地下水，也就是說圍巖不含水，就不會發(fā)生凍結(jié)，也就不會發(fā)生凍害。

即使圍巖含水，視其含水量，會凍結(jié)，但不一定發(fā)生凍害。

只有圍巖含水，而且含水量大于某一限界時，圍巖才會發(fā)生凍脹，其凍融過程才會造成對圍巖的損傷，從而產(chǎn)生隧道凍害。

解決這個問題的關(guān)鍵——圍巖的凍脹性(凍融特性)與圍巖含水量的關(guān)系。

日本通過未固結(jié)圍巖的試驗，得到含水量與凍脹率的關(guān)系示于圖2。含水量越大，凍脹率也越大。含水量在20%以下時，凍脹率都在10%以下，是很小的。這樣的凍脹率是不會產(chǎn)生凍害的。

圖2 圍巖凍脹率和含水量的關(guān)系

日本對圍巖的耐久性進(jìn)行了不少研究，例如在“凍融循環(huán)作用下巖石的破壞過程和耐久性評價”一文中，對12種巖類，進(jìn)行了質(zhì)量損失、吸水率、動彈性系數(shù)、P波速度等的試驗，并提出了評價巖石在凍融循環(huán)作用下的耐久性的方法。研究采取了裂隙發(fā)育的巖石和具有層狀構(gòu)造的巖石等樣品12種為對象，進(jìn)行了300次凍融循環(huán)的試驗。12種巖石樣品包括砂巖、綠色巖、泥質(zhì)片巖。砂巖和綠色巖有方解石貫入，泥質(zhì)片巖a是沿片理裂隙發(fā)育的，泥質(zhì)片巖b是幾乎沒有裂隙的。此外還包括凝灰?guī)r和溶解凝灰?guī)r、石灰?guī)r、安山巖、白云巖、片巖及泥巖等。這些樣品有的是裂隙發(fā)育的，有的是侵入巖脈，有的是破碎的。因此在試驗時要注意軟弱面的影響。

下面是一些試驗結(jié)果及其考察。

1.1 破壞的發(fā)展過程(圖3)

圖3 凍融試驗的巖石試件的破壞過程

300次凍融循環(huán)的未破壞巖石的質(zhì)量損失列于表1。

表1 300次凍融循環(huán)的質(zhì)量損失和吸水率

由表1可知，300次循環(huán)，未破壞巖石的質(zhì)量損失都在0.17%以下，幾乎沒有產(chǎn)生剝離。而發(fā)生破壞的巖石的質(zhì)量損失則如圖4所示。其中泥巖最為顯著。

1.2 吸水率

泥質(zhì)片巖a、凝灰?guī)r、溶解凝灰?guī)r的吸水率示于圖5。

1.3 X線CT的內(nèi)部觀察(圖6)

為了解決隧道凍害問題，我們必須從圍巖凍脹性著手進(jìn)行系統(tǒng)的研究。不了解圍巖凍脹性與含水量的關(guān)系，就不可能徹底地解決隧道的凍害問題。

從圍巖含水量出發(fā)，一般說含水量在20%以下，可以發(fā)生凍結(jié)(凍脹)，但不會發(fā)生凍害。這是判定是否發(fā)生凍害的一個準(zhǔn)則。

圖4 質(zhì)量損失與凍融循環(huán)數(shù)

圖5 吸水率與凍融循環(huán)數(shù)

2 發(fā)生凍害的圍巖(地質(zhì))條件

在調(diào)查既有隧道和室內(nèi)試驗的基礎(chǔ)上，日本認(rèn)為凍害主要發(fā)生在:

新第三系的沉積巖及壚坶質(zhì)的破碎物;

發(fā)生凍結(jié)的隧道襯砌背后的圍巖，都發(fā)生了圍巖凍脹現(xiàn)象，這是隧道產(chǎn)生變異的外力根源;

新第三紀(jì)中～上部的軟質(zhì)而且細(xì)粒的泥巖及凝灰?guī)r;

吸水量20%以上的軟質(zhì)的泥質(zhì)巖及凝灰質(zhì)巖;

巖石因長年風(fēng)化作用而破碎的場合;

中硬巖～硬巖的地質(zhì)中，變異一件都沒有發(fā)生。

這說明，在大多數(shù)圍巖中，特別是中硬巖～硬巖的圍巖中，基本上不會發(fā)生凍害。也就是說，這些圍巖即使含水量超過20%，也不會發(fā)生凍害。工程實踐也證實了這一點。

圖6 各種巖石試件的CT斷面三維顯示

日本通過室內(nèi)試驗，也說明以單軸抗壓強(qiáng)度為界，凍脹率有很大差異。即:巖石強(qiáng)度在5.0 MPa以下，凍脹率很大，但在5 MPa以上幾乎沒有發(fā)生凍脹(圖7)。圖8是單軸抗壓強(qiáng)度正好在5 MPa，凍脹率是5%的凍結(jié)狀態(tài)。試驗前基本上是均質(zhì)的，凍結(jié)后一部分開裂，解凍后試樣從開裂處破壞。

圖7 單軸抗壓強(qiáng)度和凍脹率的關(guān)系

圖8 凍脹試驗后的狀況

3 發(fā)生凍害的溫度條件

從發(fā)生凍害的隧道調(diào)查中，可以看到，在同一座隧道中，發(fā)生凍害的部位是不同的。這除了與上述兩個因素有關(guān)外，主要是由溫度條件決定的。

一般說，當(dāng)隧道超過一定長度后，凍害基本上發(fā)生在洞口附近，因此，洞口段是防凍害設(shè)計的重點。

圍巖凍結(jié)只在冬季發(fā)生。

變異具有明顯的季節(jié)變動特性(圖9、圖10);變動量:開裂寬度在5～10 mm;凈空位移在10～40 mm。與混凝土的溫度膨脹、收縮有明顯的區(qū)別。

圖9 隧道開裂和溫度的關(guān)系

冬季發(fā)生的變異，夏季不能完全恢復(fù)，殘留位移是累積的，到冬季時會急劇發(fā)展(圖11)。

位移最大的情況，一般發(fā)生在3月，約與外氣溫有1個月的相位差，圍巖的凍結(jié)深度也是此時最大。

是否發(fā)生凍害與累計寒度(凍結(jié)指數(shù))有關(guān)。累計寒度定義是:1年中0℃以下的日平均氣溫之和。根據(jù)調(diào)查與事例分析，凍害一般發(fā)生的累計寒度大于400℃·d以上的地域。圖9的數(shù)據(jù)也說明了這一點。在進(jìn)行事例調(diào)查中，要關(guān)注累計寒度的數(shù)據(jù)。這是判定是否發(fā)生凍害的一個基準(zhǔn)。

圖10 開裂寬度的變化(中山隧道)

圖11 襯砌位移的變化

4 凍脹力與凍害的關(guān)系

凍脹力是因水凍結(jié)后的體積膨脹所引起的。凍脹力的特點之一是向約束小的方向膨脹。特點之二是凍脹力不是均勻分布的，而是局部集中分布的。

第1個特點決定了對襯砌的凍脹力，一般說是不大的。襯砌背后的圍巖的凍脹是受到約束的，但在凍脹過程中，由于圍巖裂隙的存在，凍脹多數(shù)場合是向圍巖深部擠壓，因而，大大減小了向襯砌側(cè)的擠壓。這是對襯砌的凍脹力小的主要原因。

第2個特點可以用圖12的在隧道周邊圍巖中水的存在加以說明。一般說，在裂隙圍巖中，水并不是均勻地分布在隧道周邊的圍巖中，多數(shù)是局部存在的(與圍巖滲透系數(shù)的各向異性有關(guān))，因此發(fā)生的凍脹也不可能是均勻分布的。

通過調(diào)查和測定，襯砌受到的凍脹力，例如，東北林區(qū)的朝陽2號隧道，現(xiàn)場實測的凍脹力僅為25～200 kPa，是不大的。這與圍巖凍脹機(jī)制有關(guān)。

因圍巖凍結(jié)產(chǎn)生的隧道變異，凈空斷面的大小會隨著季節(jié)而變動，如圖13所示。因此，日本研究了既有隧道凈空縮小量與凍脹率的關(guān)系。圖14是其結(jié)果，但數(shù)據(jù)非常離散，凍脹率在20%以下時，斷面縮小量最大是4 mm，非常小。此值與混凝土因溫度變化引起的凈空斷面縮小量相同。因此，以圍巖凍脹率20%作為可能使隧道產(chǎn)生凍害的大致標(biāo)準(zhǔn)，并以此來推定凍脹力的大小。

圖12 凍脹力與凍害的關(guān)系

圖13 凍脹力造成隧道變異的基本模式

圖14 冬季內(nèi)凈空斷面縮小量和凍脹率的關(guān)系

5 圍巖凍脹性的判定

綜合上述，日本建議的圍巖凍脹性，以不發(fā)生凍害為目的，一般可根據(jù)表2的基準(zhǔn)判定。

表2 圍巖(巖石)凍脹性的判定指標(biāo)

上述的研究表明:只要把圍巖的含水量控制在一定水平之內(nèi)，圍巖即使發(fā)生凍結(jié)，圍巖發(fā)生的凍脹力也不會產(chǎn)生凍害。這個研究成果，需要進(jìn)一步加以驗證。

6 隧道初期缺陷是發(fā)生凍害的重要因素

多數(shù)凍害的發(fā)生與隧道初期缺陷的存在有關(guān)，如襯砌的初期開裂、襯砌背后存在空洞、施工質(zhì)量欠佳等。

隧道初期缺陷表現(xiàn)在以下幾個方面:

襯砌混凝土初期開裂;

防水板鋪設(shè)不良、破損;

襯砌背后回填不密實、存在空洞;

襯砌厚度不足;

排水系統(tǒng)不完善等。

在寒冷地區(qū)，具有上述初期缺陷的隧道，易于發(fā)生凍害。

實際上，在嚴(yán)格按照規(guī)范和工藝要求施工的隧道，基本上是不會發(fā)生凍害的。

7 隧道防凍害設(shè)計的基本原則

(1)不讓襯砌背后地下水凍結(jié)——根據(jù)當(dāng)?shù)販囟葪l件設(shè)置一定厚度的保溫層，使襯砌背后的溫度保持在不使圍巖發(fā)生凍結(jié)的范圍內(nèi);

(2)盡可能地減少襯砌背后一定范圍圍巖的含水量——根據(jù)地下水賦存狀況，采取注漿方法將該部分圍巖的含水量降低到圍巖即使凍結(jié)也不會造成危害的程度;

(3)建立一個通暢的，不經(jīng)由隧道內(nèi)排出地下水的排水系統(tǒng);并對排水系統(tǒng)采取保溫對策;

(4)提高初期支護(hù)和二次襯砌施工技術(shù)水平，確保完成的隧道不存在初期缺陷。

根據(jù)上述原則，建議如下:

(1)加強(qiáng)對圍巖凍脹性的基礎(chǔ)研究，建立以“圍巖為本”的設(shè)計理念;

(2)把預(yù)防凍害的發(fā)生，建立在盡可能地減少圍巖含水量的基礎(chǔ)之上，這是一勞永逸的對策;

(3)在上述對策的基礎(chǔ)上，在洞口段設(shè)置適當(dāng)?shù)谋卦O(shè)施(如隔熱層等)，把襯砌背后的溫度控制在不使圍巖發(fā)生凍結(jié)的溫度以上，作為輔助對策;

(4)不管是“全包”防水或“半包”防水，都應(yīng)設(shè)置良好的、通暢的排水系統(tǒng)。

8 預(yù)防凍害的設(shè)計方法

預(yù)防凍害的設(shè)計，實質(zhì)上是對圍巖、襯砌混凝土(包括噴混凝土)及隔熱材料的熱傳導(dǎo)率與溫度關(guān)系的設(shè)計。因此必須搞清楚三者的熱傳導(dǎo)率的特性。

(1)在預(yù)計可能發(fā)生凍害的隧道，設(shè)計時首先要搞清楚圍巖的導(dǎo)熱性(熱傳導(dǎo)率)。

在設(shè)計中，確定圍巖的導(dǎo)熱率是很重要的，但這個問題并沒有解決。例如日本北海道地區(qū)，約有200余座公路隧道。其中半數(shù)約106座，有開挖時的地質(zhì)描述，多數(shù)是在安山巖、玄武巖、砂巖、泥巖、凝灰?guī)r、黏板巖中修建的。從計算隔熱材厚度出發(fā)，需要安山巖、砂巖、泥巖、凝灰?guī)r、黏板巖、花崗巖等等熱傳導(dǎo)率數(shù)據(jù)。因此，對這些巖石進(jìn)行了熱傳導(dǎo)率的測定。共取試樣1 043塊，測定結(jié)果列于表3。

熱傳導(dǎo)率的測定值變化在0.3～5.3 kcal/m·h·℃比較廣泛的范圍內(nèi)。凝灰?guī)r、泥巖、砂巖的熱傳導(dǎo)率比較小，花崗巖、黏板巖的值比較大。安山巖居于中間。不同巖類熱傳導(dǎo)率的變化見表3。

表3 不同巖類熱傳導(dǎo)率的變化

目前計算隔熱材厚度采用的圍巖熱傳導(dǎo)率多取1 kcal/m·h·℃或2 kcal/m·h·℃。而從測定的熱傳導(dǎo)率(表3)，滿足1～2 kcal/m·h·℃的僅為表3的1/3弱。特別是，黏板巖完全不在1～2 kcal/m·h·℃之內(nèi)。因此，在計算隔熱材厚度時，不能一概取1 kcal/m·h·℃。以表4為例，如果襯砌背后不產(chǎn)生凍結(jié)的隔熱材厚度，在熱傳導(dǎo)率為1 kcal/m·h·℃的場合，是4 cm，則在2 kcal/m·h·℃的場合，隔熱材厚度僅為其1/2。

表4 不同熱傳導(dǎo)率對隔熱材厚度的影響

我們在過去的研究中，很不重視對這樣的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的研究，是很遺憾的。

(2)隔熱材料的導(dǎo)熱性(熱傳導(dǎo)率)

日本的隔熱材料，基本上有2種，一種是板狀隔熱材料，一種是噴射隔熱材料。在北海道的隧道中，曾進(jìn)行這2種材料的耐火性試驗。2種材料的基本性能列于表5。

表5 2種隔熱材料的基本性能

我們目前多采用板狀隔熱材料，最近長安大學(xué)曾在霧凇嶺公路隧道進(jìn)行了在二次襯砌表面噴涂聚氨酯的方法施作保溫層的方法，取得了良好的效果。

(3)二次襯砌混凝土及噴混凝土的導(dǎo)熱性(熱傳導(dǎo)率)。

日本在隧道設(shè)計中，二次襯砌混凝土及噴混凝土的熱傳導(dǎo)率都采用1.3 kcal/m·h·℃。因此，了解混凝土及噴混凝土的熱傳導(dǎo)率也是很重要的。

混凝土的熱傳導(dǎo)率與其含水量有關(guān)。含水量在4.5%～9.1%變化時，混凝土的熱傳導(dǎo)率變化在1.2～1.6 kcal/m·h·℃。含水量越高，熱傳導(dǎo)率也越大。北海道地域的隧道襯砌混凝土的含水量在4%～7%，因此，混凝土的熱傳導(dǎo)率多采用1.2～1.3 kcal/m·h·℃。

(4)隔熱層厚度的確定

日本確定隔熱層厚度的方法，并不復(fù)雜，主要根據(jù)各地域的溫度劃分及圍巖的熱傳導(dǎo)率來進(jìn)行的。例如把北海道地域的溫度條件劃分為6個地域，如表6所示。

表6 12月～2月的平均氣溫(北海道地域) ℃

隔熱層設(shè)定5 cm時，根據(jù)各地域及圍巖熱傳導(dǎo)率的變化，隔熱層背后的溫度變化列于表7。

表7 5 cm隔熱層時的隔熱層背后的溫度 ℃

如以隔熱層背后溫度在0℃以下，則當(dāng)圍巖的熱傳導(dǎo)率為1～2 kcal/m·h·℃，而且平均氣溫在-6～-10℃時，為保證隔熱層背后溫度在0℃以上，則需要的隔熱層的厚度，列于表8。

表8 北海道地域隔熱層必要的厚度 cm

這種模式化的設(shè)計方法是值得借鑒的。

編者注:此文是我國資深隧道專家關(guān)寶樹教授在第八屆鐵路隧道年會上的講座內(nèi)容。關(guān)寶樹教授對隧道凍害產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行了深入研究，特別是將日本在隧道凍害方面的研究成果進(jìn)行了系統(tǒng)分析和提煉，對指導(dǎo)我國寒區(qū)隧道的勘察設(shè)計、施工及營運(yùn)維護(hù)以及寒區(qū)隧道標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制定，具有很好的參考價值。為了保持講座內(nèi)容的完整和原汁原味，本刊未對有關(guān)附圖進(jìn)行編輯修改，量和單位也未編修，以饗讀者。