經時視角下山嶺隧道水害凍害若干問題的實證研究

張鎮國，伍毅敏，張慶寧

(1.中鐵二十二局一公司， 北京 100040；2.中南大學 土木工程學院， 湖南 長沙 410075)

?

經時視角下山嶺隧道水害凍害若干問題的實證研究

張鎮國1，伍毅敏2，張慶寧2

(1.中鐵二十二局一公司， 北京 100040；2.中南大學 土木工程學院， 湖南 長沙 410075)

摘要:針對防水防凍技術措施的實際工作狀態，采取實驗方法對其中幾個關鍵問題進行研究，結果表明：受壓狀態下復合防水層土工布的橫向導水性能很低，并會逐年淤塞喪失功能，各類排水管的外包土工布和濾水層也存在明顯的淤塞問題，這一現象導致了隧道排水系統逐步失效，形成并加劇隧道滲漏；冬季寒區隧道洞口段和洞身段襯砌的平均溫度差異不大，溫度振幅和正負溫交替次數差異顯著，短周期凍融循環的累積損傷才是引起隧道襯砌凍害的根本原因，而不是負溫凍結本身；對于寒區隧道層間聚氨酯保溫板，考慮初支二襯的相互擠壓、防水板破損導致浸水以及多頻次短周期凍融循環作用，其內部結構破壞和熱力學性能劣化將逐年發展，威脅結構長期安全。上述實證結論值得引起隧道水害凍害研究和設計者重視，可為進一步的量化研究提供參考。

關鍵詞：隧道工程；防水防凍；經時特征；實證研究

滲漏水是隧道工程最常見的病害，調查資料顯示有超過七成的隧道存在滲漏水現象[1-2]。在高緯度或高海拔地區，滲漏水又與凍害互為因果，進一步加劇了對工程的危害[3-4]。為了解決隧道水害凍害問題，近年來，國內外開展了大量的科學研究工作，開發了不少新技術和新材料，取得了一定的進展[5-8]。然而，由于問題的復雜性，隧道工程的水害凍害問題并沒有得到實質性的改觀，特別是防水防凍的長期效果很不理想[9-13]。為了揭示隧道水害凍害形成和逐年發展的根本原因，筆者近年來就隧道水害凍害研究中的若干問題開展了實證和實測工作，發現了一些不同于以往認識的現象，匯總于此供同仁借鑒參考，以期推動水害凍害研究工作取得實質性突破。

1復合防水層土工布的橫向導水性能問題

復合防水層由防水板和土工布組成，在礦山法隧道中專門起防排水作用。其中防水板通常為PVC和EVA等高分子材料，主要起防水隔水作用；土工布通常為無紡織物，起到保護防水板和橫向疏導滲水的作用。對于防水板施工后是否保持完好這一問題，工程界已早有認識，而對于防水板在長期運營的擠壓搓揉作用下的完好性問題，一些研究者也已經通過實驗方法進行了揭示[14-15]，這些問題都應引起防水防凍研究的高度重視。而對于土工布的橫向導水能力，目前尚未有專門的研究，相關規范也未作具體要求，在工程設計時僅對單位面積的重量提出要求。土工布如果不能發揮橫向導水作用，初期支護滲出的水將不能通過橫向滲透進入環向排水盲管或向下滲入拱腳縱向排水管，從而導致隧道排水系統不出水，或者隧道拱腳不滲水而拱部滲水等問題，這在實際工程中十分常見。

為了測試土工布的橫向導水能力，筆者專門研制了一種復合防水層橫向滲透能力測試裝置，如圖1所示，其主體結構包括安平支座、下承載板、不銹鋼絲桿、上承載板、鎖定螺母、測力千斤頂、墊塊托板和注水密封件和流量表。實驗時，墊塊試件模擬二次襯砌，壓塊試件模擬初期支護，復合防水層置于墊塊和壓塊之間，采用測力千斤頂模擬初期支護與二次襯砌之間的接觸壓力，通過壓塊試件中心的注水孔向復合防水層注水。

(a)結構設計圖；(b)三維效果圖　　1-安平支座，2-下承載板，3-不銹鋼絲桿，4-上承載板，5-鎖定螺母，6-測力千斤頂，7-墊塊托板，8-注水密封件，9-流量表，10-墊塊試件，11-復合防水層，12-壓塊試件圖1　復合防水層橫向滲透性能測試裝置Fig.1 Permeable performance testing device of composite waterproofing layers

通過試驗發現以下現象(限于篇幅，詳細數據參考其他文章，下同)：

1)隨著壓塊和墊塊之間接觸壓力的增大，復合防水層的橫向透水能力逐步下降。對于分開澆筑互不耦合的壓塊和墊塊，當接觸應力達到2.72MPa時，橫向透水能力極小(幾乎不透水)；對于整體澆筑互相耦合的壓塊和墊塊，當接觸應力達到0.68MPa時，橫向透水能力極小。后者的耦合程度與實際工程較為接近，由此可見擠壓狀態下復合防水層的橫向透水能力極低，除非有不緊密接觸帶或防水板褶皺，否則滲水在初支和二襯間很難形成有效的滲流，這使得排水系統不能起作用。

2)粗糙接觸面的橫向透水能力高于平滑接觸面，即使在壓力作用下仍具有較好的透水能力，但與此同時，粗糙接觸面對防水板的損傷卻極為明顯。從保護防水層角度看，應盡量使初期支護表面光滑平整，而從保持初支二襯之間的透水性角度看，則應保持其表面粗糙。在防水層完整性及長期性能不能保證的情況下，寧可取其后者。

3)在接觸壓力作用下，壓塊試件的中心孔內的水位可以始終保持在3～5cm的高度，即復合防水層的橫向透水存在一個啟動水頭。當積水水頭低于啟動水頭時，滲水不能在初支和二襯之間的形成滲流。這意味著對于有地下水的隧道，初支和二襯之間的積水是永遠存在的。因此，只要二次襯砌存在防水薄弱點，滲漏將不可避免，而對于寒區隧道，襯背積水凍脹也必然存在。

4)隨著滲水次數的增加，特別是含泥沙的水的滲透，復合防水層的橫向透水能力可以快速下降，最終完全喪失透水能力。這一特征很好的解釋了為什么多數隧道是在修建幾年以后開始發生排水失效和滲漏問題。

2管路外包土工布及濾水層的長期透水性能問題

山嶺隧道排水系統主要由環向排水盲管、縱向排水管、橫向排水管和中央排水管組成。除橫向排水管只起到橫向連通作用之外，其余管路都兼起匯水和排水作用。為了達到這一目的，縱向排水管和中央排水管都必須在管路上半斷面開孔匯水，同時為了防止泥沙進入，又在管路外包土工布、上覆級配碎石濾水。采用這一方案，土工布和濾水層的實際透水能力對排水系統有決定性影響。

為了測試管路外包土工布和濾水層的長期透水性，制作如圖2所示模型箱，將工程中常用的直徑為100mmPVC管打孔后裝入模型箱，外包土工布并填入級配碎石進行透水性模擬實驗。在試驗中分別考慮了級配碎石、級配碎石加砂、級配碎石加黏土等3種工況，分別模擬理想狀態和泥沙淤塞狀態。每種工況按照泥沙摻入量又分成若干等級。

(a)模型箱示意;(b)管路匯水照片圖2　管路外包土工布和濾水層透水性試驗Fig.2 Water permeability test for out wrapped geotextile and filtering layer

通過試驗發現，當級配碎石潔凈無泥沙進入時，排水管流出的水較清澈，流量較大，從排水管內可以看到管內透水孔透水流暢，大多數透水孔水流呈柱狀射線涌出。而當級配碎石中填充砂子時，則只有少量透水孔水流呈柱狀射線，明顯少于潔凈級配碎石工況時呈柱狀射線孔的數目，大部分透水孔水流沿排水管管壁向下流淌。而級配碎石中填充粘土后，流水呈線狀的透水孔數目極少，并且水柱較細且呈拋物線形，這些孔同樣分布在排水管上游邊緣處，其他絕大多數透水孔滲水貼管壁緩慢流動。

結合某工程中央排水管的設計參數，通過相似比的推演，獲得其中央排水管在潔凈級配碎石條件下每米管路的匯水能力為1 694.5cm3/s，被黏土嚴重淤塞時將下降至400.00cm3/s，而該隧道實際所需排水能力為一般期1 175.93cm3/s，暴雨期2 298.61cm3/s。可見在強降雨條件下，隧道排水管路不能及時將滲水匯集排走，引起隧道內滲水問題：對于隧道拱腳縱向排水管，由于匯水排水不及時，導致水在襯砌背后拱腳位置積蓄，然后通過襯砌的水平縱向施工縫滲出；對于路底中央排水管，由于匯水排水不及時，導致路基和路面結構層積水，在車輛荷載反復作用下產生泵吸效應，出現路底脫空，進而引起斷板、翻漿冒泥等病害。

3寒區隧道洞身襯砌的溫度均值及波動問題

寒區隧道洞內溫度分布是揭示隧道凍害機理、構建凍害設防標準的根本依據。長期以來，對寒區隧道溫度場的研究都主要關注宏觀特征，大多從年度周期的角度來考察寒區隧道凍融循環。在此背景下，往往認為凍脹力的靜力效應是引起隧道襯砌結構凍害損傷的主要原因，并據此提出以月平均最低氣溫、巖土最大凍深和凍結指數等宏觀指標作為設防依據。而靜力損傷實際上很難解釋凍害的逐年漸進發展特征，因為如果凍脹力的靜力作用可以使隧道結構破壞，那么在第1個或前幾個凍結期就將發生結構損傷，而且這種損傷應該較為普遍，但實際情況并非如此。因此，需要從經時發展的角度對凍害機理開展進一步的分析。

要獲得寒區隧道負溫作用的累積效果，勢必需要將溫度波動的考察周期縮短。為了獲得隧道洞內溫度的短周期波動特征，筆者研制了一種低溫智能溫度記錄儀，開展了寒區隧道洞內溫度的長期連續實測。該溫度記錄儀采用專用低溫鋰電池，通過應用休眠喚醒技術，可以在極端寒冷且無外電源條件下，自動監測和記錄4～6個月的低溫數據。應用該溫度記錄儀對山西大同鴻福隧道進行了2a的連續實測，獲得了以下結果。

1)隧道洞身段襯砌平均溫度與洞口段差異不大，洞身段在冬季處于負溫是常態現象，平均溫度的差異不足以支撐洞口段凍害比洞身段嚴重的工程現象。如圖3所示，襯表平均溫度由進風口到出風口單調變化(除接近出風口的極短區段外)，洞外負溫可以長距離的影響至洞內，沒有觀測到一些文獻認為的“冬季洞口溫度低、洞中溫度高，近似拋物線或倒V字型的溫度分布”現象。究其原因，在通風條件下，洞外負溫空氣可以快速貫通整個隧道，以所測鴻福隧道為例，隧道全長2 300m，風速僅按3m/s計算，負溫空氣13min即可流通至出口。而洞身段處于負溫這一現象，較好地解釋了隧道洞身段也存在排水系統凍結的現象，也說明在長隧道中部同樣需要對排水管路進行保溫防凍。

圖3　實測襯表日平均溫度沿隧道縱向的變化曲線Fig.3 Varying curve of daily average lining surface temperature measured in-situ versus tunnel longitudinal depth

2)隧道洞身段與洞口段的溫度差異主要在于溫度波動幅度，以及由此引起的正負溫交替次數。監測數據顯示，寒區隧道洞口段的溫度日較差(日最高溫度與最低溫度的差值)顯著大于洞身段，隧道襯砌溫度變化范圍為洞口大、洞身小的喇叭形。由于平均溫度相差不大而洞口段振幅較大，使得隧道洞口段的正負溫交替次數顯著大于隧道洞身段。以鴻福隧道為例，進風口氣溫日較差多數可達12-15 ℃，進洞以后快速下降，進洞100m可降至2-4 ℃左右。正負溫交替次數則由洞外的104次，快速降至20～30次。寒區隧道襯砌溫度的短周期波動特征及其累積效應，既能夠解釋寒區隧道凍害的經時累積特征，又可以解釋隧道洞口段和洞身段凍害嚴重程度的差異，有必要開展進一步的深入研究。

4層間聚氨酯保溫板的擠壓吸水凍融問題

目前，我國寒區隧道設防主要采用保溫隔熱方法，對隧道襯砌結構大多采用鋪設保溫層的方法進行保溫。按照保溫層的鋪設位置可以分為襯砌表面鋪設和初支二襯層間鋪設兩類，其中層間保溫層應用更為廣泛，目前我國多數寒區高速鐵路隧道都采用層間鋪設聚氨酯板的保溫方案。聚氨酯板具有導熱系數低、吸水性低、阻燃性好、耐老化等特點，廣泛應用于北方地區各種管路的保溫。而將其應用于隧道襯砌保溫，主要目的是利用其較低的導熱系數，阻隔襯砌結構和冷空氣的熱量交換，防止襯背圍巖凍結。但是，層間保溫板是否能夠達到預期保溫目的，還必須考慮以下幾點：一是由于初支二襯的相互擠壓作用，聚氨酯多孔結構可能受到破壞，其吸水性可能發生變化；二是保護聚氨酯保溫層的防水板存在很大的破損風險，加大了其浸水概率；三是隧道內短周期凍融循環，可能加劇擠壓吸水后聚氨酯保溫層的性能退化。

為了掌握層間聚氨酯保溫板擠壓吸水凍融造成的影響，筆者對其進行了室內模型試驗，主要開展了聚氨酯板的自由吸水凍融試驗、飽和吸水凍融試驗、約束飽和吸水凍融試驗，并與聚氨酯板的單純壓縮和單純吸水試驗結果進行對比。通過試驗發現以下結果。

1)反復凍脹擠壓作用下聚氨酯內部多孔結構發生破壞。以飽和吸水凍融循環為例，10～50次凍融循環后試件的切片顯微掃描顯示(如圖4)：10循環試塊內部氣孔較為穩定，20循環試塊開始出現較多小氣泡，30循環試塊中小氣泡合成為多個大氣泡，40循環和50循環中出現水中染色劑顏色且50循環中被染色區域增大。這一結果表明，對于層間聚氨酯保溫板，由于初支二襯的相互擠壓，以及存水環境中的短周期凍融循環，其內部結構將發生破壞，勢必影響其吸水和保溫特性。

(a)10次凍融循環;(b)50次凍融循環圖4　不同凍融循環數下試塊中心部位切片顯微掃描照片Fig.4 Micro scanning photo of slice from specimen center experienced different freezing and thawing cycles

2)反復凍脹擠壓作用下聚氨酯材料的吸水率和變形率顯著增大。無約束條件下，經過10次飽和吸水凍融循環，聚氨酯保溫板的平均吸水率可達48.39%(質量比，下同)。而在約束條件下，聚氨酯保溫板與飽和吸水凍融循環次數呈線性增長關系，經過50個凍融循環后試塊最大吸水率達868%。

因此，對于寒區隧道中使用的層間聚氨酯保溫板，一旦防水板失效，就可能隨著襯砌溫度的短周期正負波動而發生吸水凍融循環，吸水、凍融、層間擠壓三者相互作用，將明顯加速保溫板的失效，由此引起的凍害和層間脫空，給寒區隧道埋下巨大隱患。

5結論

1)復合防水層的土工布導水性能不佳，有必要在復合防水層與初期支護之間增加密集排水通道；排水管路外包土工布和濾水層存在淤塞問題，需要改變設計方案。

2)寒區隧道洞內凍害主要由短周期凍融循環引起，采取最低月平均氣溫或凍深作為設防依據不甚科學，建議采用隧址區年度正負溫交替次數。

3)寒區隧道層間設置保溫板存在很大的技術風險，失效后不可更換，建議在工程實踐中不予采用。

參考文獻：

[1] 陳健蕾，劉學增，張文正，等. 貴州省公路隧道滲漏水調查及統計分析[J]. 現代隧道技術，2011，48(5)：7-11.

CHENJianlei,LIUXuezeng,ZHANGWenzheng,etal.InvestigationandstatisticalanalysisofwaterleakageinhighwaytunnelsinGuizhouprovince[J].ModernTunnellingTechnology, 2011, 48(5):7-11.

[2] 劉庭金，朱合華，夏才初，等. 云南省連拱隧道襯砌開裂和滲漏水調查結果及分析[J]. 中國公路學報， 2004， 17 (2)：64-67.

LIUTingjin,ZHUHehua,XIACaichu,etal.AnalysisofsiteinvestigationofcrackingandleakageonarcadetunnelliningofYunnanprovince[J].ChinaJournalofHighwayandTransport2004, 17 (2): 64-67.

[3] 呂康成，吉哲，馬超超，等. 寒冷地區隧道溫度、滲流規律與凍害預防[J]. 現代隧道技術，2012，,49(1)：33-38.

LüKangcheng,JIZhe,MAChaochao,etal.Temperatureandseepagevariationlawandfrostdamagepreventionfortunnelsincoldregions[J].ModernTunnellingTechnology，2012,49(1)：33-38.

[4] 馬曉良，董新平. 寒冷及嚴寒地區隧道凍害發生機理及防治[J]. 地下空間與工程學報，2014，10(增2): 1996-1999.

MAXiaoliang,DONGXinping.Thefrostdamagemechanismandcountermeasuresfortunnelsincoldregions[J].ChineseJournalofUndergroundSpaceandEngineering, 2014，10(Suppl2): 1996-1999.

[5] 江衛濤，劉元珍，李珠，等. 玻化微珠保溫砂漿應用于寒區隧道保溫隔熱層的可靠性分析[J]. 混凝土，2014(10)：122-126.

JIANGWeitao,LIUYuanzhen,LIZhu,etal.Reliabilityanalysisofthermalinsulationglazedhollowbeadmortarusedincoldregionstunnelinsulationlayer[J].Concrete, 2014(10):122-126.

[6] 夏才初，楊勇，張國柱，等. 隧道內地源熱泵熱交換管與隧道結構相互影響[J]. 同濟大學學報(自然科學版)，2014，42(1)：51-57，150.

XIACaichu,YANGYong,ZHANGGuozhu,etal.Mutualinfluencebetweentunnelstructuresandheatexchangepipesofgroundsourceheatpumpintunnel[J].JournalofTongjiUniversity(NatureScienceEdition), 2014, 42(1)：51-57,150.

[7] 蔣雅君，楊其新，蔣波，等. 隧道工程噴膜防水施工工藝的試驗研究[J]. 土木工程學報，2007，40(7)：77-81，86.

JIANGYajun,YANGQixin,JIANGBo,etal.Anexperimentalstudyontheconstructiontechnologyofspray-ontunnelwaterproofmembrane[J].ChinaCivilEngineeringJournal, 2007，40(7)：77-81，86.

[8] 伍毅敏，王紅玉. 寒區隧道施工縫襯背供熱排水防凍方法[C]//2009年全國公路隧道學術會議.蘭州，2009：554-560.

WUYimin,WANGHongyu.Anti-freezingthroughdrainageensuredbyheatingfromthebackofsecondaryliningforconstructionjointsoftunnelsincoldarea[C]//2009NationalConferenceonRoadTunnel.Lanzhou, 2009：554-560.

[9] 袁超，李樹忱，李術才. 寒區老舊隧道病害特征及治理方法研究[J]. 巖石力學與工程學報，2011，30(增1)： 3354-3361.

YUANChao,LIShuchen,LIShucai.Studyofdefectscharacteristicsandrepairmethodsofoldtunnelincoldregion[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering, 2011, 30(Suppl1): 3354-3361.

[10] 劉承先. 武廣高鐵黃登仙隧道襯砌滲漏水原因分析及施工技術研究[J]. 鐵道科學與工程學報，2010，7(2)：79-82.

LIUChengxian.Causeanalysisandconstructiontechnologystudyofwater-leakageoflinerinHuangdengxianTunnel[J].JournalofRailwayScienceandEngineering, 2010, 7(2):79-82.

[11] 陳建勛. 梯子嶺隧道防凍隔溫層效果現場測試及分析[J]. 公路，2006(8)：221-224．

CHENJianxun.FieldtestandanalysisofeffectofantifreezethermalinsulatinglayerinTizilingtunnel[J].Highway, 2006(8):221-224.

[12] 劉海京，鄭佳艷，涂耘，等. 大坂山高寒隧道病害檢測與狀態評定[J]. 公路交通技術，2009(6)：120-124.

LIUHaijing,ZHENGJiayan,TUYun,etal.DiseasesdetectionandstatusassessmentforhighandcoldtunnelsinDabanMountain[J].TechnologyofHighwayandTransport, 2009(6): 120-124.

[13] 張閩湘. 昆侖山隧道滲漏水治理方案研究[D]. 重慶：重慶大學，2009.

ZHANGMinxiang.StudyontheprojecttothewaterleakageinKunlunMountaintunnel[D].Chongqing:ChongqingUniversity, 2009.

[14] 呂康成，王大為，崔凌秋. 隧道復合式襯砌防水層工作性態試驗研究[J]. 中國公路學報，2000，13(4)：79-82.

LüKangcheng,WANGDawei,CUILingqiu.Testresearchonworkingbehaviourofwater-prooflayerincompositeliningsofhighwaytunnels[J].ChinaJournalofHighwayandTransport, 2000, 13(4):79-82.

[15] 王偉. 公路隧道復合式襯砌防水層水壓力破壞特性及基體缺陷形狀研究[D]. 杭州：浙江大學，2006.

WANGWei.Researchonwaterpressuredamagepropertyofwaterprooflayerincompositeliningofhighwaytunnelsandmatrixdefectscharacter[D].Hangzhou:ZhejiangUniversity, 2006.

* 收稿日期：2015-09-01

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51008308，51478473)；中鐵二十二局科技項目(12-220102A)

通訊作者：伍毅敏(1980-)，男，江西贛州人，副教授，博士，從事隧道與地下工程教學科研工作；E-mail:wuyimin531@163.com

中圖分類號：TU91

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)06-1129-06

Empirical researches on time-varying characteristic of water and frozen disease in mountain tunnel

ZHANG Zhenguo1，WU Yimin2，ZHANG Qingning2

(1.The1stEngineeringCo.,LtdofChinaRailway22ndBureauGroup,Beijing100040,China;2.SchoolofCivilEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410075,China)

Abstract:Based on actual working state of waterproof and anti-freezing measures, this paper studies several key issues with experiment methods. Results show that: Geotextile in composite waterproof layer whose radial hydraulic conductivity is very small under the compression state, and it will get blocked year by year until the loss of its function. In addition, obvious blocking problems also exist in out wrapped geotextile and filtering layers of varied drainage pipes. This phenomenon leads to progressive failure of tunnel drainage system, as well as formation and intensifying of tunnel leakage. In winter, average temperature has little difference in the external and the internal part of tunnel, while the difference of temperature amplitude and alternation frequency between positive and negative temperature is obvious. Cumulative damage of freezing and thawing cycle with short period is the primary cause of tunnel lining's freezing damage, rather than freeze itself under negative temperature. For the polyurethane sandwich panel installed at interlayer of cold region tunnel, its internal structure damage and thermodynamic performance degradation will develop year by year taking extrusion between initial and second lining, seepage induced by waterproof board damage and frequent freezing and thawing cycle with short period into account, which threats structure's long-term security. The above conclusions should be brought to researcher and designer who focus on water and freezing disease of tunnel and can also provide a reference for further quantitative research.

Key words:tunnel engineering; water and frozen disease; time-varying characteristic; empirical research