隧道凍害調查及保溫防凍技術措施探討

陳學峰

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 問題的提出

在嚴寒和寒冷地區，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注的問題:東北地區若干十幾年以前修建的隧道，冬季洞頂和側墻掛冰，夏天滲水，不僅襯砌結構破壞，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生。

因此，如何在隧道的建設中采取行之有效的措施，避免或減輕凍害的發生，是目前隧道工程界急需解決的問題，開展隧道凍害機理及相關防治技術的研究具有重大的工程實際意義。

2 嚴寒和寒冷地區隧道凍害的調查分析

我國在20世紀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5 cm，有的常年有7～8個月不能使用，而有的甚至報廢而全年不能使用。

牙林線嶺頂隧道是我國第一座修建在多年凍土中的隧道。全長 936.8 m，所在地區年平均氣溫為-6.71℃。隧道出口端位于多年凍土區，季節融化最大深度為9 m左右，圍巖為凝灰質角礫巖。設計時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月發現了隧道病害現象，表現為:(1)隧道內部普遍漏水，入凍后拱部掛冰，隧底形成冰筍，邊墻上出現1 m的大冰柱，隧底積冰厚度0.3～1.3 m;(2)邊墻襯砌產生環向裂隙，大多數位于襯砌工作縫處，裂隙寬由一般發絲寬至3 mm不等。

嫩林線塔河—樟嶺段的白卡爾隧道和西羅二號隧道在運營七八年后，由于凍害嚴重，于1974年進行大修，整治病害。主要由于隧道內特有的陰暗潮濕環境，用于保溫水溝的保溫材料難保持良好的狀態，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，嚴重威脅行車安全。

南疆線奎先隧道，位于吐魯番至庫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6 154.16 m隧道進出口約700 m穿越多年凍土層，其余均在多年凍土下穿過。年平均氣溫-3.8℃，極端最低氣溫-33℃。隧道通車運營后，在冬季自然氣流情況下，洞內氣溫下降，原設計的保溫水溝長度不夠，正洞被凍結2 870 m，溝水漫流。1980年開始整治，在洞內設防寒水溝3 859 m采用瀝青玻璃棉保溫，減少沿途散熱，使正洞側溝的水保持正溫流入平導洞中，出水口采用保溫設計。1985年又采取在防寒溝里加電熱器的方式進行治理。

興安嶺隧道建于1903年，是由俄羅斯人設計和組織施工的，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，最冷月份平均氣溫為-33℃，最大凍結深度為2.8 m，隧道的主要病害是由滲漏水結凍引起的，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，使用單位后來對該隧道進行了改建。

青藏鐵路西寧—格爾木段的關角隧道，出現了道床冬季上鼓、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，排水溝凍結而使隧道排水不暢，造成襯砌背后產生凍脹現象，誘發襯砌混凝土開裂，造成隧道滲漏、路面結冰，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。冬季嚴寒漫長，最低氣溫在-47℃以下，土層最大凍深達3.2 m。其中哈布特蓋隧道凍害裂縫位置在兩側邊墻水溝蓋板頂面上方2～3 m，呈縱向對稱狀，裂縫寬度0.5～6 mm，從洞口向里由寬漸窄，個別處伴有豎向開裂，裂縫寬度0.5～2 mm，洞口段局部有錯臺，錯臺寬度0.5～1.5 mm;呼吉日延2號隧道凍害裂縫位置在兩側邊墻水溝蓋板頂面上方2～3 m，呈縱向對稱狀，裂縫寬度0.5～1.5 mm，從洞口向里由寬漸窄，無明顯錯臺現象。

3 隧道的凍脹機理及凍害的表現形式

提起隧道的凍害，通常許多人首先會想到圍巖的凍脹壓力，因為許多資料在談到寒區隧道的凍害問題時，對凍害產生的原因都籠統的歸結為“隧道襯砌混凝土在圍巖的凍脹壓力作用下開裂破壞”。但是，學者們通過分析和計算發現這種說法并不準確。事實上，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作用或共同作用下產生凍害的。

隧道產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就開裂，在凍融循環的作用下進一步發展。最常見的就是隧道襯砌背后和底部的防排水系統設計施工不當，還有隧道三縫即沉降縫、變形縫和施工縫發生的滲漏水現象，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生的溫度裂縫等。

通過大量凍害隧道的調查分析，隧道凍害的主要表現形式主要有:

(1)因圍巖的凍害而引起襯砌結構失穩，導致隧道襯砌結構部分被推出，甚至隧道整體塌陷;

(2)因凍害導致隧道襯砌大面積產生酥裂、剝落、開裂;

(3)襯砌背部凍結，出現融解漏水，甚至涌水;

(4)隧道拱部出現冰柱;

(5)隧道側墻出現凍結，產生壁冰;

(6)隧道底部漫水、結冰。

4 隧道保溫防凍技術措施

經過幾十年的實踐總結，人們逐漸認識到嚴寒寒冷地區隧道防凍保溫工程是一項系統工程，包括防凍保溫條件調查、防凍保溫措施選擇、防凍保溫設計、防凍保溫工程實施、防凍保溫效果、防凍保溫監測與評估、防凍保溫優化等。防凍保溫設計同樣也是一項系統工程，應依據科學、安全、經濟、環保、節能的原則，靈活選擇保溫防凍措施，制定系統的設計方案。

4.1 影響隧道防寒措施的幾種因素在設計中的考慮

影響隧道防寒設計的因素主要包括:當地最冷月平均氣溫、隧道圍巖的地下水發育情況、隧道走向與寒冷季節主導風向關系、隧道內縱斷面坡度設置。

首先，防寒設計考慮的最主要因素是氣溫條件，大多數設計把最冷月平均氣溫作為主要依據，設計中采用的最冷月平均氣溫資料通常是各地區的氣象站資料，這個資料與所設計的隧道位置的氣溫條件通常會有一定出入。考慮到取得各隧道工點位置的氣溫資料難度比較大，所以設計人員會在此資料基礎上采取的措施適當加強。

其次，隧道走向與寒冷季節主導風向關系也是防寒設計考慮的因素:通過對沈陽鐵路局范圍內白河至和龍鐵路的南山隧道進行分析，當地最低月平均氣溫為-12.1℃(元月)，而實測數據一月份最低平均氣溫為-22.3℃，遠低于當地收集的氣溫資料，通過初步分析后得出結論認為，主要原因是檢測數據的進口位置位于背陰山區，其次風向與隧道走向一致等。因此，設計在考慮當地最低月平均氣溫的同時，根據洞口朝向等，會適當調整部分隧道防寒保溫措施設計。

第三，隧道地下水發育情況也會對凍害產生很大的影響:有關文獻資料表明，隧道凍害中，水是造成工程凍害的主要因素，特別是在隧道運營階段。據資料顯示，土質地層及某些巖質圍巖均易發生凍脹，巖質地層如新第三紀中上部的軟質泥質巖和細粒凝灰巖等，土質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生凍脹破壞。基于以上這些原因，為減少圍巖中地下水引起的凍漲危害，在洞口一定范圍內，設計可以考慮采取注漿加固圍巖措施。

理論上說隧道坡度越大，水溝內水流速越大，越不容易發生凍脹，但目前還沒有文獻資料或統計結果能顯示說明特定條件下:水溝凍結的臨界坡度是多少。目前相關規范規定水溝縱坡與隧道坡度一致，且不得小于3‰。

4.2 防凍保溫設計技術措施

防凍保溫設計技術措施包括被動防寒措施和主動供暖措施。主動供暖存在能耗大、維護費用高、環境污染等問題，需要開發和研制節能型主動供暖系統。目前國內常用的是被動防寒措施。下面就簡要介紹一下這類防凍保溫設計技術措施。

目前國內隧道防凍保溫措施主要包括:設計具有保溫性能的防排水系統，以保持隧道內、襯砌后排水系統順暢或將地下水隔絕于隧道凍融圈之外;設計襯砌保溫隔熱層，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以上而防止凍害;襯砌結構及其他方面考慮隧道的防凍問題。

4.2.1 防排水系統防凍保溫技術措施

(1)抗凍混凝土:通過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度，提高抗滲性。該法可有效地防止襯砌混凝土的冰凍破壞，但對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:抗凍脹設防段均需要設置。局部存水凍脹破壞和凍脹性圍巖中隧道結構的凍脹破壞時，襯砌結構所產生的凍脹應力對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實現隧道抗凍并不可取。另外，隧道內一旦有凍害發生，則襯砌中產生的拉應力較大，因此采用鋼筋混凝土結構作為二次襯砌可以有效地防止襯砌開裂，提高結構的承載能力。該法能提高混凝土結構的柔韌性，但對較大的凍脹力有時會失效，設置較多時增加投資較多。

(3)襯砌后注漿和圍巖預注漿

此法是嚴寒地區隧道預防凍害的一種輔助方法。該法優點是通過注漿，可適當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生。此外，隧道注漿還能提高圍巖的自穩能力。隧道圍巖注漿不但能起到增大圍巖穩定性和強度、防漏、止水，還能起到減輕和防止隧道凍脹的作用。這種方式對襯砌背后局部存水效果很好。該法的缺點是:一般注漿效果難以達到設計要求，同時，注漿止水的耐久性效果也不理想。

(4)防排水措施

結合規范，目前國內對隧道的防排水基本采取“防、排、截、堵結合，因地制宜，綜合治理”的原則［1］。

①確立襯砌結構自防水為根本，主體結構的抗滲等級為P10。當隧道地處最冷月平均氣溫低于-15℃地區時，二次襯砌混凝土等級提高一級。

②隧道拱墻初期支護和二次襯砌之間防水采用EVA或ECB等防水板。

③長隧道地下水發育時，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深度以外，防止地下水凍漲引起隧道結構受損。

④施工縫、變形縫防水

常用的集中構造形式: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。其他新型的如預埋注漿管的施工縫構造形式、帶接水盒的變形縫構造形式。

(5)洞內排水溝設置

目前，我國凍害地段隧道排水溝的設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，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凍結對襯砌產生的凍脹影響。它適用于月均氣溫低于-25℃、黏性土凍結深度大于2.5 m的嚴寒地區。

②中心深埋滲水溝

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

③保溫水溝

保溫水溝，即在水溝上部設置上下雙層蓋板，蓋板間通過空氣隔熱或設保溫材料使水溝保溫。側面為加氣混凝土預制塊保溫層。

④中心保溫管溝

在隧道淺部(即淺于隧道內的最大凍結深度)仰拱填充層內直接埋設混凝土管，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。另外一種設置方式是仰拱填充層中心水溝采用蓋板明溝，在溝內設置預制直埋保溫管。此種方式施工、安裝及維修方便，但尚需要研究橫向導水管與中心溝的連接方式，目前還沒有在實踐中采用，無成功的實例。

(6)環縱向排水盲溝

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

(7)洞外排水暗溝

保溫水溝、深埋水溝及防寒泄水洞內的水流，流出隧道后，應采用暗溝通過路塹地段流入地形低洼處。暗溝應置于凍結深度以下。

(8)保溫出水口

在嚴寒地區，深埋水溝、防寒泄水洞、洞外暗溝均應設置防寒出水口。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 保溫隔熱設計技術措施

(1)鋪設保溫層

鋪設保溫層從保溫隔熱的機理上看，是屬于被動型措施，在國內已有較多寒區隧道采用，如風火山隧道、昆侖山隧道，大阪山隧道等，效果也較為理想。

保溫層鋪設位置可有兩種:二次襯砌內、二次襯砌與初期支護之間。兩種鋪設位置所采用施工工藝有較大不同;掛設、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，采用保溫隔熱設計，將使工程造價提高，并使工期加長。

(2)設置防寒門

在隧道洞口設置防寒門可以非常直接地起到保溫隔熱作用，經調查，防寒門在國內極少采用，在鐵路隧道未見采用。制約防寒門推廣采用的關鍵是其控制技術的安全性和可靠性，特別是在鐵路提速的大環境下，若不能確保控制技術萬無一失，防寒門是絕對不能允許被采用的，事實上，這一技術在國內基本是空白。另一方面，即使控制技術成熟，防寒門的開啟頻次，對保溫隔熱效果的影響規律也是不得不考慮和研究的因素。

5 結語

綜上所述，業內對于理想環境下隧道凍害機理的研究相對比較成熟，也較易理解，而對于特定隧道防止凍害發生的經濟合理、安全可靠的技術措施卻難有定論，特別是在不同環境條件下，系統性隧道防凍害技術的研究，以及相應工程實踐相對匱乏［3］。筆者認為，隧道凍害的防治應采取多道防線、綜合治理的原則，并應與隧道防排水技術研究緊密結合，具體技術措施特別是技術參數應結合現場試驗、現場監測等反復研究、實踐和修正，進而根據其適用條件，對防凍技術措施進行系統性分類和歸納，以達到有效指導工程建設之目的，這同時也是筆者今后工作的一個努力方向。

［1］TB10003—2005 鐵路隧道設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2010.

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

［3］王夢恕，等.中國隧道及地下工程修建技術［M］.人民交通出版社，2010.