嚴寒地區隧道保溫及防排水技術研究

張 旭 東

（中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京 100024）

0 前 言

隨著路網日益完善，鐵路和公路基礎建設正向著高緯度、高海拔等氣候條件惡劣的寒區延伸。大量寒區隧道建設和運營實際情況［1-2］表明，由于低氣溫而引起的病害普遍存在于既有鐵路和公路隧道中，這些凍害對隧道結構造成了嚴重的破壞，給隧道運營埋下了重大安全隱患。通過對嚴寒地區隧道調研得知，寒區隧道中有超過八成存在不同程度的凍害，有諸多隧道襯砌發生滲漏，混凝土剝落、開裂、沉陷等問題。這些凍害隧道的運營、養護耗時費力，且成本驚人，因此當前解決隧道凍害問題迫在眉睫，十分關鍵。

1 國內嚴寒隧道凍害調查

秦青公路梯子嶺隧道［1］位于河北省秦皇島市青龍縣，全長1400m，1993年8月開工建設，1994年12月竣工交付使用。由于早期對隧道凍害認識不足，隧道并沒做專門的防排水措施，也僅在洞口100m段施作了模筑混凝土襯砌。1995年末，僅運營了1年的隧道就發生了嚴重的凍害問題，路面結冰，拱頂滴水形成冰溜、冰柱，于1996年被迫停運。1997年3月開始改建，主要是在原無襯砌段落增加襯砌混凝土（一次套襯施工），并恢復原破損的路面結構。1997年8月改建項目竣工，再次運營后，同年冬季又發生了輕微的凍害，襯砌出現了開裂、路面結冰的情況。直到2000年進行第二次改建，凍害問題才基本消除。針對凍害采取的措施為：在現有隧道襯砌表面鋪設防排水板和透水管，洞內兩側排水溝采用防凍保溫水溝，形成新的防凍排水系統；在防水板表面鋪設防凍隔溫層；重新立模澆筑混凝土（二次套襯施工）。

祁連山隧道［2］位于甘肅與青海交界的祁連山腳下，凍害主要發生在洞門端墻處。調研得知，為根除凍害，采用的主要措施有以下3項：①全隧道設置雙側保溫側溝及中心排水管，中心排水管置于凍結深度以下，側溝采用雙層保溫蓋板；②在隧道進出口500m范圍內設置夾層保溫襯砌；③在夾層保溫板背后敷設1.5mm厚EVA防水板。

國道317線鷓鴣山隧道［3］在四川省阿壩藏族羌族自治州理縣與馬爾康縣交界處，隧道保溫用4cm厚的聚酚醛泡沫材料，進出口設防長度均為500m，并且兩個隧道口分別施作中心保溫水溝將襯砌背后水排出洞外。

2 隧道凍害機制分析

通過對寒區隧道的調查得知，國內寒區隧道主要凍害類型有：襯砌漏水和掛冰；隧底冒水、積冰凍脹；襯砌開裂、酥碎、剝落；洞門墻開裂；排水系統凍結；洞口熱融滑塌等。各類凍害的成因［4］有以下幾個方面。

2.1 襯砌漏水和掛冰

隧道處于寒冷地區，加之年降水量大、地下水豐富等原因，當隧道排水系統不暢時，地下水很容易從隧道內襯砌的裂隙中滲漏，一般多發生在拱墻與仰拱交界的縱向施工縫處、環向施工縫處以及由于施工質量不過關造成的襯砌結構薄弱環節處，且隧道內滲水的水量和滲水位置均不確定。由于水結成冰后，體積將會增大，產生的凍脹力達到一定程度后，襯砌結構會出現開裂和破壞的情況，由此加劇了襯砌混凝土的破壞，逐漸積累形成一串串冰柱，侵入隧道的建筑限界，嚴重影響行車安全。

2.2 隧道底部冒水、凍脹

由于地下水一般具有一定的承壓性，在隧道洞內排水系統不暢時，水就會從隧道底部滲漏到路面上，滲出的水在洞內較低的氣溫下逐漸凍結成冰，少量的水會使正常行駛的汽車打滑，甚至剎車失靈，造成較為嚴重的交通事故。當地下水較為豐富時，源源不斷的地下水將凍結成片，進而形成一個個冰錐，此現象在我國東北地區較為常見。

2.3 襯砌開裂、凍碎、脫落

襯砌環向開裂是指垂直于隧道軸線方向的開裂，這種開裂在寒區隧道中較為常見。環向裂縫多發生在混凝土結構的施工縫處，對拱形隧道結構而言，環向裂縫對隧道襯砌結構的整體受力影響不大，但由于襯砌表面環向裂縫的存在，增加了圍巖地下水的滲流通道，加劇了隧道襯砌結構的凍害，環向施工縫周圍的混凝土將會被凍碎。這既影響隧道結構安全，也影響隧道洞內美觀。

襯砌縱向裂縫和斜向裂縫的產生通常與隧道的結構形式有關。一般來說，早年修建的直墻式隧道要比曲墻式隧道更容易產生此種類型的裂縫，且多發生在結構承受較大彎矩處，例如拱腰和墻腳部位。

2.4 洞門墻開裂

寒區隧道洞門墻開裂是洞門主要的破壞形式。由于寒區隧道氣溫較低，普通的素混凝土洞門端墻施工質量難以保證。由于混凝土的收縮裂縫，且混凝土本身抗拉強度較低，洞門端墻混凝土極易造成拉裂破壞。因此寒區隧道的洞門端墻宜采用鋼筋混凝土結構，有效增加整體的抗拉性能。

2.5 排水系統凍結

寒區隧道凍害產生的根本原因之一是隧道內排水系統的失效。目前，國內隧道防排水設計理論是“以排為主、防排結合”，但并未過多考慮洞內的低溫對排水系統的影響，當排水系統設置在凍結深度以上時，排水管溝本身就會凍結，凍結的水并不能有效排出洞外，導致形成了一個“冰坨管”。

2.6 洞口熱融滑塌

洞口熱融滑塌多發生在次年3—4月，隧道洞口處黏土邊坡白天融化，夜晚凍結，在這種周期凍融循環的作用下，隧道洞口邊仰坡出現失穩，此種現象稱為洞口熱融滑塌。

3 寒區隧道的保溫措施

保溫層法由于具有保溫效果好、施工方便、經濟性好等特點，是國內目前最主流的隧道內保溫措施。保溫層法最佳適用范圍為最冷月平均氣溫-15～0℃的地區。保溫層主要有三種鋪設方法，分別是表面噴涂法、表面鋪設法和中間鋪設法［4］。但最冷月平均氣溫更低的情況下，保溫層法的效果并不好，建議采用主動的發熱措施，例如電加熱、暖風系統、鍋爐取暖等。

表面噴涂法是指用壓縮空氣將含有保溫材料、膠結材料、速凝劑等混合物的物料直接噴涂于襯砌結構混凝土表面，形成有效的保溫隔熱層。

保溫層表面敷設法是使用緊固件將預先準備好的成品保溫板敷設于二次襯砌結構表面，從而起到防凍隔熱的作用。中間鋪設法是指使用膠黏劑將預制好的保溫板固定在初期支護表面或二次襯砌表面，黏結完成后再澆一層混凝土作為套襯（一般不配筋），達到防凍隔熱的作用。

4 寒區隧道排水措施的建議

寒冷地區隧道防排水技術措施主要有側式保溫水溝、中心深埋水溝和防寒泄水洞，其主要思路是通過排除襯砌背后圍巖中的地下水，從而達到減輕或消除凍害的目的。保證寒區隧道遠離凍害的關鍵因素是設置完善、具有保溫性能的防排水系統，從而保證排水系統在冰凍期不凍結。

最冷月平均氣溫在-10～0℃的寒冷地區，水溝可考慮不設保溫措施，調查資料顯示水溝也無凍結現象。但為防止襯砌結構凍害，工程可采用襯砌內敷設保溫材料保護襯砌。最冷月平均氣溫在-15～-10℃、冬季有水且水量不是很大的隧道，可采用側式保溫水溝，水溝上敷設雙層蓋板，雙層保溫蓋板邊溝如圖1所示。最冷月平均氣溫在-15～-10℃、冬季有水且水量較大的隧道，最大凍結深度小于1.0m，一般采用中心深埋水溝，水溝埋置深度應在凍結線以下，將中心水溝放在仰拱填充中，若最大凍結深度在1～2.5m之間，應考慮將中心深埋水溝放在仰拱結構層之下，施工時先施工中心深埋水溝，再施工仰拱結構及回填，且為方便檢修，水溝深度一般不宜小于1.0m。隧道中心深埋水溝如圖2所示。嚴寒地區最冷月平均氣溫低于-25℃、冬季有水的隧道，黏性土凍結深度大于2.5m，應設置防寒泄水洞（見圖3）。

圖1 雙層保溫蓋板側式邊溝

圖2 隧道防寒泄水洞排水系統

圖3 隧道中心深埋水溝排水系統

5 結 論

由于巖體本身具有一定地溫，如果襯砌表面溫度大于或等于0℃，那么襯砌背后一定不會發生凍結。對于嚴寒地區公路隧道［5］，0℃可作為判斷是否會發生凍害的臨界溫度。保溫層法最佳適用范圍為最冷月平均氣溫-15～0℃的地區。最冷月份平均氣溫-10～0℃有地下水地區的隧道應設置襯砌保溫措施，水溝可不用考慮防凍。在最冷月平均氣溫-15～-10℃、最大凍結深度1.0～1.5m的地區，路側邊溝埋置深度有限，容易凍結，隧道內需設中心排水管溝。在最冷月平均氣溫-25～-15℃、最大凍結深度1.5～2.5m的地區，中心排水管溝已不能滿足排水和防凍要求時，需設防寒泄水洞。防寒泄水洞應置于隧道路面以下3～5m，且拱部和邊墻應設泄水通道。針對不同的氣象條件和凍土深度選擇合適的防排水措施，并提出“保溫是前提、防水是基礎、排水是核心”的凍害隧道防排水技術原則。