寒區隧道凍害等級及其設防等級研究

孫 兵

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司橋隧處，西安 710043)

隧道凍害問題一直是寒區隧道工程亟待解決的一大難題，凍害直接威脅到隧道結構及運營行車安全，造成嚴重的經濟損失。因此，如何在寒區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就顯得尤為重要。

到目前為止，國內外學者大致從以下5個方面做了大量的研究:(1)關于凍土力學特性的研究，筆者前期曾提出了一種凍土三軸凍脹應力-應變關系[1，2];(2)關于寒區隧道溫度場及多場耦合研究[3];(3)關于寒區隧道襯砌凍脹力的研究[4];(4)關于寒區隧道襯砌材料劣化的研究[5];(5)關于寒區隧道施工技術及凍害防治措施的研究[6]。本文則在總結歸納已有研究的基礎上，從寒區隧道凍害等級及其設防等級角度出發，討論了以上2種等級劃分的原則和方法，給寒區隧道的設計和施工提供參考，避免凍害的發生和過于保守的凍害設防措施。

1 寒區隧道區域劃分

一般情況下，根據隧道在不同高程穿越山體時，以及隧道所穿越山體的溫度分布情況，可將寒區隧道區域劃分為Ⅰ～Ⅴ類，隧道凍土區域劃分示意如圖1所示。

Ⅰ類隧道:隧道從山頂地表和凍土上限之間穿越，該段山體處于強季節凍土區，在此處修建隧道非常不利。一般凍土上限的季節凍土層厚度在2 m左右，因此，從此處穿越隧道一般是不可能的，但是在起伏地形的山體內修建隧道，局部可能出現這種情況，如昆侖山隧道，如圖2所示。當山體表面存在積雪或積冰，由于雪或冰層存在季節層，凍土上限可能達到地表，在此條件下將不存在Ⅰ類隧道。

圖1 寒區隧道區域劃分示意

圖2 起伏狀山體Ⅰ類隧道示意

Ⅱ類隧道:隧道從凍土上限和凍土下限之間穿越。隧道開挖前，隧道洞口段山體處于強季節凍土區，洞身段山體處于多年凍土區，當隧道開挖后，洞口段局部會產生次生多年凍土，如圖3所示。對于多年凍土區域，由于多年凍土層的存在，一方面阻擋了外界水的補給，不會發生滲漏水情況，另一方面襯砌背后的圍巖不會產生凍融循環，襯砌凍脹力很小甚至沒有，因此，不需要采取任何設防措施，在此處修建隧道是有利的。青藏鐵路的昆侖山隧道除局部處于強季節凍土區外和風火山隧道均屬于這種情況。

圖3 Ⅱ類隧道示意

Ⅲ類隧道:隧道開挖之前，山體最初存在季節凍土區、多年凍土區和未凍土區3段，此處年平均氣溫小于0℃，例如大坂山隧道。當隧道開挖后，洞口段和洞身段分別會產生次生多年凍土和次生季節凍土，如圖4所示，在此處修建隧道是不利的。

圖4 Ⅲ類隧道示意

Ⅳ類隧道:隧道洞口處在年平均氣溫大于0℃位置，隧道洞口段山體處于季節凍土區，洞身段山體處于非凍土區。當隧道開挖后，洞身段的一部分非凍土區將轉變為季節凍土區，如圖5所示，在此處修建隧道是不利的。

圖5 Ⅳ類隧道示意

Ⅴ類隧道:從此處穿越的隧道，即不存在季節凍土也不存在多年凍土情況，隧道不需要作任何保溫設防，不存在凍脹問題，按一般隧道考慮。

另外，由于受到全球變暖的影響，可能出現以下3種情況:(1)弱季節凍土區變為非凍土區，此情況下對寒區隧道是有利的;(2)強季節凍土區變為弱季節凍土區，此情況下對寒區隧道同樣是有利的;(3)多年凍土區變為強季節凍土區，此情況下對寒區隧道是不利的。以上分析可作為寒區隧道選線指導原則。

2 寒區隧道凍害等級劃分

2.1 寒區隧道襯砌凍脹力作用等級劃分

凍脹力是寒區隧道產生凍害的直接原因，凍脹力與其他作用力共同作用于隧道襯砌上，當超過混凝土襯砌強度時，就會造成隧道結構的開裂和剝落，導致隧道出現漏水、結冰、掛冰等凍害，因此，首先以凍脹力大小為指標進行凍害等級劃分。

當凍脹力很小或不存在時，采用沒有配筋的素混凝土即可達到設計要求，此時的凍脹力稱之為弱凍脹力;當凍脹力達到一定程度時，素混凝土襯砌已經不能滿足安全要求，需通過配筋才能使襯砌達到安全要求，此時的凍脹力稱之為中凍脹力;當凍脹力繼續增大時，鋼筋混凝土仍不能滿足安全要求，需采取一定的措施，才能使襯砌處于安全狀態，此時的凍脹力稱之為強凍脹力。

2.1.1 隧道襯砌設計原則

(1)混凝土襯砌設計原則

對于矩形截面混凝土構件，當抗壓強度控制承載力時，襯砌安全系數按式(1)進行計算，當抗拉強度控制承載力時，襯砌安全系數按式(2)進行計算，各參數具體意義參見《鐵路隧道設計規范(TB1003—2005)》[7]。

(2)鋼筋混凝土襯砌設計原則

對于矩形截面對稱配筋偏心受壓構件，其受壓區高度x可按式(3)計算，然后對構件進行配筋，如式(4)～(6)所示，各參數具體意義參見《鐵路工程設計技術手冊 － 隧道》[8]。

x＞0.55h0時，

當2a'≤x≤0.55h0時，

當x＞2a'時，

2.1.2 襯砌凍脹力作用等級劃分標準

凍脹力作用等級以襯砌結構形式作為劃分標準，當采用素混凝土即可抵抗凍脹力時，此時的凍脹力稱之為弱凍脹力;當需通過配筋才能抵抗凍脹力時，此時的凍脹力稱之為中凍脹力;當采用最大配筋率仍不能抵抗凍脹力時，此時的凍脹力稱之為強凍脹力。

假設襯砌作為一種安全儲備，圍巖凍結前襯砌不受力，僅考慮凍脹力對襯砌產生的影響。以雙車道公路隧道為例，襯砌凍脹力作用等級劃分如表1所示，表中數值代表襯砌所能承受的最大凍脹力，凍脹力計算方法可參見文獻[9]。

2.2 寒區隧道洞內結冰影響正常使用等級劃分

當凍土地區年降水量較大或存在地表補給、圍巖破碎、圍巖內貯水量豐富時，隧道通過融區時往往有地下水涌出，在排水系統不通暢的情況下，地下水將不可避免地通過隧道襯砌上的裂縫向隧道內滲漏。

地下水的滲漏一到冬季就會逐漸凍結，在拱頂及邊墻上將出現一串串的冰柱，隨著滲漏地下水的不斷補給冰柱也逐漸加粗，有時冰柱的直徑可超過1 m，嚴重侵入隧道的建筑限界。

本文根據隧道的涌水情況來考察地下水的發育情況，進一步評價隧道內部可能出現的結冰程度，并進行凍害等級劃分。馬萬一[10]根據涌水量的大小將地下工程中的涌水分為5大類，相應的凍害等級劃分如表2所示。

表2 洞內結冰的凍害等級 ×104m3/d

2.3 混凝土結構凍融環境下的結構耐久性研究

2.3.1 混凝土凍害原因分析

在寒冷地區混凝土結構物的破壞原因主要是凍害所致。外界環境是產生凍害的主要因素，普遍認為凍害與溫度有直接關系，溫度越低凍害越嚴重，實際上并非如此，當混凝土長期處于凍結狀態下，很難產生凍害，而處于反復凍融循環作用下，則容易產生凍害。另外，若降水量大，凍害危險性也大。

2.3.2 混凝土凍融破壞標準

凍融破壞標準，是混凝土凍融耐久性定量化設計的基礎，也可以說是混凝土經凍融破壞的終點。室內試驗方法中，快凍法是以混凝土動彈模降至60%或質量損失5%時認為混凝土已經凍融破壞，而對于實際混凝土結構，其動彈模是難以測試的，鑒于國內外尚無凍融過程中動彈模與抗壓強度的關系研究成果，參考英國混凝土實用規范(CP110)中給出的混凝土抗壓強度與動彈模的關系式

式中Ed——混凝土動彈性模量(×103MPa);

R——混凝土抗壓強度，MPa。

對于隧道混凝土襯砌結構，按照破損階段和容許應力法進行設計。則有以下表達式

式中RN——混凝土結構經過N次凍融循環后的殘余極限強度;

R0——混凝土結構的初始極限強度。

也就是說混凝土襯砌結構經過N次凍融循環后所能承受的最大載荷不能低于其初始極限強度折減值，則有

式中K——結構強度安全系數，當以抗壓強度作為控制指標時取2.4，此時最小相對強度為41.6%。

再結合式(7)，即可得出對于隧道混凝土結構，各等級混凝土允許的最低相對動彈模，如表3所示。可見對于隧道混凝土結構當動彈模降低至65%左右，就認為混凝土結構凍融破壞，與現有的60%規定基本一致。

表3 混凝土最低相對動彈模 %

2.3.3 混凝土凍害模型

唐光譜等[11]基于唯象損傷觀點得出了混凝土凍害模型，如式(10)所示

式中D——損傷變量;

N——凍融循環次數;

N40——混凝土能經受的最大抗凍融(快凍)次數;

ξ——試驗參數，取至蔡昊試驗值 0.946[12]。

文獻[13]根據以往試驗的成果，采用多元回歸的方法，初步建立了混凝土能經受的抗凍循環次數與水膠比，含氣量及粉煤灰摻量的多元回歸方程

式中A——混凝土的含氣量，%;

w/c——水膠比;

f——粉煤灰摻量，% 。

2.3.4 混凝土凍融破壞環境等級研究

日本根據140個地區的調查情況，并結合一定的試驗結果，提出了凍害危險值的計算表達式，該表達式綜合考慮了凍結溫度、凍結速度、凍結持續時間、日照時間、濕度、降水變化等因素，具體表達式如下

式中VF——凍害危險值;

FT——凍融的天數;

F——凍結的天數;

u——日照融解率(根據氣象資料計算);

t——凍害加重系數(冰點以下溫度查表);

I——最低溫度凍結天數的修正值;

c——凍害減輕系數(潤濕情況查表)。

根據計算結果，將凍害環境分為6個等級，如表4所示。

表4 凍害危險度和凍害危險地區

2.3.5 混凝土抗凍耐久性設計

根據不同建筑物的安全運行年限和不同地區的凍融循環狀態及混凝土抗凍性的室內外關系，可以進行混凝土抗凍耐久性初步的定量化設計，即根據混凝土的安全運行壽命來設計混凝土的抗凍等級表達式如下

式中F——按安全運行年限要求的抗凍性設計等級;

Y——規定的安全運行年限，年;

M——混凝土結構所處環境的年凍融循環次數，次/年;

B——混凝土室內外凍融損傷的比例系數，一般取12;

K——考慮到混凝土結構運行條件的安全系數，K值按≥1來考慮;

由式(13)所求得的F應小于N40，以確保結構安全性，N40既可以通過室內試驗方法獲得，也可以采用式(11)計算求得。那么，當混凝土結構物達到規定年限時，其損傷度和殘余強度表達式如下

2.4 混凝土疲勞強度研究

根據疲勞損傷力學原理，混凝土在較高應力水平并發生循環變化時，要發生疲勞破壞。

根據Aas-Jakobsen的混凝土材料疲勞壽命公式，其表達式如下

式中S——應力比，定義為作用在試件上的最大荷載Pmax與材料的極限承載能力σ之比;

R——荷載循環特征值，即循環荷載的最小值與最大值之比，一般取0.1或0.2;

B——試驗參數，對于某一特定混凝土材料，β為定值，Aas-Jakobsen建議β=0.064 0;

N——混凝土的疲勞壽命，即在應力比R作用下混凝土所能承受的最大疲勞次數。

由疲勞壽命方程可知，混凝土的疲勞壽命取決于荷載性質和材料性質。該式給出了疲勞壽命與荷載性質及材料性質的關系，但不能夠描述材料疲勞損傷的衰減過程。

潘華等[14]獲得了混凝土在單級等幅循環載荷下的損傷演化方程，如式(17)所示

通過式(16)和(17)，即可算出在規定年限內混凝土結構物的損傷度。對于寒區隧道，由于混凝土襯砌的存在，降低了背后圍巖的凍融循環次數，凍脹力循環次數相應減少，甚至1年內才發生幾次應力循環，因此，由凍脹力產生的疲勞效應較弱。

3 寒區隧道凍害設防等級劃分

根據上述凍害等級劃分情況，將凍害設防等級進行相應的劃分，并對每一種設防等級提出相應的設防措施建議。根據以上分析，在多年凍土區修建隧道，無論是從襯砌凍脹力方面考慮，或者從混凝土凍融循環耐久性或疲勞強度方面考慮，還是從洞內結冰情況考慮都是有利的，因此，以下設防措施是針對強弱季節寒區隧道提出的，具體見表5。

表5 寒區隧道凍害設防等級及相應設防措施

4 結論

本文在總結歸納已有的研究基礎上，從3個方面對寒區隧道進行了研究，分別為寒區隧道區域劃分、凍害等級劃分和凍害設防等級劃分，主要得到以下結論。

(1)通過對寒區隧道區域劃分研究，可初步獲得隧道在穿越山體不同部位時可能發生的凍害情況，對選線具有一定指導原則。

(2)通過對寒區隧道凍害等級研究，可對其可能發生的凍害程度進行正確的評價，給寒區隧道設計提供參考。

(3)在正確評價寒區隧道凍害等級的基礎上，對其提出相應的設防措施建議，不僅要避免凍害的發生，還要避免采用過于保守的凍害設防措施。

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