寒区隧道工程的研究现状

擞蠢翠≥睁嗡地　工程　寒　区隧道工程的研究现状　姚伟，徐林生　（重庆交通大学土木建筑学院，重庆４０００７４）　【摘要】　从寒区隧道冻害的种类、影响因素、冻害形成机理、冻害的防治对策等方面着手，较为全面地　阐述了寒区隧道的研究现状。　【关键词】　寒区隧道；　冻害；　研究；现状　【中图分类号】ｕ４５２．２　５　【文献标识码】Ｂ　近些年来，随着我国经济建设的发展和西部大开发政策　的落实，修建了不少寒区隧道。寒区隧道如果罔岩含地下　ｌ寒区隧道冻害的类型、特征与影响因素　水，就会产生隧道冻害。冻害的循环发生，使衬砌混凝土产　我闰幅员辽阔，冻土地区分布广泛，多年冻上占整个陆　生开裂、变彤，导致衬砌承载力降低。寒冷环境所带来的一　地　土面积的１／５，现有的公路、铁路隧道相当一部分处于冻　系列冻害使寒区隧道工程的设计和施工面临许多新的问题，　Ｌ分布区。随着交通的进一步发展，在寒冷地ｐ（修建的隧道　并给后期运营维护与管理带来闲难。　不断增多，隧道冻害问题随之增多　：，部分寒　隧道冻害　状况统计如表１所列。　表１　我国部分寒区隧道冻害状况　名称　隧道类型　１　程概况　主要冻害状况　大坂山　局部多年冻土隧道　地处青海省，海拔３８００　ｍ，隧道全长Ｊ５３０　ｎｌ，年平均气温一３．１℃，极端最高气温２２．５℃，极　　１９９９年８月１８日通乍。冬季没有出现明显的渗漏，洞内无积　隧道　（公路隧道）　端最低气温水、３４℃，年降水量８４１．４　ｍｉｌｌ　结冰　鹧鸪山　非多年冻土隧道　地处川西高原东北部的邛崃山脉，海拔３５００　２００１年下半年开始动ｌ　建设，２００３年７月　Ｆ导贯通，２００４年　隧道　（公路隧道）　ｍ，全长４４２３　ｍ，极端最高气温２８．２℃，极端最　月主洞贯通，２００５年１月竣工通车。目前，鹤鹄山隧道洞内的　低气温一３１．１℃　温度场变化及保温层隔热层的抗冻效果仍在进一步观测中　秦皇岛一青龙公路梯子岭隧道是在原运铁矿　１９９３年８月开＿＝【：建设的，１９９４年ｌ２月竣　交付使用　１９９７　橼｝‘峻　非多年冻土隧道　隧道基础上改建而成的。全长１１４２．７４　ｍ，位　年３月开工改建，１９９７年８月竣工。部分衬砌表面渗漏结冰，　隧道　（公路隧道）　于青龙县北部山区。年平均气温８．９℃，年最　形成的冰溜延伸到路面，拱顶滴水在路面也形成了冰溜，衬砌　低气温一２９．２℃　和排水沟均凶冻胀出现了明显的开裂病害　昆仑山　多年冻土隧道　位于青藏铁路多年冻土区北端，全长１６８６　ｍ，进出口海拔高程分别为４６４２．６６　ｎｌ和４６６５．９１　　２００１‘Ｆ　９月开ＩＶ．，２００２年９月贯通，２００２年ｌ２月｛１ｆ砌结丰勾施　隧道　（青藏铁路隧道）　ｍ。年平均气温一３．２～一５．６℃，极端最高气　工完成　２００３年９月～２００４年３．月统计资料显示部分水沟及　温２３电缆槽结冰，盖板挤　隆起，盖板道床积冰，拱顶渗水挂冰　．７　，极端最低气温一３７．７℃　１．１寒区隧道冻害类型　据统训‘分析，寒　隧道冻害的主要类型有：（１）嗣岩的冻　害引起的结构失稳，导致隧道衬砌结构部分被推ｉ¨，甚至隧　道整体塌陷；（２）因冻害导致隧道衬砌大面积产生剥落、裂　缝；（３）衬砌背部冻结，出现融解漏水，甚至涌水；（４）隧道拱　部漏水、挂冰，侧墙出现冻结产生壁冰，底部冻胀、积冰（如　１）　１．２寒区隧道冻害分布特征　寒区隧道【｛１的温度沿洞身进深变化大致呈抛物线型分　布，暖季为一｛１问段低、进Ｈ｛口段高；寒季相反，中间高、进ｆ｝｛¨　段低　此，寒　隧道冻害多发生在进ｆ｝｛口段位置，隧道　图１　寒区隧道的冻害图示　冻害防治的重点部位足进口、｝｝｛口段，这在ＪＩｌ西高原２２７　道鹧鹃山隧道的防冻段设置中体现明　，鹧鸪山隧道保温　［定稿日期］２０１０—１０—１３　热层分近期及远期二个阶段实施，近期实施方案中保温层　［作者简介］姚伟（１９８４～），男，工学硕士研究生，主《　没防长度为：主洞的进［：Ｉ和出口各６００　Ｉｌｌ，平导的进口、ｆｌＩ　Ｉ＿＝＿．Ｉ　从事隧道及地下工程研究。　ｌＪ　８　四ＪＩｌ建筑第３１卷４期２０１１．０８　穗　毒　霄曙囊晦壕　曝ｉ　各设４５０　ｉｎ和４２５　ｉｎ；远期实施方案中则将平导的保温隔热　层总设防长度加长到８００　ｉｎ。　热融滑塌现象的出现。　（２）水的影响。寒冷地区隧道围岩富含地下水，当温度　降低到围岩的冻结温度以下时，围岩中的水冻结，引起体积　膨胀，就可能发生冻害。围岩发生冻结的过程是地下水不断　被吸收的过程，围岩的透水性和地下水位对围岩的冻结速度　青藏铁路昆仑山隧道的温度测试结果表明，同一断面的　隧道初始温度场，都是隧道拱顶的围岩温度最高，沿边墙逐　渐减小，到仰拱底增至最小，所以隧道边墙的围岩温度分布　介于拱顶围岩和仰拱底围岩的温度之间。也就是说，隧道围　岩的最大最小冻融范围应该在拱顶和仰拱底处，边墙其他位　置的围岩冻融范围介于拱顶围岩和仰拱底围岩之间　。　１．３寒区隧道冻害的影响因素　影响极大，围岩的冻结速度与围岩的渗透系数成正比，与冻　结线到地下水面之间的距离成反比。　（３）围岩因素。寒区隧道冻害的产生主要是因为围岩冻结　膨胀受到约束而产生的冻胀力引起的。因此，那些抗压强度小、　结构不密实、含水量大的围岩容易产生冻胀，造成破坏。　影响寒区隧道产生冻害的因素很多，主要有四个方面：　（１）温度。当隧道围岩全年散失的热量与外界大气补给　的热量达到动态平衡时，隧道围岩的温度仍会保持开挖前的　温度，隧道就不会发生冻胀破坏。而寒冷地区隧道全年中寒　冷时间很长，在全年中隧道围岩温度冷热交换的结果使围岩　散失的热量大于外界大气补给的热量，从而导致隧道周围有　新冻土层产生，新冻土层形成产生的冻胀力对隧道衬砌是极　其不利的。隧道洞口处，可能出现外界大气补给的热量大于　隧道围岩散失的热量的情况，使得原有的冻土层融化，导致　（４）设计和施工因素。当以上三个条件都具备时，寒区　隧道在设计、施工时采取的工程措施不当就可能导致隧道冻　害的发生。　２寒区隧道冻害形成机理　关于寒区隧道的冻胀机理的研究，虽然已经进行了多　年，但是至今仍然说法不一　６　叫　，归纳起来主要有以下三　种（表２）。　表２寒区隧道的冻胀机理学说　冻胀理论　内容要点　简评　含水风化层冻　衬砌的冻胀是　试验表明试件原始含水率小于２５％时冻胀很小，冻胀率在１０％以　含水风化层模型来自于实地调　胀说（日本学　由于风化层中　下；随着含水率的上升冻胀率增加。据实测，含水率大于２５％时，岩　查，也有试验依据，能很好的解　者，２０世纪８Ｏ　水冻结而引　风化层的冻胀率远远大于水结成冰的冻胀率（９％），主要原因是由　释边墙较拱顶易冻胀的现象。　年代）　起的　于远处水分从未冻结部位转移到衬砌周围的围岩，并且这些水又冻　但隧道周边的含水分化层厚度　结成冰　不易确定　假设围岩和衬砌为各向同性的弹性体，则圆形隧道平面应变条件下　衬砌的冻胀力弹性解为：　假设冻结区中　一　ｎｏｔｅ　２　围岩均匀，孑Ｌ隙　ｕ，一Ｐｑ＋（ｍ２＋１）［ｅ（ｍ１～　ｉ）＋（ｍ２＋　２）］　冻融岩石圈整　中充满地下水（ｂ　）。＋　ＩＥ２　体冻胀理论（吴　则岩石圈中的　”　一６　＋ｆｂ　一ａ　２　一（６　）　一ｂ。’一Ｅｌ　紫汪、赖远明、　水冻结后将整　臧恩穆，２００３）　体膨胀，从而对　一一　２６　一２（ｂ＋Ｈ，）　隧道衬砌产生　（６　）　一ｂ　一（６　）　一ｂ　，　一一一假设围岩和衬砌均为各向同性　的弹性体从而导出圆形隧道　平面应变条件下衬砌的冻胀　，力，且认为冻结圈存在少量水　冻结时也会产生冻胀力　冻胀力　式中：　ｆ为围岩冻深；ｎ为围岩孔隙率；ｄ为水变冰的膨胀系数；　Ｅｌ、Ｅ２　１、　２为衬砌和围岩的弹性模量与泊松比；ｏ、６为混凝土　衬砌的内径、外径　假定衬砌背后存水空间为三角形则冻胀力为：　局部存水冻胀　冻胀力主要由　Ｊ）一　ｎａｔ　—　ａｔ　较好地解释隧道超欠挖对隧道　说（胡元芳、建　衬砌背后局部　宇，２∑ｎ（△　＋６ｆ）　（△ｍ　ｍ）　△　为在ｌ　ＭＰａ冻胀力作用下衬砌各点位移的平均值（ｍ）；６　为　在１　ＭＰａ冻胀力作用下围岩各点位移的平均值（Ｉｎ）　冻胀的影响但没有考虑冻结　，２００２）　空洞积水结冰　ｆ：Ｉ　过程中水源补给，即冰的体积　所致　式中：Ｐ为冻胀压力（ＭＰａ）；ｄ为水的冻胀率；ｔ为水体深度（ｒｎ）；　增大　上述三种研究都是从纯力学的或从工程实测的角度进　行隧道冻胀评价，都没有深入解释其细观机理。实际上要弄　清寒区隧道冻害的产生过程，必须要清楚寒区环境与岩土体　之间的热量交换及其伴随的力学变化、水分迁移以及细观结　构变化。　的，因此可把冰冻对水泥石和骨料的破坏作用称为微观　冻胀。　（２）宏观冻胀，即衬砌背后局部存水冻胀和冻胀性围岩　的冻胀，从水体尺度到作用机理都与微观冻胀不同，因此可　称其为宏观冻胀。　（３）细观冻胀，细观冻胀是指既有裂缝中的水冻胀引起　的进一步破坏。如果寒区隧道衬砌混凝土裂缝充满裂隙水，　当衬砌内的的温度低于冰点，则衬砌中的裂隙水结冰冻胀．　现将寒区隧道冻害现象产生的机理归纳如下：　（１）微观冻胀，即衬砌混凝土的冰冻破坏，其作用机理是　由于混凝土材料内部的孔隙水或毛细水在经过多次冻融循　环后造成混凝土水泥石和骨料的破坏，水体尺度是十分微小　衬砌中的裂缝扩展并使相邻的裂缝连通。当冻结的裂隙水　四川建筑第３１卷４期２０１１．０８　ｌｌ９　黛瓣羲嘲嘲彝　霉　＿　在暖季融化后，衬砌巾的裂缝扩展量会有所减小，但裂缝不　会完全恢复。因此在冻融循环的作用下，衬砌中的裂缝越来　越大，并逐渐形成贯通裂缝，产生病害。　隧道衬砌结构是在上述的　种冻害形式中一种的作用　下或是几种冻害形式的共同作用下产生的破坏。但是，无论　结构的冻胀破坏没有明显的影响。　防冻是以预防为主，目前世界上使用的隧道防冻措施主　要有以下三种：（１）供热法。前苏联隧道供暖有的用电力，采　用管式电力加热器；挪威在隧道内的排水系统中设置加热电　缆；有的地方利用地热水或蒸汽对水沟进行加温；（２）敷设隔　热材料法。即将隧道衬砌敷上保温隔热材料来防止季节融　那一种冻胀破坏形式，若要对隧道衬砌结构造成破坏都离不　开冻、融的循环作用，如果隧道完全处于永冻土中，虽然衬砌　及一定深度的嗣岩处于冻结状态，但是隧道发生冻害的可能　性及冻害程度却非常小。　化层的冻融作用。常用的保温隔热材料有硬质聚氨酯泡沫　塑料，它是用聚醚或聚酯与多异氰酸酯为主要原料，再加人　阻燃剂、稳泡剂和发泡剂等，经混合搅拌、化学反应而形成的　一３寒区隧道工程冻害的防治对策　寒区隧道冻害的根源来自＝Ｆ水和含水围岩的反复冻融　种微孔发泡体。闭口孑Ｌ隙率达８０％～９０％，表观密度仅为　３０～６０　ｋｇ／１１＇１　，抗压强度＞０．２　ＭＰａ，导热系数最低可达　作用。ｌ＝Ｉ＿：Ｉ此冻害的防治原则是“防水、排水、防冻胀”，在具体　方法上应采用“多道防护、综合治理”。日本提出采用隔热法　和加热法的对策　ｊ，前苏联提出采用供热法防治冻害，欧洲　一０．０１６　Ｗ／（ｍ－ｋ），有一定的自熄性，使用温度一般为一１００　～＋１００％，使用时既可预制成板状或管壳状等制品，也可以　现场喷涂或灌注发泡。目前保温隔热层主要设置方式有四　种，见表３；（３）防寒门法。在隧道的进出口安装双层防寒　门，以此来隔断隧道外冷空气与隧道内热空气的交换，从而　达到保温的目的。　寒区隧道的冻害的根源来自于水，无论是冻胀性冻害还　是由于水沟漫水结冰造成的冻害都离不开水的作用，因此寒　区隧道的防排水措施是冻害防治的基本措施之一。　些国家则用夹层板构件做成的绝热棚来防治冻害等　。　为了防止隧道冻害的发生，主要可以从抗冻和防冻两个方面　来考虑　抗冻主要是提高隧道结构自身的抗冻害能力，采取的措　施有：衬砌使用抗冻混凝土、增大衬砌厚度、衬砌使用钢筋混　凝土。其中，使用抗冻混凝土可以有效的防止衬砌混凝土的　冰冻破坏，但是对于局部存水冻胀破坏和冻胀性围岩中隧道　表３寒区隧道结构保温隔热层设置方式　保温层的形式　优缺点　典型隧道　／结构图示　／一　中问隔热层法　不需另外设置防火层和保护层。但隔热层可能　被压缩破坏，使隔热功能不能正常发挥，一但隔　热材料失效将无法对其进行更换　，昆仑山隧道　风火山隧道　喷射混凝上　防水板　隔热层　二次衬砌　；三　能够对衬砌和围岩进行保温隔热的同时，隔热层　外隔热层法　对原来的结构受力没有任何影响，当隔热材料失　效后更换方便。衬砌表面被覆盖，产生病害不　易观察　，喷射混凝土　大坂山隧道　防水扳　次树砌　隔热层　讨套　：　蚁隔热层法　保温隔热效果较好，施工工艺复杂　日本部分隧道　喷射混凝土　防水板　隔热层　二次讨砌　隔热层　衬套　一固定锚杆　离壁式隔热层法　不需设置防火层和保护层，可以方便的更换保温　隔热层。固定锚杆穿过防水保温层，破坏整体密　封性，可能形成冷桥，从而影响其保温效果　挪威隧道　＝＝±；；；　喷射混凝土　防水板　隔热层　镑式　１２０　四川建筑第３１卷４期２０１１．０８　目前，我国冻害防治主要从应用隔热保温技术、加强防　量值等方面多做研究，以弥补现有理论研究的不足。　排水及优化衬砌结构等方面出发，采取综合防治措施，主要　体现在完善防排水体系，设置防寒保温层，设计合理的衬砌　参考文献　形式提高衬砌强度，加强防水堵漏等方面。青海省境内的大　坂山公路隧道，是典型的高海拔寒区隧道，设计中对防冻害　［１］　马建新．高寒地区特长公路隧道温度场及保温隔热层方案研　做了认真的考虑。在边墙墙角外侧和仰拱中心下面沿隧道　究［Ｄ】．成都：西南交通大学，２００４　全长设置三道干砌片石排水盲沟和排水过滤管，仰拱中心下　［２］陈建勋．隧道冻害防治技术的研究［Ｄ］．长安：长安大学，２００４　的排水盲沟与泄水洞间用竖向泄水孔连通，间距１０　ｍ。隧道　［３］　江亦元．高原多年冻土隧道施工技术及工艺试验研究［Ｄ］．长　全长设置采用圆端掩埋式保温出水口的防寒泄水洞。采用　沙：中南大学，２００５　［４］杨国柱．青藏铁路昆仑山隧道防冻胀结构研究［Ｊ］．隧道建设，　以硬聚氨酯（ＰＵ）为主要保温材料，以硅酸铝为防火兼保温　层，以无机玻璃钢为保护层的保温结构。典型寒区公路隧道　２００８，６（３）：２６３—２６７　［５］　何川，余健．高速公路隧道维修与加固［Ｍ］．北京：人民交通出　结构型式如图２所示。　版社，２００６　［６］吴紫汪，赖远明，臧恩穆，等．寒区隧道工程［Ｍ］．北京：海洋出　版社，２００３　［７］孙文吴，寒区特长公路隧道抗防冻对策研究［Ｄ］．成都：西南交　通大学．２００５　［８］　王星华，江亦元，汤国璋，等．高原多年冻土隧道工程研究　［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，２００７　［９］ｚｌｌＳＪＩＩ修山，川上辉．寒冷地区的隧道变形与围岩冻胀性［Ｊ］．隧　道译丛，１９８７（３）：ｌ４—３４　［１０］　张全胜．寒区隧道围岩损伤试验研究和水热迁移分析［Ｄ］．上　海：同济大学，２００６　［１１］　张全胜，高广运，杨更社，等．寒区隧道围岩变形机理分析初　探［Ｊ］．岩土力学，２００７，２８（２）：３０７—３１０　［１２］　王建宇，胡元芳．隧道衬砌冻胀压力问题研究［Ｊ］．冰川冻土，　２００４，２６（１）：ｌ１２—１１９　［１３］　Ａｋｉｒａ　Ｉｎｏｋｕｍａ　ｅｔ　ａ１．Ｒｏａｄ　ｔｕｎｎｅｌｓ　ｉｎ　Ｊａｐａｎ：ｄｅｔｅｒｉｏｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｓ［Ｊ］．Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　ａｎｄ　Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　Ｓｐａｃｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌ—　ｏｇｙ，１９９６，１１（３）：３０５—３０９　图２青海省大坂山公路隧道结构设计图　［１４］　Ｏｋａｄａ，Ｋａｔｓｕｙａ．Ａｃｔｕａｌ　ｓｔａｔｅｓ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｆｒｏｓｔ　ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ　ｄｅｐｔｈ　ｉｎ　ｌｉｎｉｎｇ　ａｎｄ　Ｅａｒｔｈ　ｏｆ　ｃｏｌｄ　ｒｅｇｉｏｎ　ｔｕｎｎｅｌ［Ｊ］．Ｑｕａａｅｄｙ　Ｒｅ—　４结束语　ｐｏｒｔ　ｏｆ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ（Ｊａｐａｎ），１９９２，３３　综上所述，目前对寒区隧道工程的研究在理论方面虽然　（２）：１２９—１３３　取得了一定成果，但实际工程的具体应用还有待作进一步的　［１５］杨新安，黄宏伟．隧道病害与防治［Ｍ］．上海：同济大学出版　深人研究。未来的寒区隧道冻害研究应加强对寒区隧道冻　社．２００３　胀机理的研究，从模型试验人手，对冻胀破坏机理、冻胀力的　［１６］ＪＴＧ　ＤＴ０—２４００公路隧道设计规范［ｓ］　四川建筑第３１卷４期２０１　１．０８　ｌ２１