季冻区公路隧道冻胀机理及其防护浅析

刘松昊，李嵘岩，王宏旭，兰洋洋，王伟波，牛雷

吉林建筑大学 土木工程学院，吉林省 长春 130118

摘要：季冻区公路隧道的衬砌在冻融循环的反复作用下产生开裂,影响结构稳定,其危害往往在春融期显露。对行车安全、结构稳定带来隐患，不利于后期维护和修复。季冻区隧道防冻技术出现得较早，但实际效果并不理想，如何提高隧道防冻技术和新型保温材料的有效利用是增强隧道抗寒能力的关键。

关键词：季冻区;冻胀;公路隧道;防冻技术

Analysis on Frost Heaving Mechanism and protection of highway tunnel in seasonal frost area

LIU Songhao, LI Rongyan, WANG Hongxu, LAN Yangyang, WANG Weibo, NIU Lei

(Jilin Jianzhu University School of Civil Engineering,Changchun 130118)

Abstract: The lining of highway tunnel in seasonal frozen area cracks under the repeated action of freeze-thaw cycle, which affects the structural stability, and its harm is often exposed in the spring thaw period. It brings hidden danger to traffic safety and structural stability, which is not conducive to later maintenance and repair. The antifreeze technology of tunnel in seasonal frozen area appeared earlier, but the actual effect is not ideal. How to improve the antifreeze technology of tunnel and the effective use of new insulation materials is the key to enhance the cold resistance ability of tunnel.

Key words: seasonal frozen area; frost heave; highway tunnel; antifreeze technology

1.前言

公路隧道衬砌冻胀破坏成因大体分为两个方面，一是衬砌自身的冻胀，另一方面是围岩（土）冻胀对衬砌形成二次挤压，造成衬砌破坏。目前国内外对于寒区的温度场研究已有多年的历史，但是对于防冻技术研究尚不成熟。1890年俄国成立冻土委员会，开展了较广泛的研究；20世纪苏联又经历了两个冻土发展期，开展了与温度场、岩石场方面温度区的试验研究。西方国家以自然资源开发为主，间接推动了冻土的研究。2016年中俄成立冻土研究中心，以季节冻土区工程、冻土、气候、环境为主，为寒区工程和生态环境建设提供科学依据。目前研究主要是通过温度场、有限元模型、含水率、热耦合计算等方面来得出结论。

2.季冻区隧道冻胀机理分析与防护措施

2.1冻胀机理

由于冻土的作用，在高海拔地区会产生许多病害和危害:不同回填土引起的冻胀力不均匀，导致结构背面出现不规则裂缝和墙体倾斜，严重缩短了使用寿命。通过对大量隧道冻胀现象的研究和对其形成机理的研究，认为隧道结构破坏、失稳的主要原因是围岩冻胀引起的附加应力。土体的冻胀分为原位冻胀和分凝冻胀两种,原位冻胀造成体积增大9%，破坏力较小，但是工程中破坏巨大的是外界水分迁移补给形成的分凝冻胀。冻胀的原因包括混凝土中原有的水结冰体积膨胀，同时也包括混凝土冻结过程中下部未冻结的水分迁移并向冻结面富集，水分相对集中，水与混凝土分异形成冰透镜体或冻夹层，使土体积膨胀。张祉道^[1]提出冻融岩石圈整体冻胀说、积水冻胀学说、含水风化层冻胀说，拱顶几乎很少冻胀，基本都是边墙冻胀^[2]。马晓良^[3]认为隧道冻胀主要破坏是结构破坏，受渗透水和冻融循环作用的影响。上述研究是以岩石圈和结构角度出发得出的理论，较为广泛认可的是含水层风化冻胀学说。

前人对隧道冻胀理论的研究表明，粉质粘土层通常是裂缝发育段。弯矩最大的隧道侧壁会出现纵向裂缝，裂缝的大小会随着距离隧道入口的距离而变化，裂缝越靠近裂缝越大。根据病害特征分析，病害主要发生在饱和粉质粘土层的v级围岩段。该段较为寒冷，冬季冻结深度可达3.2 m。在这种极端冰冻气候条件下，饱和富水粉质粘土层具有很强的冻胀力。季冻区的隧道因为经过冬季降温结冰和春季春融期的冷热交替循环造成的隧道内部衬砌开裂使结构承载力降低。

2.2隧道冻胀防护措施

目前的防冻技术主要有保温板防冻技术、排水防冻措施和注浆堵水防冻技术^[4-6]，保温板防冻技术主要指对衬砌铺设保温隔热材料,通过铺设保温隔热材料减小衬砌与空气之间的热量交换,以达到保温隔热的效果，对于铺设保温层设计主要包括保温层厚度确定和保温材料的选择；（2）排水防冻措施主要是为减少隧址区附近山体地表降水对隧址区的地表与地下补给,在隧址区修建截水沟、排水沟,两者纵横结合,分级设置,使得地表水能较快排出,减少地表径流与地表水下渗,同时结合地形特点对截排水沟进行坡度设置,方便沟内水能尽快排出；（3）注浆堵水防冻技术是向围岩内注浆，该技术不仅能够阻塞地下水的下渗通道,防止隧道发生渗漏水,切断水源补给，还能够增加围岩强度。实践证明上述措施效果良好，但保温材料使用寿命和新型施工工艺的推广普及也保温成败的关键问题。

3.结论

隧道在冬冻春融作用下往往会发生结构破坏，衬砌开裂大多是出现在边墙位置，对行车安全造成很大影响，通过对现阶段研究成果的分析，衬砌管片的力学特征研究不够深入，温度场等理论研究较多，主要研究水分运动，冻胀等方面。根据实际工程，要综合考虑保温效果和经济成本，虽然铺设保温层，电热设备等成本较低，但是防护效果较差。目前隧道的耐寒性成为制约我国北方地区轨道交通事业发展的瓶颈，如何有效解决衬砌冻胀问题，对提高季冻区浅埋公路隧道结构安全和使用寿命具有重要的意义。

参考文献

[1]赖远明, 吴紫旺, 等. 寒区隧道渗水围岩冻胀对衬砌的影响和防冻胀设计计算研究[R]. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所大板山隧道研究资料, 2000-10.

[2]张祉道, 王联. 高海拔及严寒地区隧道防冻设计探讨[J]. 现代隧道技术, 2004(03): 1-6.

[3]马晓良, 董新平. 寒冷及严寒地区隧道冻害发生机理及防治[J]. 地下空间工程学报, 2014,10(S2): 1996-1999.

[4]张超. 季冻区朝阳隧道温度场及冻胀力研究[D]吉林大学, 2019.

[5]王明阳. 严寒地区隧道防排水与保温防冻技术[J]. 隧道建设, 2006(03): 51-54.

[6]胡亚峰, 董新平, 马晓良. 严寒地区拉脊山隧道冻害防冻措施[J]. 中国铁路, 2013(09): 24-26.

*[项目基金]吉林建筑大学2020年省级大学生创新训练项目“季冻区冻融循环对浅埋公路隧道衬砌的影响”(编号202010191122)