公路隧道涎流冰發(fā)育過程中的水源及滲流通道分析

趙天望，戴長雷,*，鄒德昊，宋成杰

(黑龍江大學(xué) a.寒區(qū)地下水研究所；b.水利電力學(xué)院；c.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

在我國國土面積中約有1/2以上屬于寒區(qū)，約75%的寒區(qū)隧道存在凍害問題[1]，多表現(xiàn)為開裂滲漏、拱頂掛冰、路床結(jié)冰等形式。涎流冰現(xiàn)象作為一種較為嚴(yán)重的凍害形式，對隧道的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性影響較大。造成這類病害的原因有很多，主要包括施工、氣候、水文等影響因素。目前，國內(nèi)學(xué)者在隧道凍害方面已經(jīng)開展了相關(guān)研究。嚴(yán)曉東等[2]分別從施工工藝、排水系統(tǒng)、保溫處理等多個(gè)角度分析，總結(jié)高鐵隧道滲水結(jié)冰的原因，針對寒區(qū)隧道襯砌表面掛冰的現(xiàn)狀，提出改善措施，以提高高鐵隧道運(yùn)營的安全系數(shù)。朱小明等[3]根據(jù)甘肅省典型公路隧道的凍害案例，總結(jié)這類病害發(fā)生的原因以及應(yīng)對措施。劉立軍[4]通過資料收集和試驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合的方式，對寒區(qū)隧道凍害形成機(jī)理展開分析，針對寒區(qū)隧道的保溫技術(shù)提出改進(jìn)方法，為寒區(qū)隧道施工人員在保溫結(jié)構(gòu)處理時(shí)提供參考。王道遠(yuǎn)等[5]依據(jù)隧道滲漏結(jié)冰問題，分析局部存水凍脹力作用的影響，并提出隧道結(jié)構(gòu)的評價(jià)方式，為隧道冰害防治提供借鑒。

隧道涎流冰病害防治是一項(xiàng)困難的工作，任何影響因素的改變都有可能對隧道內(nèi)部造成破壞。本文以已通車的黎明大道公路隧道為研究對象，對隧道涎流冰發(fā)育過程中的水源及滲流通道展開研究，可為類似病害防治提供新思路。

1 工程現(xiàn)狀

1.1 公路隧道涎流冰的現(xiàn)場調(diào)查

哈爾濱市黎明大道公路隧道，全長1.2 km，隧道內(nèi)行車速度50 km·h-1，地層以泥巖、砂巖為主，等級為Ⅲ～Ⅳ級，行車道凈寬和凈高分別7.5 m和5.5 m，隧道埋深6～35 m。所在位置極端最低溫度-31 ℃，極端最高溫度30 ℃，最大凍結(jié)深度1.01 m，隧道內(nèi)最大風(fēng)速21 m·s-1。受地理位置影響，該區(qū)域長期受流水侵蝕，隧道邊墻和內(nèi)拱出現(xiàn)不同程度的開裂，冬季和春季氣溫較低時(shí)混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)凍脹破壞，嚴(yán)重影響隧道的使用功能。

實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，此隧道通車后，襯砌結(jié)構(gòu)多處外部裝飾及施工材料嚴(yán)重脫落，施工縫和預(yù)留伸縮縫出現(xiàn)開裂。經(jīng)歷雨雪天氣后，裂縫處開始出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，水流順著縫隙不斷蔓延，受侵面積逐漸增大。另外，寒冷條件下通過空氣對流，隧道內(nèi)部與外界進(jìn)行熱交換。外界冷空氣進(jìn)入隧道內(nèi)會帶走很多熱量，迅速降低內(nèi)部的溫度場，導(dǎo)致滲水長期維持在低溫條件下凍結(jié)成冰。隨著時(shí)間的增加，涎流冰開始大規(guī)模發(fā)育，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，也給交通運(yùn)營帶來極大的隱患，見圖1。

圖1 隧道涎流冰病害

1.2 涎流冰的形成

涎流冰，又稱“冰柱”“冰掛”“冰溜子”，隧道涎流冰現(xiàn)象是凍害表現(xiàn)形式之一。主要因?yàn)樗淼罎B漏處的水流受自重作用向下運(yùn)動，遇到冷空氣時(shí)形成涎流冰。開始，由于冰柱體積較小，徑流速度較大，不足以克服水流的機(jī)械能，冰體發(fā)育緩慢。隨著水源不斷向下滲流，涎流冰的長度和體重也持續(xù)增加。冰體發(fā)育初期面積增速較快，隨著時(shí)間的增長，冰體發(fā)育后期其表面積較小，涎流冰形態(tài)逐漸趨于穩(wěn)定[6]，見圖2。

圖2 涎流冰發(fā)育形態(tài)投影

涎流冰的重量和長度是描述冰體形態(tài)的重要指標(biāo)，兩者達(dá)到一定數(shù)值時(shí)冰體自由脫落[7]。由于所處環(huán)境條件不同，冰體大小存在差異。但總體形態(tài)類似錐形，上部的直徑大，下部的直徑小，尖角向下如同倒掛的利劍，從高處落下時(shí)形成的壓強(qiáng)較大，容易給行車和人身安全造成傷害，應(yīng)及時(shí)清除。

2 涎流冰發(fā)育過程中的水源及滲流通道

2.1 水源

公路隧道涎流冰是隧道凍害類型之一，在一定程度上對結(jié)構(gòu)造成破壞[8]。水為冰體發(fā)育提供物質(zhì)基礎(chǔ)，是影響冰體發(fā)育的重要因素。通過分析，發(fā)現(xiàn)隧道滲漏中的水源主要來自于地表水和地下水的滲流。

2.1.1 地表水

隧道表面的地表水主要是由雨水和融雪水匯流而成。在北方，冬季易在隧道表面產(chǎn)生積雪。當(dāng)陽光直射或者溫度升高時(shí)，積雪開始融化。表面的雨水和融雪水匯成的水流一部分被蒸發(fā)排走，另外一部分順著結(jié)構(gòu)表面裂縫發(fā)生下滲運(yùn)動。當(dāng)遇到強(qiáng)降雨天氣，隧道的溶洞和斷層區(qū)域匯集大量的水，會加重排水系統(tǒng)的排水壓力，一旦水流不能及時(shí)排出，就會導(dǎo)致隧道發(fā)生滲漏[9-10]。

黎明大道公路隧道為雙向車道，隧道長度短，襯砌裂縫左、右邊墻具有對稱性，屬于城市隧道類型?？v向裂縫具有明顯的季節(jié)性，冬季裂縫寬度較大，即使溫度升高也很難恢復(fù)[11]。裂縫隨著時(shí)間的推移具有累積性，縫隙的長度、寬度、數(shù)量相比之前有所增加，這也符合季節(jié)性凍脹開裂的特點(diǎn)，地表水容易在裂縫間產(chǎn)生聚集。地表水入滲在一定程度上影響隧道的穩(wěn)定性，通常利用隧道拱頂沉降與時(shí)間變化曲線來衡量，見圖3。為防止隧道沉降引起不穩(wěn)定，在隧道支護(hù)和導(dǎo)坑開挖時(shí)應(yīng)盡量降低對圍巖的破壞，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，減少地表水的入滲[12]。

圖3 隧道拱頂沉降-時(shí)間曲線

2.1.2 地下水

隧道施工過程中，通常依據(jù)經(jīng)過區(qū)域地下水量的多少，可將隧道所處環(huán)境分為富水區(qū)和非富水區(qū)。在富水區(qū)域，如果遇到強(qiáng)降雨時(shí)期，地下水位迅速上升，容易呈現(xiàn)高水位狀態(tài)。由于周圍土體和巖層具有一定的孔隙率和滲透性，高水位地方的水流會向四周擴(kuò)散。不同結(jié)構(gòu)層的透水性影響水分滲流運(yùn)動的方向，當(dāng)遇到透水性較大的位置地下水會向外涌出，造成隧道滲漏。

根據(jù)凍害分級原理和氣候及地下水條件對隧道凍害程度的影響，將氣候劃分為“溫”“冷”“寒”“重寒”“嚴(yán)寒”，將隧道凍害等級劃分為無、輕、中、重、嚴(yán)重5個(gè)等級。注：0 為Ⅰ級(凍害微)；2、3 為Ⅱ級(凍害輕)；4 為Ⅲ級(凍害中)；5、6 為Ⅳ級(凍害重)；7、8 為Ⅴ級(凍害嚴(yán)重)[13]，見表1。

表1 隧道凍害等級劃分

2.2 滲流通道

高寒地區(qū)，在公路隧道建造和運(yùn)營過程中，惡劣的氣候環(huán)境以及車輛高頻率通行帶來的風(fēng)速降低隧道內(nèi)部的溫度場，為涎流冰形成創(chuàng)造特殊條件[14]。結(jié)構(gòu)表面和內(nèi)部的裂縫為水源提供滲流通道，在拱頂表面或者邊墻流出，低溫條件下凝結(jié)成冰。

2.2.1 地表水的滲流通道

經(jīng)過多年運(yùn)營，隧道結(jié)構(gòu)表面發(fā)生開裂，出現(xiàn)軟弱層，受外荷載和自重作用影響，地表水容易向下滲流。另外，在施工過程中，多利用噴射混凝土作為襯砌的澆筑材料。混凝土材料凝結(jié)硬化后具有較大的強(qiáng)度，增加結(jié)構(gòu)的耐久性[15]。但是，與隧道周邊的圍巖相比，這種材料屬于有孔介質(zhì)材料，具有較大的滲透性，容易吸收水分。當(dāng)雨雪水匯流成地表水后，如果初期支護(hù)混凝土中的軟管或排水管排水效果不佳，水流會迅速下滲[16]，在初期支護(hù)混凝土中積存，此時(shí)支護(hù)層的裂縫成為了地表水的滲流通道。

防水層是初期支護(hù)混凝土和二次襯砌混凝土之間的防水結(jié)構(gòu)。在運(yùn)營的過程中，防水層材料受到上部結(jié)構(gòu)和圍巖的壓力發(fā)生損傷，另外由于初次支護(hù)和二次襯砌之間有溫度波動幅度差，容易發(fā)生縱向錯(cuò)動。寒冷地區(qū)溫度條件惡劣，隧道溫度場容易發(fā)生變化，導(dǎo)致防水層損傷，加速地表水向下運(yùn)動。

二次襯砌是在初期支護(hù)和防水層施工完成后，對隧道的內(nèi)部進(jìn)行再次加固支護(hù)的結(jié)構(gòu)層。主要的澆筑材料也是混凝土，跟初期支護(hù)中可能發(fā)生的滲水現(xiàn)象相似，隨著水源的不斷下滲，部分水流會沿著施工縫呈縱向延伸，使得隧道底部的裝飾板或者施工材料大面積受侵，導(dǎo)致隧道底部多處外部裝飾及施工材料嚴(yán)重脫落，施工縫和邊側(cè)等位置出現(xiàn)開裂，遇到較大水流時(shí)滲流通道會進(jìn)一步擴(kuò)大。

2.2.2 地下水的滲流通道

除了天然因素的影響，人為因素也會改變冰體發(fā)育過程中的滲水量。在隧道建造過程中，需要對隧道周圍的巖體進(jìn)行開挖處理，當(dāng)遇到特殊情況時(shí)還需要使用爆破方式進(jìn)行施工。雖然這些施工手段是為了保證隧道工程順利進(jìn)行，但也在一定程度上破壞隧道周圍巖體的完整度，使得原有的地下水流動方向發(fā)生改變。由于人為的破壞，導(dǎo)致一些裂隙巖體中由地下應(yīng)力場和地下水的滲流場相互作用達(dá)到的平衡狀態(tài)失衡，透過含水縫隙地下水會向外涌出。

對公路隧道工程進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)會考慮將地下水排除，多是在施工過程中設(shè)置排水管或引水管對高水位的地下水進(jìn)行排放。但實(shí)際上，當(dāng)隧道處于富水區(qū)或者遇到強(qiáng)降雨天氣時(shí)，一般的排水處理效果并不佳。另外，隧道仰供兩側(cè)的排水溝容易發(fā)生堵塞，也會造成隧道圍巖周邊的地下水和地表水無法及時(shí)排走[17]。除此以外，北方寒冷地區(qū)，雨雪量較大且溫度較低，更不利于水分的蒸發(fā)和排放。多種原因?qū)е赂咚坏叵滤粩嘞蛲鉂B流，在裂隙區(qū)域形成聚集，并且侵蝕隧道結(jié)構(gòu)層。經(jīng)過一段時(shí)間，圍巖周圍的積水變得更多，形成過大的水壓，對隧道的襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生壓力作用，破壞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[18-19]。由于襯砌結(jié)構(gòu)多是使用噴射混凝土，透水性較高，地下水會向結(jié)構(gòu)內(nèi)匯流，誘發(fā)襯砌滲漏問題。水流沿著縫隙不斷延伸，擴(kuò)大水侵面積。遇到冷空氣發(fā)生凝結(jié)，最終形成隧道涎流冰現(xiàn)象。

3 凍脹力作用產(chǎn)生的影響

隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)的裂縫為水源滲流提供通道，而圍巖凍脹力作用會引起隧道襯砌開裂，最終導(dǎo)致隧道發(fā)生凍害。在低溫環(huán)境條件下圍巖孔隙和裂隙中的水分開始凍結(jié)，致使體積發(fā)生膨脹，對襯砌結(jié)構(gòu)施加壓力。隨著水流的不斷蔓延，又會有新的水流進(jìn)入裂隙中。由于壓力逐漸增大，最終形成圍巖凍脹力，造成原有的縫隙變得更大，破壞二次襯砌結(jié)構(gòu)的密實(shí)性。不僅降低結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，也使得隧道內(nèi)部更容易發(fā)生凍害。

夏才初等[20]將凍脹力的計(jì)算方法主要?dú)w納為襯砌背后積水凍脹模型、凍融整體凍脹模型和含水風(fēng)化層凍脹模型3種。周敏娟[21]運(yùn)用ANSYS有限元軟件計(jì)算隧道襯砌背后的局部存水凍脹力。范磊等[22]根據(jù)局部積水凍脹模型, 分析凍脹力的成因和機(jī)理，并總結(jié)其計(jì)算公式。

3.1 計(jì)算模型及推導(dǎo)公式

在三角形存水空間的基礎(chǔ)上，假設(shè)其空間類型為正四面體，將立體化的形式轉(zhuǎn)化為三維形態(tài)。另外，考慮圍巖、襯砌、凍脹水體之間相互關(guān)聯(lián)，提出約束凍脹模型[23]，見圖4。圖中kL為襯砌剛度;ki為圍巖的第i個(gè)受壓面的抗壓剛度。其中任何一個(gè)約束剛度為0則凍脹壓力均為0。

圖4 約束凍脹分析模型

假設(shè)凍脹力表示為σf，根據(jù)凍脹模型σf滿足

σf=kLΔL=k1Δ1=…=kiΔi

(1)

式中：ΔL、Δi分別為襯砌、圍巖的第i個(gè)約束壁面上沿壓力方向的壓縮變形。在低溫條件下，水凝結(jié)成冰過程中產(chǎn)生的體積增量應(yīng)等于襯砌和圍巖的各約束壁面的彈性變形與面積的乘積，忽略硬化水體的壓縮性，可得

(2)

式中：α為水硬化成冰的體積膨脹率，可取9%；Si、SL分別為圍巖和襯砌的第i個(gè)約束壁面的面積大小；V為硬化后水體的體積。

由式(1)、式(2)可推導(dǎo)凍脹力公式為

(3)

為簡化計(jì)算，現(xiàn)假設(shè)圍巖和襯砌的受壓面邊長為a,圍巖的各受壓面的抗壓剛度為kr，則

(4)

3.2 凍脹力作用產(chǎn)生的影響

凍脹力作用不同位置產(chǎn)生的壓力大小會有所差異，可將主要的作用位置分為拱腰、拱頂、邊墻、拱底、拱腳5個(gè)部位。研究時(shí)均假設(shè)為正四面體，其邊長為400 mm，圍巖抗壓剛度取200 kPa·mm-1，根據(jù)上述推導(dǎo)式(4)可計(jì)算哈爾濱黎明大道公路隧道不同位置的凍脹力，見表2。

表2 不同位置凍脹力大小

由表2可知，隨著隧道襯砌抗壓強(qiáng)度的增大，凍脹壓力也逐漸變大。分析所研究的5個(gè)作用部位，在凍融條件下不同位置都存在一定程度的凍脹力，驗(yàn)證了其作用對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，間接導(dǎo)致隧道開裂，出現(xiàn)不同程度的凍害，嚴(yán)重部位生成大量涎流冰，見圖5。

圖5 凍脹力作用導(dǎo)致隧道開裂結(jié)冰

4 結(jié) 論

通過對哈爾濱典型公路隧道涎流冰病害現(xiàn)象調(diào)查分析，得出以下結(jié)論：

1)涎流冰現(xiàn)象是隧道凍害表現(xiàn)形式之一，內(nèi)部滲漏是引起這類病害的根本原因。冰體發(fā)育過程中地表水和地下水為其提供大量水源，沿著隧道表面的裂縫向內(nèi)流動，透過內(nèi)部裂縫穿過圍巖、初期支護(hù)、防水層以及二次襯砌等結(jié)構(gòu)層，在拱頂開裂處流出，長期處于低溫環(huán)境下發(fā)育成冰。

2)隧道襯砌和圍巖間的縫隙形成存水空間。低溫條件下裂隙間的積水發(fā)生凍結(jié)，體積也隨著增大，并且向外施加壓力形成圍巖凍脹力。在其應(yīng)力作用下隧道多處部位受到不同程度的破壞，增加裂縫開裂程度，進(jìn)一步擴(kuò)大滲流通道，導(dǎo)致隧道凍害更加嚴(yán)重。