我國寒區山嶺交通隧道防凍技術綜述與研究展望

萬建國

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031)

0 引言

根據我國中長期鐵路網規劃和國家公路網規劃可知，我國西部和東北內蒙古寒區還有很多公路和鐵路正在或即將建設，如川藏鐵路和川藏高速公路等，位于寒區的鐵路、公路隧道數量越來越多，防凍技術要求越來越高。雖然我國隧道防凍技術取得了長足進步，但經調查發現，東北、內蒙、甘肅和河北已運營的高緯度寒區隧道122座，有凍害的隧道51座，占41.8%；四川、青海、西藏和新疆已運營的高海拔寒區隧道34座，有凍害的隧道15座，占44.1%[1]。可見，寒區隧道凍害是一個普遍存在的問題，有些凍害已嚴重危及隧道結構和運營安全，甚至導致一些隧道冬季無法使用。為消除凍害，每年投入了高昂養護維修和處治費用，然而效果往往不盡人意。本文通過回顧典型寒區山嶺交通隧道當地氣象條件、凍害現象及凍害處治措施，展現我國寒區山嶺交通隧道防凍技術的發展歷程；在此基礎上，分析寒區山嶺交通隧道圍巖與混凝土凍害發生的機制、凍害發展途徑，總結我國季節性凍土和多年凍土地區山嶺交通隧道凍害防治的原則和防治措施，展望山嶺交通隧道防凍技術發展方向，以期為寒區山嶺交通隧道建設提供參考。

1 我國寒區山嶺交通隧道防凍技術發展歷程

我國隧道防凍技術主要是從新中國成立后開始逐步發展起來的。新中國成立前，晚清、民國和東北日俄占領時期雖然修建了一些寒區山嶺交通隧道(如濱州鐵路興安嶺隧道)，但總體考慮防凍較少，導致隧道建成后不久就出現了嚴重凍害，嚴重影響了隧道結構和運營的安全。

自20世紀50年代開始，我國在東北興安嶺多年凍土地區修建了一些鐵路隧道，如牙林鐵路嶺頂隧道，嫩林鐵路翠嶺隧道，西羅奇嶺1、2號隧道和白卡爾隧道等。由于對凍土特性和低溫凍害認識不足，修建隧道期間屢遭挫折，出現了邊修邊結冰，即使鑿通后，仍需不分晝夜連續鑿冰(如嶺頂隧道)才能維持通車，以致人們對在凍土區修建隧道產生了恐懼。后來線路越嶺時干脆采用爬山繞行也不愿修建隧道[2]。所幸隧道人并沒有灰心，在邊修建、邊破壞、邊摸索的艱難條件下堅持不懈，逐漸探索出一些解決隧道凍害的處治措施，如防寒水溝、泄水洞、深埋滲水溝、保溫水管、保溫出水口等，這些措施極大緩解了隧道凍害，取得了一定效果。

20世紀60—90年代，我國在西北寒區修建了一些鐵路和公路隧道，如天山公路玉希莫勒蓋隧道和南疆鐵路奎先隧道等。這些隧道建成后出現了較嚴重的凍害，甚至出現了因凍害而導致隧道報廢的情況。1998年，穿越祁連山脈東段的G227線大坂山隧道順利建成，標志著我國寒區隧道修建技術取得了較大進步。這些技術主要有防寒泄水洞、泄水橫洞、豎向泄水孔、隔風保溫門、防雪棚、隧道結構保溫層等。

進入21世紀，青藏鐵路風火山和昆侖山隧道的建成進一步拓展了隧道防凍技術。之前的防凍理念是采取措施防止地下水凍結，而這2座隧道全部位于多年凍土區，防凍技術則是以“保凍”為根本目標，即采取措施保證隧道建設期與運營期地下水始終處于凍結狀態，防止融化。

20世紀末和21世紀初，我國修建了川西高海拔季節性凍土寒區的鷓鴣山隧道、雀兒山隧道、巴朗山隧道和西藏扎墨公路嘎隆拉隧道，形成了對地下水封堵、快速疏排、排水系統防凍、襯砌結構保溫隔熱等較為成熟有效的防凍技術，這些技術對季節性凍土寒區隧道的防凍技術做了重要補充，對川西高海拔寒區和藏區隧道建設提供了有效的技術保障。

近年來，隨著我國高鐵建設的快速發展，逐步形成了一套適合我國的高緯度和高海拔寒區高鐵隧道防凍技術，豐富了我國隧道防凍技術。

1.1 1949年前建成的寒區山嶺交通隧道

1949年前我國建成的寒區山嶺交通隧道很少，主要為東北地區俄羅斯和日本修建的鐵路隧道。盡管這些隧道位于寒區，但限于當時技術水平，采取的防凍措施較少。其中，較為典型的是由俄羅斯主持修建的濱州鐵路興安嶺隧道。

興安嶺隧道為雙線隧道，長3 077.2 m，海拔1 100 m，位于高緯度嚴寒興安嶺地區。隧址區最冷月平均氣溫-21.3 ℃，極限最低氣溫-57 ℃，結冰期7個月以上，最大凍結深度為3.2 m。隧道始建于1901年，1903年建成，隧道襯砌為石膏石灰砂漿漿砌片石、粗鑿石或毛方石，洞內設中心排水溝和側溝，洞口設防寒簾。

隧道建成后，每年2、3季度(洞外溫度10～25 ℃，洞內溫度8 ℃)洞內會出現滴漏水；1、4季度(洞外溫度-52～-35 ℃，距洞口1 km處洞內溫度0 ℃)會出現結冰，形成拱墻掛冰、隧底流水結冰。凍害致使排水系統失效，襯砌松動、變形、風化、剝落，膠凝材料強度失效，結構強度降低。每年均需要投入大量人力刨冰。曾經因為洞頂掛冰脫落發生了砸傷火車司機的安全事故。

為解決凍害，保障行車安全，20世紀90年代初在興安嶺隧道旁新建了1座隧道； 且在2015—2017年電氣化改造時對拱墻新出現的滲漏水進行了處治[3]，大大減少了凍害。

1.2 1949—1999年建成的寒區山嶺交通隧道

截至1994年，我國在嚴寒地區修建了70多座鐵路隧道。由于氣候影響和隧道防排水處理不當，不少隧道出現了冬季結冰、襯砌脹裂等病害，例如： 20世紀60年代建成的東北牙林鐵路嶺頂隧道和六七十年代建成的嫩林鐵路白卡爾隧道，嚴重威脅了行車安全。

1.2.1 牙林鐵路嶺頂隧道

牙林鐵路嶺頂隧道是我國第1座修建在多年凍土區的隧道，位于大興安嶺西坡區，長936.8 m，年均氣溫-6.71 ℃(1966年)，最低氣溫-50 ℃，負溫天數占全年天數的58%。隧道出口端位于多年凍土區，季節融化層最大深度約為9 m，圍巖為凝灰質角礫巖、安山巖。

修建時，隧道采用普通水溝及襯砌背后注漿堵水的排水措施，未采用防寒排水系統。1961年9月隧道建成，拱墻開始滲漏水，同年11月出現凍害，拱墻掛冰，最大冰柱直徑達1 m，隧底積冰厚0.3～1.3 m[4]。邊墻襯砌出現眾多環向裂紋。

為減輕凍害，隧道邊墻背后增設豎向碎石盲溝+豎向泄水孔+支導洞+泄水洞+洞外暗溝+保溫出水口等排水措施，排水系統示意如圖1所示。泄水洞距隧底5.5 m，長720 m，洞外暗溝連接泄水洞出口，長128 m。地下水匯集至隧道邊墻外側豎向碎石盲溝內，盲溝通過豎向泄水孔和支導洞與泄水洞相連[5]。經此處理后，泄水洞地段隧道凍害完全消除。

1.2.2 嫩林鐵路隧道

嫩林鐵路位于我國東北大興安嶺東南坡與北坡，全長680 km，氣候惡劣，極端最低氣溫-48～-52 ℃，最冷月平均氣溫-32 ℃以下，年平均氣溫-2.5～3.0 ℃。每年9月至翌年5月為凍結期，凍結深度為3.8～5.0 m。嫩林鐵路全線建有14座隧道，主要有朝陽1號隧道、西羅奇嶺2號隧道、白卡爾隧道、孟克山隧道、翠嶺2號隧道等。

嫩林線隧道主要采取了中心深埋水溝、雙側保溫水溝、防寒泄水洞3種防凍措施，有的隧道防凍措施較成功，有的仍出現了較嚴重的凍害。

朝陽1號隧道(長420 m)是我國第1座在隧底下設深埋水溝排水的隧道，運營多年隧道未出現滲漏水，冬季無掛冰現象，襯砌完好無損。

西羅奇嶺2號隧道(長1 160 m)采用泄水洞和保溫水溝排水。開通運營后，襯砌背后積水結冰凍脹，造成襯砌開裂、破碎，甚至襯砌拱頂坍塌中斷行車； 同時，隧道內陰暗潮濕環境使得保溫水溝的保溫材料難以保持良好狀態，運營不到10年就大修。隧道出現凍害的原因是修建時未施作襯砌背后豎向和橫向排水盲溝及與泄水洞連接的排水系統。完善排水系統后，隧道凍害得到了緩解。

翠嶺2號隧道設置了泄水洞排水，但運營7年后，襯砌背后出現了大量結冰、拱墻掛冰現象。原因是泄水洞位置處多年平均地溫為-3.0 ℃，泄水洞內空氣多年最低溫度為-2.5 ℃，流入泄水洞內的地下水溫僅為0.4 ℃，加之水量較小(73 m3/d)，流速較低，導致泄水洞內每年均會結冰，且夏季不能融化，7年后結冰塞滿堵死泄水洞，并蔓延至隧道內，導致襯砌背后結冰凍脹、拱墻掛冰。后定期清理泄水洞積冰，隧道凍害得到大大緩解。因此，泄水洞位置處多年平均地溫低于0 ℃且水量較小時應考慮防凍措施。

1.2.3 天山公路隧道

G217線北疆獨山子至庫車段公路(天山公路)翻越天山山脈時修建了3座公路隧道，分別為哈希勒根隧道(340 m)、玉希莫勒蓋隧道(1 110 m)和鐵力買提隧道(1 895 m)。其中，哈希勒根隧道海拔3 400 m，是我國當時海拔最高的公路隧道；鐵力買提隧道是我國當時最長的公路隧道。

玉希莫勒蓋隧道位于高海拔季節性凍土區，歷史最低氣溫-50 ℃，最冷月平均氣溫-17 ℃，年平均氣溫1.2 ℃，最大季節性凍土深度為2.5 m，年平均降雨量1 000 mm。隧址區圍巖較破碎，處于山體匯水區域，地表與地下水較發育。限于當時技術條件，修建時未考慮防凍問題。隧道于1983年8月建成，9月出現路面結冰、洞頂掛冰現象，導致車輛無法通行。多年來，反復凍融破壞，拱頂出現冰錐，邊墻出現冰溜，襯砌開裂、破碎和剝落，底板冒水結冰，襯砌結構破壞非常嚴重，最終隧道形成冰塞而報廢，公路改為翻山通過。

2008年5月，在報廢隧道附近修建了長1 943 m的新玉希莫勒蓋隧道，用時近6年(每年5個月施工期)。為解決隧道凍害，主要采用了二次襯砌表面設保溫層+墻腳外側縱向排水盲溝+仰拱底深埋中心排水盲溝+豎向排水孔+排水橫洞+防寒泄水洞(長2 091 m)+保溫出水口的防凍措施。新玉希莫勒蓋隧道防排水系統示意見圖2[6]。新隧道建成后，凍害總體較輕，但在冬季隧道局部滲漏水段仍存在掛冰現象，路面出現冰柱、冰錐現象。

圖2 新玉希莫勒蓋隧道防排水系統示意圖

1.2.4 南疆鐵路奎先隧道

南疆鐵路奎先隧道修建于20世紀七八十年代，其穿越天山中部分水嶺，長6 154.16 m，洞口標高2 982 m，設有5 716 m平行導坑。隧道圍巖為花崗巖、片麻巖、片巖，基巖裂隙和地下水發育，出口約700 m處為多年凍土層。隧址區年平均氣溫-3.8 ℃，年極端最低氣溫-33 ℃，最冷月平均氣溫-15.8 ℃，有7個月平均氣溫在0 ℃以下。

隧道兩端洞口各設500 m保溫水溝，并延伸至洞外，利用距出口570 m處的3#橫通道將正洞水引入平行導坑，在平行導坑內設中央保溫水溝并延伸至洞外25 m。

隧道通車后的當年冬季，平行導坑水溝凍結1 250 m，隧道水溝凍結2 870 m，道床積冰厚25 cm，中斷行車3 d。原因是洞外未施作防寒出水口，導致結冰從出水口蔓延至隧道和平行導坑內，洞內水溝的保溫材料遇水后導熱系數大大增加，保溫效果降低。為防止凍害，1980年，將隧道和平行導坑內的長3 859 m(隧道1 820 m，平行導坑1 299 m，多年凍土段740 m)防寒保溫水溝的保溫材料更換為瀝青玻璃棉，局部段加大溝底縱坡以提高水流速度，洞外采用保溫出水口以減少地下水沿途散熱；1984年，清理保溫水溝時，更換了導熱系數更低的保溫材料； 1985年，在保溫水溝內增設了24組電加熱器主動防凍，水溝防凍取得了較好的效果。

1.2.5 新建興安嶺隧道

20世紀90年代初，在既有興安嶺隧道旁新建了1座下行單線隧道，與既有興安嶺隧道形成雙洞單線隧道。下行隧道長3 100 m，全隧采用中心深埋泄水洞排水，泄水洞底部距軌面3.50～4.96 m。2015年進行病害整治時，在滲漏水嚴重地段增設了邊墻背后豎向碎石盲溝(100 cm×30 cm)+避車洞底排水豎井+橫向排水管。為了增強防水防寒效果，采取了碎石盲溝與襯砌間設防水板+聚氨酯保溫板+避車洞設保溫門+豎井頂設簡易井蓋的措施[3]。新建興安嶺隧道排水系統示意見圖3。

1.2.6 大坂山公路隧道

大坂山公路隧道位于G227線青海大坂山越嶺段，修建于20世紀90年代中后期，長1 530 m，設計標高3 792.75 m，為當時亞洲最高海拔的公路隧道。隧址區屬內陸高寒季風氣候，年平均氣溫-3.1 ℃，最冷月平均氣溫-25.6 ℃，極端最低氣溫-34 ℃，最大積雪厚200 cm，年降雨量841.4 mm，平均風速1.2～2.5 m/s，最大風速20 m/s。隧道處于多年凍土與季節性凍土接觸帶，季節性凍土凍融深度為2.5～4.5 m。

圖3 新建興安嶺隧道排水系統示意圖

為防止凍害，大坂山隧道采取了富水段注漿堵水+邊墻腳外側和仰拱底設深埋中心排水盲溝+豎向泄水鉆孔+泄水橫洞+泄水洞+保溫出水口+隔風保溫門+二次襯砌表面設復合保溫層(PU泡沫塑料保溫層+玻璃鋼結構)+防雪保溫棚等防寒保溫措施，取得了良好的防凍效果。大坂山隧道防排水系統示意見圖4[7]。

圖4 大坂山隧道防排水系統示意圖

經過10多年運營，隧道出現了較嚴重的滲漏水、掛冰和襯砌裂損及保溫層破損現象。2008年，通過采用加密加長泄水橫洞+增設豎向橫向泄水孔+完善洞口排水系統+鑿槽埋管引排+封堵裂縫措施進行了滲漏水整治，將原有的保溫層換成FL保溫材料+纖維板，推拉保溫門更換為自動卷簾保溫門[8]。經過整治，取得了較好的防凍效果。

1.3 2000年以后建成的寒區山嶺交通隧道

1.3.1 青藏鐵路隧道

分別建成于2002年和2003年的青藏鐵路風火山隧道和昆侖山隧道為典型的高寒高海拔多年凍土區隧道。風火山隧道長1 338 m，最高海拔4 905 m，年平均氣溫-6.11 ℃，極端最低氣溫-37.7 ℃；昆侖山隧道長1 686 m，最高海拔4 666 m，年平均氣溫-5.2 ℃，極端最低氣溫-23.6 ℃。2座隧道穿越多年凍土區，地層冰的體積分數為10%～50%。

2座隧道的防凍措施主要為在初期支護和二次襯砌間設置隔熱保溫層(防水層+隔熱層+防水保護層)，以減少二次襯砌和圍巖熱交換。地下水以堵為主，以排為輔，洞內采用雙側保溫水溝，側溝采用雙層蓋板，上下層蓋板間設PU聚氨酯泡沫保溫材料。

風火山隧道防排水系統示意見圖5[9]。洞內水通過洞口的保溫管和保溫出水口排出，出水口選在背風向陽處。

圖5 風火山隧道防排水系統示意圖

施工期間開挖揭示，昆侖山隧道并非全部穿越多年凍土層，如地表沖溝淺埋段位于季節性融化層，埋深較淺段的隧道周邊融化圈和地面季節性融化層貫通，擴展了季節性融化層；另外，因施工擾動使凍土上限下移，進而擴大了季節性融化層。針對這些段落的地下水進行了嚴密注漿封堵。自2006年7月開通至今，隧道運營狀況良好。

1.3.2 四川西部高海拔寒區隧道

進入21世紀后，四川西部高海拔寒區建成了一批公路隧道和鐵路隧道。公路隧道主要有鷓鴣山隧道、巴朗山隧道、雀兒山隧道等，鐵路隧道主要有成蘭鐵路隧道群。不同于西北、東北高緯度寒區，川西高海拔隧址區一般日照豐富，多屬季節性凍脹凍融，一年中夏季和冬季溫差大，晝夜溫差大，洞外氣候受地形地貌、日照、植被、風向和雨雪影響大，很多長大越嶺隧道進出口氣候差異較大。

1.3.2.1 鷓鴣山隧道

G317線(川藏公路北線)鷓鴣山隧道長4 423 m，洞身最高海拔3 356 m，左側30 m設貫通平行導坑，于2004年建成通車。隧址區屬北溫帶，歷年平均氣溫3.3～3.8 ℃，每年9月至次年4月為冬季，平均氣溫-5～-15 ℃，最冷月歷年平均氣溫-6.9 ℃，極端最低氣溫-31.1 ℃。凍結最大深度為1.01 m，最大積雪厚47 cm，屬季節性凍脹凍融區。2000—2005年，針對G317線鷓鴣山隧道工程，建設各方開展了一系列綜合防凍技術研究，形成了保溫、排水、堵水及結構抗凍脹的隧道綜合防凍技術。隧道主要采取了如下防凍技術[10]：

1)采取措施阻隔地下水流向隧道凍融圈，如隧道出口淺埋富水冰川泥石流堆積體段采用地表鋼花管注漿、高壓旋噴、地下盲溝等措施阻隔凍融圈外的地下水流入。

2)加強防凍段隧道與平行導坑防水措施，尤其加強施工縫與變形縫防水。

3)加快防凍段隧道與平行導坑排水，加密排水盲溝、縮短排水距離，防止出現積水。

4)防凍段隧道與平行導坑采用埋于凍結線下的保溫中心溝排水，洞外采用保溫出水口排水。

5)通過風流在平行導坑及隧道中部吸熱、在隧道防凍段散熱的方式提高防凍段溫度，減輕凍害。

6)連續2年監測隧道貫通前后洞內外溫度，二次襯砌表面、背面及一定深度范圍內的巖溫，結合理論分析、數值模擬確定隧道防凍長度[11]。

7)防凍段隧道和平行導坑襯砌表面敷設保溫隔熱層(見圖6)。通過理論分析、模擬計算和現場試驗，選聚酚醛泡沫作為主要保溫隔熱材料[12]。

圖6 敷設保溫隔熱層后的隧道

采取以上防凍措施后，鷓鴣山隧道運營期間滲漏水較少，凍害較輕，無明顯凍害現象。但對保溫隔熱層維修時發現，隧道二次襯砌表面局部分布有細微淺表裂紋，說明局部仍存在凍害現象，且對結構混凝土造成了一定損傷。

1.3.2.2 巴朗山隧道

S303線巴郎山隧道長7 950 m，平行導坑長7 955 m，洞口海拔3 850 m。隧道于2016年建成通車。隧址區年平均氣溫在5 ℃以下，進口最冷月平均氣溫-11.8～-12.5 ℃，出口最冷月平均氣溫-6.6～-7.3 ℃，極端最低溫度-32 ℃。冬季長達6個月(11月—次年4月)，平均積雪100 d以上，最大凍結深度為1.2 m，屬季節性凍脹凍融區。

巴朗山隧道在借鑒G317線鷓鴣山隧道防凍技術的基礎上，還采取了如下措施：

1)在隧道進出口各建一個氣象觀測站，現場實測1年的風向、風速、大氣壓力、空氣溫度和空氣濕度等氣象參數[13]，為隧道通風、防凍提供了較為準確的基礎資料。

2)采用通風-滲流-溫度場耦合理論數值分析、室內模型試驗和現場測試，掌握了隧址區施工前的巖體初始溫度場、施工后地下水的滲流場、自然通風條件下洞內溫度場及圍巖溫度場規律[14]，確定了隧道與平行導坑的防凍長度，并采取了將中心水溝置于仰拱下的措施。

3)采用二維瞬態傳熱理論，計算極端最低氣溫下距洞口10 m處的圍巖最大凍結深度和襯砌內表面保溫層厚度。

采取以上防凍措施后，除隧道洞口附近路面存在局部暗冰外，尚未發現其他明顯凍害。

1.3.3 西藏高原嘎隆拉隧道

嘎隆拉隧道是西藏波密扎木至墨脫公路穿越嘎隆拉雪山而修建的三級越嶺公路隧道，全長3 310 m，進口標高3 775 m，出口標高3 645 m，自進口向出口單向下坡，坡度4.1%，2010年建成通車。

隧址區位于青藏高原寒冷氣流和印度洋暖濕氣流交接處，嘎隆拉山脈阻擋了二者交匯融合。隧道進口受高原寒冷氣流的影響，屬半濕潤季風氣候；出口受印度洋暖濕氣流的控制，屬亞熱帶濕潤氣候。進出口氣候差異大。

隧道進口穿越現代海洋性冰川地層，一年冰凍期8個月，多年平均氣溫1.1 ℃，最冷月(1月)平均氣溫-7.6 ℃，最熱月(7月)平均氣溫9.0 ℃；極端最高氣溫23.6 ℃，極端最低氣溫-27.7 ℃；晝夜溫差大，溫度垂直變化明顯，海拔每升高100 m氣溫下降0.74 ℃。冰凍層平均厚5～6 m，最厚15 m，屬季節性凍脹凍融區。

隧道出口多年平均氣溫18 ℃，最冷月(1月)平均氣溫8.4 ℃，屬溫和區。年降雨量約2 260 mm，5—9月為雨季，11月至次年1月為旱季，降水稀少，以降雪為主。

為防凍害，嘎隆拉隧道主要采取了以下措施[15]：

1)通過考慮風流影響的溫度-滲流-應力-損傷(THMD)耦合模型，模擬施工前隧址區巖溫場、施工后隧道結構與圍巖溫度場以及不同季節的凍脹力，確定隧道防凍長度和結構強度。

2)隧道洞口設2道保溫門，加強防凍段防排水措施，加密變形縫。

3)防凍段隧道表面設保溫隔熱層。

4)隧道進口防凍段中心排水溝設于仰拱下。

5)隧道出口下設168 m斜向泄水洞，將洞內中心溝水引至洞外自然溝排出，泄水洞與洞內中心溝之間采用豎向集水井連接。

1.3.4 寒區高鐵隧道

近年來，隨著高速鐵路建設向高緯度和高海拔寒區延伸，我國寒區高鐵隧道的防凍技術得到了進一步發展。

1.3.4.1 高緯度寒區高鐵隧道

通過調查我國東北高緯度寒區哈達高鐵、京沈客專等9條高鐵隧道發現，隧址區最冷月平均氣溫為-23.4～-4.8 ℃，最大凍結深度為1.00～2.46 m。采取的措施有加強防凍段結構、增設保溫層、圍巖注漿堵水、深埋中心溝、保溫中心溝和保溫側溝等，具體如下[16]：

1)將最冷月平均氣溫低于-15 ℃地區的隧道洞口1 000 m段(如哈佳客運專線、哈牡鐵路等)、最冷月平均氣溫-5～-15 ℃地區的隧道洞口500～800 m段(如京沈、沈丹、吉圖琿、張呼客運專線等)、淺埋偏壓斷層破碎帶(如丹大鐵路、張呼客運專線沈丹客運專線)設為抗凍設防段，二次襯砌采用鋼筋混凝土結構，襯砌混凝土抗凍性指標不低于 F300，考慮凍脹力時加強了環向和縱向鋼筋。

2)最冷月平均氣溫低于-15 ℃地區的隧道抗凍設防段或洞口段二次襯砌與初期支護之間設置了厚4～5 cm保溫板，如吉圖琿客運專線和哈佳鐵路等。

3)最冷月平均氣溫低于-15 ℃地區的隧道抗凍設防段多采用了拱墻或全環圍巖注漿的方式減少地下水，最冷月平均氣溫-5～-15 ℃地區的隧道抗凍設防段多根據地下水賦存狀態確定注漿堵水措施。

4)對于最冷月平均氣溫-5～-15 ℃地區的隧道，當長度小于2 km時一般全部設置中心深埋水溝； 長度大于2 km的隧道洞口端800～1 000 m段設中心深埋水溝。最冷月平均氣溫低于-15 ℃地區的多數隧道全段設置中心深埋水溝，少數隧道在洞口1 000～2 000 m處設置中心深埋水溝，中心深埋水溝埋置于凍結深度以下。設在仰拱結構內的中心水溝和側溝均采取了保溫措施。

1.3.4.2 高海拔寒區高鐵隧道——祁連山隧道

2014年建成的蘭新高鐵祁連山隧道長9 490 m，位于青海門源縣青藏高原季節性凍土區，最大凍結深度為2.3 m。年平均氣溫4.8 ℃，隧道進口最冷月平均氣溫-23 ℃，極端最低氣溫-37.9 ℃，冬季長達7個月。軌面最大高程3 574 m。隧道主要采取了如下防凍措施[17]：

1)襯砌結構。進出口1 000 m范圍內為防凍段，采用了內置式保溫防凍脹襯砌結構，結構形式為初期支護+模筑混凝土+防水板+厚5 cm保溫層+防水板+二次襯砌，采用了“膠粘+縱向鋼絲懸掛+環向安裝鋼架支頂法無釘鋪設防水保溫層”工藝施工復合防水保溫層。

2)泄水洞。隧道進出口分別設長1 800 m和1 500 m的防寒泄水洞，除進口端泄水洞自隧道左側斜向伸入正洞(距洞口300 m)下方外，其余段均沿隧道中線布置。泄水洞縱坡與隧道相同，凈空尺寸為2.2 m×2.5 m(寬×高)，泄水洞縱向每隔250 m設1處泄水洞橫通道+豎向泄水管(豎向連接中心水溝與側溝)引排正洞溝水。為防自身結冰，泄水洞內還增設了徑向泄水孔(用來排出隧底圍巖水)+支導洞+保溫檢查井+保溫出水口。

3)保溫中心水溝。對隧道兩端洞口段中心水溝和檢查井采取保溫措施，長度同泄水洞，中心水溝保溫措施為鋼筋混凝土排水管外裹6 cm厚聚乙烯泡沫保溫層+瀝青防潮層+鋁皮保護層，檢查井保溫措施為雙層蓋板，中間夾20 cm厚聚氨酯保溫板，下層蓋板采用瀝青油浸制木板。

4)保溫側溝。隧道進出口1 000 m范圍內排水側溝采用雙層蓋板夾聚氨酯泡沫保溫。因出口側溝水量較大，施工期間在左右側溝內各設2根伴熱電纜輔助加熱，洞口600 m內采用自動溫控，其余400 m采用人工控制，在聯調聯試期間敷設完成。

運營后發現，局部保溫襯砌拱墻、側溝壁與道床板施工縫、道床板間和道床板內存在滲漏水、冬季掛(結)冰及泄水洞口結冰現象，嚴重影響隧道運營安全，為此補充了如下措施。

1)滲漏水處徑向5 m范圍內采用圍巖注漿堵水+側溝與道床施工縫針管注漿堵水+墻腳泄水孔泄水+修復橫向排水盲管+中心溝泄水孔引排措施。

2)延長低端洞口泄水洞(500 m)+泄水洞口增設陽光采暖保溫棚。

3)根據運營期間現場監控及工務段聯合排查發現，伴熱電纜末端外1 500 m范圍的側溝有5～15 cm厚結冰，局部段結冰涌出蓋板，為此延長伴熱電纜至結冰終點。

采取以上措施后，達到了較好的防凍效果，保證了行車安全。

2 隧道凍害研究內容與現狀

從以上典型寒區隧道來看，凍害主要表現為洞內結(掛)冰、隧道圍巖與結構凍損、地基凍脹融沉等。凍害產生的原因十分復雜。苑郁林等[18]研究認為，隧道產生凍害需具備能夠使孔隙水凍結的負溫場、足夠的水供給和圍巖凍融敏感性3個條件。其中，每個條件受多因素影響與控制，分述如下：

1)能夠使孔隙水凍結的負溫場。隧道內是否產生負溫場受洞外氣象因素、運營因素和圍巖地溫影響。其中，洞外氣象因素主要包括大氣溫度、自然風向與風速；運營因素包括公路交通組織(交通量、交通組成與行車方向)、鐵路行車組織(行車密度、速度與方向)和運營通風(自然通風和機械通風)。

2)足夠的水分供給與遷移。由巖土與混凝土的凍害機制可知，圍巖和混凝土發生凍害伴隨著水分遷移，水分遷移不僅會增加結冰水體積和水冰相變產生的膨脹力，而且會損傷巖土和混凝土微觀結構，導致凍害更嚴重。因此，要減少或阻隔地下水遷移至隧道周邊。

3)圍巖凍融敏感性。凍融敏感性是指圍巖凍脹幅度和融化后的弱化幅度。凍融敏感性與巖性、結構、強度和完整性等因素相關。一般含水土層、砂礫中微小顆粒含量越高，其凍融敏感性越強，例如： 粉土、砂礫凍融敏感性較碎石高；巖石中一般裂隙水占巖石體積越小，凍融敏感性越低，尤其是堅硬巖石凍融敏感性極低。

隧道是否發生凍害需綜合以上3個條件判斷，缺一不可。因此，國內隧道凍害研究主要集中在隧道溫度場時空分布規律、圍巖與隧道結構凍害損傷機制和凍害傳導途徑3個方面。

2.1 隧道溫度場時空分布規律研究與現狀

目前，國內隧道溫度場時空分布規律研究主要集中在洞內空氣、隧道結構與圍巖2個部分，研究方法主要采用現場測試和理論分析為主。

2.1.1 現場測試研究

國內一批研究者先后在東北、西北、華北、川西高原和青藏高原等寒區多座鐵路隧道與公路隧道進行了現場溫度測試。測試多在運營通車后進行，測試時間一般為1～2年，測試內容主要包括洞內外空氣溫度、襯砌結構溫度與圍巖溫度。根據實測數據擬合出的洞內外溫度隨時間、隧道縱向、徑向的主要變化規律總結如下。

1)洞外氣溫、圍巖地溫、自然風、洞內風流、列車密度和隧道埋深等因素都影響著寒區隧道洞內的溫度場。運營期間的鐵路隧道洞內溫度場受列車運行影響較大。盧煒[19]通過實測哈大高鐵中長隧道(長2 440 m)晝夜溫度發現，白天運行密度大、夜間停運的寒區高鐵隧道冬季溫度場與普通鐵路有很大差異，列車高速運行時隧道內外溫差縮小，停運后洞內氣溫會逐漸回升，隧道內溫度呈周期性循環變化。高焱等[20]計算發現列車行車速度、行車頻率與隧道抗凍設防長度呈線性分布關系。但楊波等[21]通過實測吉琿客專拉法山特長隧道(長10 035 m)、石門長隧道(6 263 m)的洞內溫度發現，列車運行對隧道內空氣溫度影響不大。列車對隧道內溫度場的影響之所以出現顯著不同，是因為列車活塞風引入洞外冷空氣的長度及分布范圍不同。根據李炎[22]研究并經大量計算表明： ①當雙線鐵路隧道長度為2.5～20.0 km且不考慮自然風時，單列普速列車通過時活塞風引入冷空氣的長度為隧道長度的15%～30%； 上下行列車同時進出洞時，引入的冷空氣長度很小(幾乎可忽略不計)； 上下行列車間隔進出洞時，引入的冷空氣長度位于二者之間，行車密度越大，時間間隔越小，列車活塞風引入的冷空氣長度越小(主要分布在洞口一小段范圍)。考慮自然風時，自然順風方向端洞口引入冷空氣的長度較自然反風端洞口大。②對單線隧道而言，單列普速列車通過時引入冷空氣的長度為隧道長度的18%～36%，雙向行車的單線隧道引入冷空氣的分布規律同雙線隧道；單向行車的單線隧道內活塞風方向不變，將持續引入冷空氣，不考慮自然風時，通行3～6趟列車，隧道內空氣將全部換成冷空氣，因此，行車密度高的單向行車單線隧道洞身可能出現負溫。天窗時段的鐵路隧道和沒有機械通風的公路隧道內溫度場受自然風影響大，尤其是冬季持續主導風向與隧道軸線夾角越小，自然風越大，隧道越短，影響越劇烈。

2)洞門附近洞內溫度場受外界溫度影響大，洞外溫度越低且洞內外空氣交換越多，影響到的隧道縱向長度越大。

3)在分析歸納總結多座隧道溫度測試結果的基礎上，吳紫汪等[23]、陳建勛[24]、陳宏偉等[17]均認為冬季多數寒區隧道洞內縱向溫度場多呈拋物線或V形分布，其開口方向和開口大小受氣象、圍巖溫度與運營因素控制。洞內溫度多呈“冬暖夏涼”，即洞身冬季溫度一般較洞口高，夏季較洞口低；且進風端洞口低溫段長度較出風端長。

4)季節性凍土區隧道結構與圍巖溫度沿徑向逐漸升高，呈指數或線性變化，徑向凍結深度從洞口向洞身逐漸減小。多年凍土區隧道暖季的徑向溫度一般逐漸降低，離結構越遠，溫度越低。

2.1.2 理論分析研究

我國寒區隧道溫度場理論計算分析發展較快，從解析法發展到數值分析法，從一維、二維發展到三維，從單介質發展到多介質耦合分析。

20世紀末，賴遠明等[25]建立了考慮相變溫度場和滲流場耦合控制的微分方程，并應用Galerkin法導出有限元計算公式，用量綱量為1的量和攝動技術求出了寒區圓形截面隧道溫度場分布； 且一些學者對設置保溫層前后的隧道襯砌結構與圍巖溫度場進行了現場試驗和數值計算比較分析。

在巖土工程溫度場、滲流場、應力場(THM)耦合研究成為國際巖石力學熱點后，國內學者也開始積極投入到寒區隧道THM研究中，并取得了較大進展，例如巖土介質多場耦合理論、耦合數學模型、數值模擬計算等。其中，張學富等[26]建立了寒區隧道空氣與圍巖對流換熱和圍巖熱傳導耦合三維模型，并編制計算軟件對風火山隧道的空氣與圍巖對流換熱和圍巖熱傳導耦合進行了三維分析，得出了隧道內溫度場分布規律。譚賢君等[27]推導出非飽和巖土THM耦合作用下的力學平衡方程、質量守恒方程與能量守恒方程，并將該模型用于分析豎井開挖支護過程中； 同時，推導出考慮通風影響的寒區隧道圍巖溫度場模型及其控制方程，在此基礎上，研究了西藏嘎隆拉隧道通風條件下圍巖溫度場的變化規律及防寒保溫措施。

2.2 圍巖與隧道結構凍害損傷機制研究與現狀

2.2.1 圍巖凍害損傷機制研究

隧道圍巖分為土體和巖體2類，它們在凍融條件下損傷機制顯著不同。

2.2.1.1 土體凍害損傷機制

土體是由固體顆粒、水和氣體3個部分組成的散體多孔三相物質，固體顆粒構成土的骨架，水與空氣充填于土骨架間的孔隙中。當土體內水溫低于0 ℃后，土中部分水結冰，水變冰體積膨脹9%，對周圍土顆粒產生擠壓，破壞土顆粒之間的膠結，使土顆粒發生位移甚至破碎變形，孔隙形態隨之改變。更重要的是，凍融循環過程還伴隨有水分遷移，水分遷移使凍融循環對土結構性損傷破壞變得更加復雜和嚴重。不同的含水率、孔隙率和固體顆粒物性質、未凍水含量、水分遷移量及其重分布對土體凍害損傷程度也不同。

對于季節性凍土區隧道，當周邊土體疏松(冰體周邊約束不強)、地下水不發育時，水變冰膨脹產生的膨脹力主要作用于土粒結構上，作用在隧道結構上的凍脹力較小，土體強度因結冰增加了土體顆粒間的連接力而增加，圍巖自穩能力增強。當隧道周邊地下水發育、土體較完整(冰水體周邊約束較強)時，初期階段土體結構強度較高，能“抵御”水冰相變產生的部分膨脹力，作用在隧道結構上的凍脹力較小； 但隨著時間推移，越來越多水分遷移到隧道周邊土體內，隨著凍融次數增多，土體結構完整性逐漸遭到破壞，自身強度越來越低，“抵御”能力越來越弱，最終作用在隧道結構上的凍脹力會越來越大。當土體內溫度繼續降低，土中0 ℃等溫線逐漸向圍巖深部擴展，隧道周邊0 ℃以下土層越來越厚，形成隧道凍結圈層。

2.2.1.2 巖體凍害損傷機制

本質上，巖石是一種包含固體骨架、孔隙和水的多孔混合介質，所有巖體含有宏觀(節理、裂隙、結構面)、細觀(孔隙、微裂隙)和微觀(缺陷)初始損傷。

與土體凍害損傷機制相比，目前關于巖體凍害損傷機制的研究相對較少。巖石凍害損傷是一個涉及力學、物理學和化學作用并伴隨水相變化、遷移和熱量傳輸的復雜的溫度-水-力耦合過程。從微觀與細觀上來看，巖體凍害損傷就是巖體內部微觀缺陷、細觀微裂縫與孔隙在凍害作用下逐漸形成的宏觀裂縫的過程。鄧紅衛等[28]認為巖體與土的根本區別就是巖體中含有裂隙，影響巖體凍脹特性的主要因素是裂隙冰。水分在巖體裂隙中凍結成冰從而產生凍脹力，當凍脹力超過裂隙擴展閾值時會驅動巖體裂隙擴展，甚至導致整個巖體凍裂破壞；當溫度回升時，巖石裂隙冰融化，引起凍脹力降低和水分遷移。這種凍融循環往復致使巖石強度和剛度無法抵抗內部應力變化，巖體局部損傷區域會擴張連通形成更大裂縫，導致巖石開裂或剝落。其中，裂隙巖體中水分遷移機制、凍脹力值及其萌生消散機制、裂隙凍融開裂擴展機制和巖體多次凍融強度損失及穩定性評價等是巖體凍害損傷研究的關鍵問題。劉泉聲等[29]在這幾個方面進行了系統歸納分析，并對裂隙巖體凍融損傷研究中亟待解決的熱點和難點問題進行了探討。閻錫東等[30]基于斷裂力學理論建立了單條微裂隙下凍融損傷彈塑性本構模型，并通過試驗進行了驗證。譚賢君等[31]建立了考慮凍脹壓力和凍融循環對巖體劣化損傷影響的巖體THMD(溫度-滲流-應力-損傷)耦合模型，并對嘎隆拉隧道圍巖不同凍融循環次數后凍脹力的變化規律、隧道結構變形與受力特征進行了分析。同一時期，部分學者還先后研究了不同巖性巖體細觀結構凍害損傷、凍融損傷識別方法與手段及研究等。

從宏觀上看，針對隧道巖土凍脹力，目前國內存在3種假說： 1)巖石圈層整體凍脹凍融說(凍脹理論模型見圖7)。這種假說認為在隧道周邊有一巖石凍結圈，凍結圈中巖石孔隙充滿地下水，當巖石圈中水結冰后將整體膨脹，從而對隧道襯砌產生凍脹力。2)局部存水凍脹說(凍脹理論模型見圖8)。這種假說認為凍脹力主要由襯砌背后積水結冰膨脹引起，由于開挖面不平整、初期支護不平順以及防水板鋪設等原因，使得襯砌背后存在局部空腔積水，一旦這些空腔積水結冰膨脹即產生凍脹力。3)含水風化層凍脹說(凍脹理論模型見圖9)。這種假說源自日本，認為襯砌周邊圍巖均有一層厚薄不一的富水風化層(邊墻處風化層含水量更高)，冬季嚴寒時，風化層中的水結冰膨脹而產生膨脹力。

圖7 巖石圈凍脹理論模型

圖8 局部存水凍脹理論模型

其實這3種假說本質相同，與隧道周邊地下水賦存狀態息息相關。當地下水主要以裂隙水、孔隙水形態均勻賦存于隧道周邊圍巖內時，此時更符合凍融巖石圈整體凍脹說或含水風化層凍脹說；當地下水以空腔水、股狀水或層狀水賦存于隧道周邊時，此時更符合局部存水凍脹說。

圖9 含水風化層凍脹理論模型

2.2.2 隧道結構凍害損傷機制研究現狀

隧道結構混凝土中的水以4種形式存在，第1種是不可凍結的結晶水，第2種是存在于膠凝孔(孔徑15×10-10～20×10-10m)的不可凍吸附水，第3種是部分可凍的毛細孔水(孔徑≥400×10-10m)，第4種是固體顆粒間的可凍游離水。

根據混凝土含水性質的不同，國內一般將混凝土凍脹分為微觀凍脹、細觀凍脹和宏觀凍脹3類。微觀凍脹是指混凝土內部毛細孔含水結冰凍脹； 細觀凍脹是指混凝土內部顆粒間游離水及滲漏通道含水結冰凍脹； 宏觀凍脹是指隧道結構背后富水巖土和空腔水結冰膨脹凍脹。

到目前為止，混凝土凍融破壞理論主要有水離析層理論、膨脹壓理論、滲透壓理論、充水系數理論、臨界飽水值理論和孔結構理論6種。其中，公認度較高的仍是美國T.C.Powers提出的膨脹壓理論和滲透壓理論 ,即混凝土在凍融過程中遭受的破壞力主要來自于膨脹壓力和滲透壓力。

膨脹壓力理論是指溫度降至0 ℃以下時，混凝土內部的毛細孔水、游離水結冰膨脹產生膨脹壓力，擠壓周邊混凝土骨架結構并產生拉力，導致脆弱骨架結構首先遭到破壞；當冰變水體積縮小后，出現新空腔，這部分新空腔將繼續被空腔外部水補給填滿，下一次水變冰又膨脹，進一步破壞混凝土骨架結構。如此反復凍脹熱融，混凝土逐漸變得疏松酥脆并產生裂紋，隨著裂紋不斷擴大，混凝土強度不斷降低，最終導致結構變形開裂、剝落、失穩破壞。

滲透壓力理論是由混凝土內冰與未凍水間表面張力差異(有說自由能差、化學勢差或蒸氣壓差)引起凝膠孔吸附水遷移至毛細孔、毛細孔內未凍水遷移至冰體，這種水分在混凝土微觀結構中遷移和重分布引起的滲透壓力會損傷混凝土微觀結構。混凝土常年處在凍融循環中，這種損傷會不斷積累并逐步擴大，使混凝土內部孔隙及裂縫逐漸增大、擴展并互相連通，從而使混凝土產生由表向里的裂紋、剝蝕, 進而造成混凝土破壞。

根據各類凍融作用機制假說，國內學者從多角度提出了混凝土不同凍融損傷本構模型，例如： 蔡昊以動彈模量損失為主要指標建立了疲勞損傷模型； 王立久[32]引入混凝土凍融角和極限凍融循環次數，并以抗凍因子為指標建立了抗凍預測模型； 關虓等[33]提出了考慮塑性應變及損傷閾值的混凝土凍融損傷本構方程等。目前，用數值模擬與試驗結合方式研究混凝土凍融損傷和本構關系已成為研究混凝土凍融損傷破壞的基本理念。

2.3 隧道凍害傳導途徑

根據熱量交換途徑，隧道凍害的傳導途徑主要有2種： 1)由表向里垂直途徑； 2)由外向內水平途徑。

由表向里垂直途徑是指大氣低溫通過巖土由地表垂直向下傳導至隧道位置處，這種凍害途徑一般位于季節性凍土區和多年凍土季節融化區。當隧道埋深超過季節凍結線后，這種垂直途徑傳導的凍害就消失了。通過由表向里垂直途徑產生凍害的隧道長度一般較短，且多集中在淺埋段。

由外向內水平途徑主要是指洞外寒冷空氣進入洞內進行熱交換，改變洞內環境溫度所致。其凍害傳導是由外向里沿水平方向進行的，由洞口逐漸向洞身發展，在橫斷面上，由隧道空間內部向周邊結構和巖土發展。交通隧道是兩端和大氣相通的開放管狀構筑物，必然存在洞外空氣進入洞內進行熱交換的現象，因此，寒區隧道都存在由外向內水平途徑產生的凍害，且由外向內水平途徑是凍害的主要傳導途徑。以下內容重點針對水平途徑產生的凍害。

3 隧道凍害防治技術研究現狀

3.1 隧道凍害防治技術原則

由凍害產生的機制可知，產生凍害的根本原因是水冰頻繁相變所致，而導致水冰相變的溫度和水是凍害產生的根本要素，二者缺一不可。因此，凍害防治技術的主要原則就是減少地下水和控制洞內溫度，以防止水冰頻繁相變。

1)減少地下水。無法做到隧道周邊圍巖無水，但可通過工程措施減少地下水，例如： 選擇地下水不發育的地段設隧道或設泄水洞疏水、注漿堵水、加快排水等措施。

2)控制洞內溫度。控制洞內溫度是防治凍害的主要途徑。當隧道位于多年凍土區時，防凍技術原則就是保護隧道周邊圍巖環境溫度低于0 ℃，使地下水始終處于凍結狀態，即“保凍”，此時需采取措施防止洞外熱空氣進入洞內把熱量傳遞給洞內介質(空氣和隧道結構)。當隧道位于季節性凍土區時，防凍技術原則就是采取措施減少熱交換，防止洞內水結冰，一是采取保溫隔熱措施(如保溫水溝、保溫出水口、保溫防寒門、保溫隔熱層等)防止水溫降到0 ℃以下； 二是采用加熱措施(如太陽能、地熱能、電能等)把洞內外各類熱源輸送到凍害段，防止水溫降到0 ℃以下。

3.2 防凍計算分析

隧道防凍計算分析是一個十分復雜的集固、液、氣(巖土、冰水、空氣)3項介質含相變的溫度場、滲流場和應力場耦合問題。從隧道橫斷面上分析，其是巖土與隧道結構、地下冰水和洞內空氣3項介質之間的多場耦合問題；從隧道縱斷面上分析，是隧道內空氣縱向流動過程中與隧道結構、洞內流動地下水熱交換的過程，也是固、液、氣3項介質溫度耦合問題，可按如下方法和步驟進行計算分析。

1)宜根據最冷月平均氣溫、年平均氣溫、海拔等因素進行凍害分區與分級，再根據分區分級采取防凍措施。

2)完整收集與凍害有關的基礎資料，包括隧道洞口氣象條件(必要時建立氣象觀測站收集)、地溫資料、巖土力學與熱學參數、凍脹熱融指標、同地區隧道凍害防治資料、通風與行車資料等。

3)根據氣象資料、巖土熱學參數和鉆孔實測溫度等，擬合洞外溫度場變化規律，并采用耦合理論計算分析隧道山體初始溫度場。

4)根據氣象資料與運營工況計算隧道通風，包括正常行車工況、夜間天窗(鐵路)或小交通量(公路)工況時洞內風流方向與大小。通風計算需考慮自然風、活塞風、機械風等。

5)利用THM耦合理論，建立各通風工況條件下隧道內空氣、圍巖和滲流熱傳導耦合三維計算模型，計算分析各通風工況條件下隧道溫度場分布變化規律，確定洞內最低溫度和防凍范圍。

6)根據洞內溫度場計算保溫層厚度及長度，再與實測值校核。

3.3 凍害防治措施現狀

我國寒區隧道凍害防治技術發展至今，目前已有了多種防治措施，這些措施歸納起來可分為主動措施和被動措施。主動措施就是人工增加隧道結構、圍巖、洞內空氣和地下水的熱量；被動措施就是減少隧道結構、圍巖、洞內空氣和地下水的熱量損失。季節性凍土地區隧道既可選擇主動措施，也可選擇被動措施；多年凍土區隧道以被動措施為主，洞內排水系統可選擇主動措施。

3.3.1 主動防凍措施

根據加熱對象不同，主動防凍措施可分為加熱空氣、加熱地下水和加熱隧道結構3類，熱源可選太陽能、地熱能、電能和風能等。對于長大隧道應優先利用洞身地熱(熱空氣與熱水)資源，通過通風與排水將其引至隧道凍害段。

1)加熱空氣。可通過管道將暖空調、蒸汽鍋爐等加熱設備產生的熱源輸入洞內，或利用隧道通風使高溫端洞口熱空氣流向低溫端洞口，以提高凍害段空氣溫度。例如： 嘎隆拉隧道的進口為寒區，出口為溫和區，即可通過運營通風使出口端熱空氣流向進口端，以加熱進口端冷空氣，提高隧道圍巖溫度。

2)加熱地下水。可用電加熱器、蒸汽、暖氣等加熱溝(管)水，或引洞外或洞內高溫地下水至凍害段以加熱洞內溝(管)水。

3)加熱隧道結構。利用地熱泵與管網將洞外或洞身高溫地下水引至凍害段，或在保溫隔熱層和襯砌后敷設加熱電纜(見圖10)，以加熱隧道結構。

3.3.2 被動防凍措施

3.3.2.1 選凍害輕的位置設隧道

將凍土厚度、長度作為隧道位置方案比選的重要內容之一，優先選擇無凍害巖土段設隧道。無法避免時，選擇凍土薄、穿越凍土距離短的路線方案。另外，隧道全部位于多年穩定凍土區優于穿越多年不穩定凍土區和季節性凍土區。

寒區隧道洞口宜選在地下水不發育、水位低、溫度高、縱坡陡、少雪陽面坡，避免選在地下水發育、水位高、溫度低、坡面平緩、多雪陰面坡； 多年凍土區的隧道洞口應避開冰丘、冰錐、融凍泥流、熱融沉陷與滑塌等不良地質區。為防雪崩，洞口應避開厚層積雪陡坡。

(a)

(b)

3.3.2.2 采用利于防凍的隧道線形

為減少洞內外熱交換，寒區隧道軸線應與冬季主導風向大角度相交或垂直，盡量避免與冬季主導風向平行或小角度相交，避免出現“冬季穿堂風”。無法避免時，洞口段宜設平曲線加大洞口軸線與風向的夾角。

寒區長大隧道宜設成人字坡，利于洞身高地溫地下水流向兩端低溫洞口，適當加大洞口縱坡利于地下水快速排出，減少洞內地下水熱量損失。

3.3.2.3 加強凍害段隧道防排水

處于多年穩定凍土區的隧道水量較少，排水系統主要用來排隧道周邊融化圈(保凍效果不好時)滲出的少量孔隙水和裂隙水。處于季節性凍土或多年不穩定凍土的隧道要加強凍害段防水與排水措施，可采取的主要措施如下。

1)減少圍巖賦水和流經凍害段的水。根據地形地質條件和富水情況，可選用洞內徑向圍巖注漿堵水、地表注漿堵水、地表明溝截排水、地下盲溝、泄水孔或泄水洞提前引排水等措施，讓地表水和地下水遠離隧道凍害段。為減少非凍害段隧道地下水流經凍害段的水量，可在凍害段末端設集水盲井，將非凍害段溝水匯入凍害段深埋水溝或泄水洞排出。

2)加強排水。為防積水，隧道凍害段周邊和洞內的水需加速排出，可通過加密環向和橫向排水盲(溝)管、加大排水盲(溝)管斷面和排水縱坡以及縮短水流路徑(如環向盲(溝)管直接和隧底中心排水溝相接)的方式加快排水，減少水流在流動過程中的熱量損失。

3)加強防水。加強凍害段防水層的防水能力，減少或防止地下水透過防水層或混凝土縫隙進入隧道。選擇具有良好抗凍性和耐久性的防水材料，必要時可設雙層防水，二次襯砌可增設施工縫、溫度伸縮縫。施工縫、溫度伸縮縫應全斷面貫通，并應加強混凝土施工縫和溫度伸縮縫的防水措施，例如： 增設可維護注漿管、正面噴涂滲透性防水涂料等；混凝土防水等級宜不低于P10。

4)防止排水通道結冰。因排水通道結冰而導致隧道發生凍害危及行車安全的事例很多，因此，防止排水通道結冰是凍害防治的重要內容之一。為防止排水通道凍冰，季節性凍土區隧道可選淺埋保溫水溝、埋置于凍結線下的深埋水溝(凍結深度<2.5 m)或泄水洞(凍結深度≥2.5 m)排水。當深埋水溝和泄水洞不能置于凍結線以下時，對于深埋水溝和泄水洞應采取全斷面保溫防凍措施，泄水洞的配套排水設施(如豎向碎石盲(溝)管、泄水孔、泄水支洞等)也需要保溫防凍。洞外宜采用暗(保溫)溝排水，出水口選在距線路一定距離的地勢開闊、高差大且朝陽避風處，并設保溫出水口。另外，可利用敷設于襯砌表面的保溫隔熱層對襯砌背后排水盲(溝)管進行間接保溫，必要時可直接對排水盲(溝)管(如伴熱電纜采暖溝)保溫或加熱。

3.3.2.4 加強凍害段隧道結構

1)洞口工程。受積雪或風吹雪影響嚴重的凹型地形洞口可采用防雪明洞、防雪棚洞或防雪棚。當洞門墻后地層凍脹等級在Ⅱ級及以上時，宜選用不凍脹材料進行換填，不凍脹材料可選砂性土、砂礫、碎(礫)石、粉煤灰等。

2)地基基礎。為防止位于凍脹融沉地層的地基變形開裂，季節性凍土區隧道基礎應置于設計凍深0.25 m以下，多年凍土區隧道基礎置于設計凍深1 m以下，否則需對地基進行處理。

3)結構型式與材料。位于凍害段的隧道結構宜采用曲墻帶仰拱的復合型式，二次襯砌宜采用鋼筋混凝土結構； 襯砌混凝土應具備抗裂、防滲、抗凍、低溫早強等性能，強度等級不宜低于C30。

4)保溫隔熱。為達到隧道結構和圍巖中液態水不結冰或圍巖中固態冰不融化，可通過敷設保溫隔熱層來減少其與洞內環境的熱交換。保溫隔熱層敷設位置有2種： ①敷設在二次襯砌表面防止隧道結構和圍巖中液態水結冰凍脹； ②敷設在初期支護和二次襯砌之間防止圍巖中固態冰熱融，示意如圖11所示。根據洞內氣溫、隧道與圍巖地溫以及凍結深度，可在拱墻敷設或全環(含仰拱)敷設保溫隔熱層。對于發生了嚴重凍害的運營隧道，在處理好防排水的基礎上，襯砌表面可增設帶保溫層的鋼筋混凝土(波紋鋼板)套襯。保溫隔熱層厚度通過計算確定，應選輕質、疏松、多孔(最好為閉孔型)、導熱系數小、防火、防水與耐腐蝕性好的保溫隔熱材料。隧道中常用的保溫隔熱材料分為無機保溫材料和有機保溫材料。無機保溫材料主要有礦渣棉、巖棉、玻璃棉和硅酸鋁纖維板等；有機保溫材料主要有聚氨酯、聚苯乙烯、聚乙烯和酚醛泡沫板等。

(a) 在二次襯砌表面敷設

(b) 在初期支護和二次襯砌之間敷熱

5)洞口設隔風防寒保溫門。對于交通量小的隧道可在兩端洞口設自動保溫隔風門，以減少洞內外熱交換，夜間無車通行時關閉保溫門，減少洞外冷空氣進入洞內。保溫隔風門可選風幕門、卷簾門、水平推拉門，門應具備自動感應控制、手動控制和遠程控制功能。

4 防凍技術展望

雖然我國隧道防凍技術取得了較大進展，但在通風與氣候變暖對隧道防凍的影響、凍害機制與防凍計算理論、短周期凍融、防凍材料、清潔能源利用、凍害檢測與監測以及維修養護等方面仍需進一步深入研究。

4.1 隧道內溫度場規律研究

前期凍害研究多以短時間實測洞內空氣圍巖溫度變化規律為基礎進行THM耦合理論數值計算分析，未考慮或較少考慮通風影響，未建立基于全時段通風工況條件下的洞內溫度場耦合模型，模擬計算得到的溫度場局限性較大，難以確定最不利溫度場工況。對于寒區隧道，應通過解析計算、數值模擬分析和現場實測，掌握不同季節、每天不同時段和不同交通條件(單雙向行車、行車密度與速度)下洞內風流規律，再根據風流規律耦合分析出各通風工況下洞內溫度場，據此判定洞內溫度場最不利工況，進而確定防凍范圍和措施。

4.2 凍害發生機制和防凍計算理論研究

國內學者雖然對凍害發生機制進行了較深入研究，也掌握了一些凍害發生機制，但應用到實際工程時往往存在較大差異，需要進一步從微觀和細觀角度研究凍害產生的機制。例如： 不同巖性巖體凍害損傷本構模型、水冰相變過程、未凍水遷移規律、力學與化學耦合過程、凍融損傷識別方法與手段、凍融損傷定量評價、凍脹力的產生與發展及計算取值等仍需進一步深入研究。

目前國內隧道防凍措施多根據工程類比法設計，雖然對于部分隧道利用耦合理論進行了計算分析，但需進一步把更多凍害影響因素(如地熱、時間)考慮在內，使理論分析更符合現場實際。

4.3 短周期凍融研究

現階段隧道凍融設計研究多以年或季為周期進行，即1年或1季度發生1次凍融，但部分寒區隧道洞內正負溫交替轉換很快，幾天甚至1 d交換1次，如白天為正溫、夜間變為負溫。這種短周期正負溫交替同樣可能會產生凍融，例如： 伍毅敏等[34]通過長期監測山西某隧道溫度時發現二次襯砌1年內發生了1次季節性凍結和5次短周期凍融，遠大于傳統1年1次的凍融頻率。這種短周期凍融同樣會造成襯砌混凝土與圍巖結構損傷，且正負溫交替引起的短周期凍融循環累積的損傷對隧道襯砌和圍巖的破壞更大。因此，有必要對短周期正負溫交替是否會產生凍融、產生凍融的條件與特征及對隧道結構和圍巖的損傷程度進行深入研究。

4.4 氣候變暖對寒區隧道帶來的影響

隨著溫室效應增加，全球氣溫將進一步升高，溫度升高對位于季節性凍土區的隧道意味著凍害程度減輕，凍害時間縮短；對于永久性凍土區隧道意味著部分永久性凍土區逐漸退化為季節性凍土區。這種變化不僅破壞了巖土結構，降低了圍巖強度，而且對隧道防凍造成的一系列影響還需進一步研究。

4.5 隧道專用防凍材料

隧道防凍主要依靠材料，包括混凝土和保溫材料。目前隧道多利用其他行業的防凍保溫材料，急需研究出針對隧道特殊環境所需的高效、耐久、環保、經濟的防凍材料。

4.6 清潔能源利用

如何更好地利用清潔能源(如風能、太陽能、地熱能)是隧道防凍技術發展的一個重要方向，在清潔能源豐富的地區充分利用清潔能源可以減少防凍投資。

4.7 寒區隧道檢測、監測與維修養護

目前隧道凍害檢測、監測研究尚處于起步階段，部分隧道僅設了溫度檢測儀器，因此，檢測和監測結構與圍巖凍害損傷的設備、方法以及定性與定量評價需要進一步研究。另外，針對凍害損傷襯砌結構的維修養護措施也應進一步研究。

5 結論與體會

本文回顧了我國寒區山嶺交通隧道防凍技術發展歷程，總結了隧道凍害發生機制與防治研究現狀，展望了防凍技術的發展方向，得到的結論與體會如下。

1)我國隧道防凍技術從無到有、從單一防凍技術到綜合防凍技術、從高緯度寒區到高海拔寒區、從鐵路隧道到公路隧道，逐步發展形成了一套基本適用于我國寒區山嶺交通隧道的防凍理論和技術體系。

2)寒區隧道溫度場時空分布規律受洞內外溫差、洞內風流、自然風、洞內行車組織、隧道長度和斷面積等多因素控制與影響，在實測基礎上宜采用考慮通風影響的THM耦合理論進行分析研究。

3)從微觀與細觀層面分析，隧道凍害是由于隧道圍巖和混凝土內賦存的水因溫度變化在水冰之間頻繁相變，不斷產生膨脹力、滲透壓力，進而破壞了巖土和混凝土的內部結構，導致凍害發生。隧道凍害一般是沿著由表向里垂直途徑和由外向內水平途徑2種方向發展的。

4)隧道凍害防治的根本目標是控制好洞外寒冷空氣進入洞內與隧道內介質進行熱交換。有條件時應發展自然清潔熱源等防凍措施，并宜結合隧道位置選擇、線形設計、凍害段防排水、隧道結構與排水通道保溫防凍等措施綜合防治。

5)影響凍害發生的因素眾多，與洞內外氣象、地下水賦存情況、巖土和隧道結構等因素相關，是一個復雜的固液氣3介質熱量耦合問題，需進一步研究。

目前，雖然我國寒區山嶺交通隧道的防凍技術取得了一定進步，但在洞內溫度場時空分布規律、凍害機制、短周期凍害、防凍技術、防凍材料、防凍施工工藝和凍害檢測與監測等方面仍需進一步研究。