李伟 张东淼吉林省公路管理局摘 要：本文以依托工程板石岭隧道出现的隧道冻害现象为例，从细观角度，对季冻区运营公路隧道冻害的的形成及发展过程进行了分析，认为:在冻融循环作用下，衬砌混凝土内部渗水通道存在“充水-扩张-充水”的逐渐发展扩大的过程，直至裂缝贯通，形成冻害。

    通过分析，提出季冻区隧道建设及养护工业沙盘的相关建议关键词：季冻区;公路隧道;冻融循环;冻害机理;据统计，季节性冻土约占我国国土面积的49%，随着我国公路网络的逐渐完善，越来越多的季冻区公路隧道投入运营，而季冻区运营公路隧道面临的最主要的病害是冻融循环作用造成的冻害问题。

    对于隧道冻害机理的研究，早期学者普遍认为隧道冻害的形成与围岩对隧道结构工业沙盘的冻胀力有关，因此早期关于冻害机理的研究主要以研究冻胀力为主，关于冻胀机理的研究，形成了三种理论分别是冻融岩石圈整体冻胀理论、局部积水冻胀理论以及含水风化层理论。

    以上三种理论均是基于力学角度，宏观上对隧道冻胀破坏进行表述事实上，衬砌作为弹性材料或弹塑性材料，围岩冻结对衬砌冻胀作用是有限的，衬砌产生的工业沙盘冻害更多是衬砌混凝土内部结构遭到破坏吕康成等将衬砌冻胀破坏机理分为微观冻胀、细观冻胀和宏观冻胀。

    罗彦斌从围岩冻胀、混凝土冻胀及地下水影响等三个方面分别分析了隧道冻害发生的机理以上基于冻害机理的研究，均是从静态角度，分析了形成冻害的条件等，而冻融循环是一个动态的作用过程本文从动态角度出发，分析冻融循环工业沙盘作用过程中，隧道冻害的形成及发展过程。

    1 区域工程地质概况1.1 板石岭隧道工程概况板石岭隧道全长1262m，位于吉林省白山市石镇境内S207省道辉三线(原长白线)板石岭隧道1999年运营通车，为单洞双向的普通运营公路隧道板石岭隧道衬砌形式为:以锚喷混凝土作为初期支护，内层用模筑混凝土作为二次衬砌的工业沙盘复合式衬砌结构，两层衬砌之间设置防水层，建设时未设置保温层。

    板石岭隧道由于运营时间较长，且未设置保温隔热层，隧道内多处出现衬砌剥落、开裂、渗漏水、衬砌挂冰、路面结冰等冻害，严重影响了隧道洞内的行车安全以及隧道结构安全1.2 区域地质条件板石岭隧道处于白山市龙岗山脉的石碑岭，围岩主要岩性包括页岩，石英工业沙盘砂岩，白云石大理石，角砾岩白云石大理石，白云石斜长片麻岩，角闪长片麻岩，斜长片麻岩，角闪长片岩和磁铁石英岩组成。

    1.3 区域气候及水文条件板石岭隧道所在的区域位于中温带湿润的大陆性季风气候区年平均气温为4.2℃图1显示了区域每月平均温度和每月平均高温和低温该地区夏季较短，冬季寒冷季节较长，空气潮湿，工业沙盘年平均相对湿度约为75%，降雨充沛，年平均降雨量约为813.6mm。

    该地区较大的河流为浑河，其他主要河谷也常年流水，水量明显受季节影响，雨季的水量较多，其他季节的水量较大地下水的类型主要是第四纪孔隙水和基岩裂隙水含水层的岩性为沙，砾石和沙卵石浅埋区水量相对丰富，但季节变化很大。

    2 隧道主要冻害类型及工业沙盘特征板石岭隧道自1999年建成通车以来，由于缺乏相应的保温隔热措施，且运营时间较长，产生了较多的冻害，这些冻害极大程度影响了隧道内的交通安全及隧道结构安全通过对板石岭隧道衬砌的检测及对其他季冻区隧道的调研，发现板石岭隧道衬砌存在不同程度的缺陷，具体如下:。

    图1 区域月气温状况 下载原图(1)在测线位工业沙盘置附近共发现二次衬砌后脱空段落13处，连续脱空段落最大长度为166m,(2)测线位置附近二次衬砌后脱空总计696.6m其中左拱腰部位衬砌缺陷总长144m，占检测长度11.41%;拱顶部位衬砌缺陷总长356.8m，占检测长度28.27%;右拱腰部位衬砌缺陷总长195.8m，占检测长度15.52%。

    另外工业沙盘通过检测发现，板石岭隧道冻害的主要表现类型有:由于冻害引起的隧道衬砌有大面积的剥落和开裂;隧道衬砌存水空间冻结，融期出现融化漏水隧道拱渗漏并结冰，侧壁结冰形成壁冰，底部结冰并积冰2.1 衬砌挂冰，边墙壁冰。

    衬砌挂冰和边墙壁冰是季冻区运营隧道最典型的一类冻害，衬砌挂冰一般出现在隧道的顶部及拱腰处，衬砌工业沙盘出现挂冰及壁冰意味着衬砌存在裂缝，及衬砌背后存在一定程度的积水在融期，衬砌背后积水沿着衬砌上的裂缝通道，渗出到衬砌表面，形成渗漏水，水量较大时，渗漏水受重力作用，竖直流落到路面，而水量较小或渗水通道较小时，渗漏水会沿着衬砌表面，环向流到边墙;而在冻期，衬砌表面的渗漏水逐渐冻结成冰，边墙的渗漏水冻结成工业沙盘冰形成壁冰，而拱顶及拱腰的渗漏水冻结，衬砌内部仍渗流到冻结处逐渐冻结，随着低温的持续，衬砌内部的渗水通道冻结堵塞，衬砌表面的渗漏水形成冰柱，挂在拱顶或拱腰形成衬砌挂冰。

    衬砌挂冰不仅由于冻胀作用对隧道的衬砌结构产生影响，在热融期，挂冰融化可能会使冰柱受重力作用砸落到路面，对隧道内行驶的车辆及车内人员产工业沙盘生严重的安全隐患2.2 路面积水结冰道路结冰也是季冻区运营隧道的典型冻害之一。

    根据产生原因，一般可将路面结冰分为两种:分别是隧道底部冻胀导致排水通道堵塞而水渗出到路面形成的路面结冰，以及隧道衬砌表面渗漏水流向路面而形成的路面积水结冰当然，还存在其他原因造成的路面结冰，如风吹雪及降雨导致的路面结冰，这工业沙盘种一般出现在隧道的洞口段。

    路面结冰不光由于冻胀作用对路面结构造成一定程度的破坏，路面结冰导热的路面摩擦力降低可能会造成行驶的车辆打滑，极大影响了隧道内的行车安全3 季冻区运营隧道冻害的形成机理及特殊性由于对季冻区运营隧道冻害的认识不足且不够重视，公路养护人员对于季冻区运营隧道冻害采取的处治措施往往只工业沙盘停留在对表观冻害的处治上，如对于衬砌挂冰、边墙壁冰等冻害的处治上，一般采取“挂冰敲冰”的处治措施，然后对裂缝进行处理。

    然而由于季冻区冻融循环的特点，这样的处治措施并不能有效处治隧道的冻害，因为季冻区运营隧道的冻害一般是从隧道内部产生并逐渐发展到隧道表面的若想要真正有效处治季冻区运营隧道冻害，首先要对工业沙盘冻害形成及发展过程有一个清晰的认识。

    本文针对一些典型的季冻区运营公路隧道的冻害，从动态角度，对其形成及发展过程进行分析，并从其形成机理中分析与普通病害及非季冻区隧道冻害相比的特殊性3.1 衬砌挂冰产生冻害的两大因素别分是“一定量的水”和“低温”，形成衬砌挂冰的必要条件应该有:(1)冻融循环;(2)衬工业沙盘砌背后存在一定量的积水;(3)衬砌内部存在裂隙或渗水通道。

    研究表明，在新建隧道衬砌混凝土的内部，也存在着许多孔隙，孔隙率的大小与混凝土的配合比、水灰比、混凝土的搅拌工艺及养护温度和时间等因素有关，受施工工艺及养护条件等的限制，新建隧道衬砌混凝土内部存在微小裂缝。

    在热融期，衬砌背后的积水通过衬砌内部的工业沙盘渗水通道流入衬砌混凝土内部，如图2(a)所示在非寒区隧道中，该过程为衬砌渗漏水的必要条件，即最终可能发展为衬砌渗漏水等病害此为衬砌挂冰的初次充水过程当季冻区运营隧道进入冻结期后，渗流进入衬砌混凝土内部的裂隙水逐渐发生冻结。

    0℃的水的密度为1g/cm3,0℃的冰的体积为0.9 g/cm3，同等质量的水工业沙盘冻结成冰，体积扩大约9%则衬砌内部渗水通道内部的水冻结成冰时，体积膨胀，体积较大的冰对渗水通道的四周产生了冻胀力，当冻胀力较大时，衬砌内部细观结构遭到破坏，导致渗水通道进一步扩张，混凝土内部裂隙劈裂，如图2(b)所示。

    此过程为衬砌裂隙受冻胀作用的初次扩张过程

    图2 隧道拱顶衬砌挂冰形成机理 下载原图当工业沙盘季冻区运营隧道由冻结期转入热融期时，裂隙中的冰热融为水，体积减小，而受冻胀作用而扩张的裂隙体积不会减小，此时，衬砌背后积水会继续渗入衬砌裂隙中，直至裂隙中充满水，充水量的大小与初次冻胀导致衬砌内部裂隙扩张的体积大小有关。

    此过程为衬砌挂冰的二次充水过程当隧道再次由热融期进入冻结期后，裂隙中的水会再次冻工业沙盘结成冰体积变大，导致衬砌内部的裂隙受冻胀作用而再次扩张当衬砌背后的积水量充足时，衬砌混凝土内部的渗水通道或者裂隙会随着冻-融的反复交替而出现“扩张-充水-扩张……”的过程，直至裂隙在衬砌结构上贯通，裂隙中的水流至衬砌表面，在冻结期形成挂冰，如图2(c)所示。

    但季冻区隧道与多年冻土地区隧道的区别在于，工业沙盘季冻区会受季节影响而出现水热融与冻结的反复更替在多年冻土地区的隧道中，衬砌受冻胀作用导致裂隙扩张后，由于裂隙内的冰体积不再变化，裂隙基本不再继续扩张，维持稳定，因此，在多年冻土地区的隧道中，若衬砌结构可以抵挡住这一过程的冻胀作用，衬砌混凝土内部裂隙不会继续扩张，则冻胀不会继续影响隧道结构的稳定性。

    由工业沙盘衬砌挂冰的形成机理可以看出，若衬砌挂冰的处治措施为“挂冰敲冰”或者敲冰后修补裂缝，而没有对衬砌内部及衬砌背后积水进行处理，则衬砌内部裂隙的渗水通道仍然会随着冻融的反复交替而进行着“扩张-充水-扩张……”的过程，衬砌结构会继续遭到破坏，意味着该处治措施并没有真正意义上对衬砌挂冰这一类冻害进行处治。

    3.工业沙盘2 路面积水、结冰图3为公路隧道防排水设计横断面示意图其中，环向排水管作用是收集衬砌背后的裂隙水，将其引流到纵向排水管中纵向排水管的作用是收集来自环向排水管中的水以及路面的积水，再将其引流到横向导水管中。

    横向导水管连接纵向排水管和隧道的中心排水沟，水流入中心排水沟后，沿着中心排水沟流出隧道

    图3 公路工业沙盘隧道防排水设计横断面 下载原图衬砌背后的裂隙水等首先流入环向排水管，环向排水管一般为弹簧半圆管，以便于水的收集环向排水管中的水受重力作用流向底部的纵向排水管，纵向排水管中的水再通过路面下方的横向导管流入隧道中心排水沟中，然后通过隧道出水口流出隧道。

    以上为正常工作状态下的隧道排水工作流程若隧道中水量较工业沙盘大，季冻区的隧道由热融期进入冻结期后，当隧道底部的纵向排水管、横向导水管、中心排水沟中任一处发生冻结形成冰塞时，都可能导致隧道排水系统堵塞如图4所示

    图4 隧道底部排水系统冰塞示意图 下载原图当隧道底部的排水系统出现冰塞导致排水系统堵塞后，排水系统内未冻结的水无法正常流入中心排水沟而形成水压，当水压较工业沙盘大时，水沿着排水系统的裂隙渗出，通过隧道底部的渗水通道逐步渗出到隧道的路面上形成路面积水，在冻结期，低温导致路面积水冻结成冰形成路面结冰。

    以上为隧道路面结冰这一冻害的形成机理，与隧道衬砌挂冰的形成机理类似，路面结冰只是这一冻害的表观形式排水系统内的水渗出到路面的过程中，渗水通道会随着冻融的反复交替过工业沙盘程而进行“扩张-充水-扩张”的循环过程，路面结构的渗水通道逐步进行扩张。

    隧道仰拱和路基路面结构的稳定性遭到破坏，且当隧道底部排水系统内的水冻结成冰形成冰塞时，冰的冻胀作用和未冻结的水的水压可能导致排水管的冻胀破裂等，这些都是难以观察到的季冻区冻害造成的隧道结构和排水系统的破坏，一般对隧道冻害的处治措工业沙盘施，仅仅是对隧道冻害的表观形式进行处治，很少对这些难以检测到的冻害进行有效治理。

    4 结语(1)通过对依托工程———板石岭隧道所在区域的地质条件、气候及水文条件分析，证明该隧道存在形成冻害的两大必要条件:(1)低温;(2)足量的水然后通过分析该隧道的检测结果及调研观察资料，发现板石岭隧道自1999年运工业沙盘营通车至今，隧道内存在多处冻害，如衬砌挂冰、边墙壁冰、路面积水结冰、衬砌剥落掉块等冻害现象;。

    (2)通过总结不同的冻害类型，分析了各类冻害的特征从细观角度，详细分析了季冻区运营隧道中衬砌挂冰、边墙壁冰及路面积水结冰等典型冻害的形成机理，并从各类典型冻害的形成机理中，对比分析冻融环境下形成的季冻区隧道工业沙盘的冻害与普通病害及非季冻区隧道冻害的主要区别，发现现有关于季冻区隧道的养护工作者并没有正确认识到季冻区隧道冻害的发生机理，即现有对季冻区隧道冻害的处治措施只在表观层面对冻害进行了治理，而没能有效处治冻害，“治标不治本”。

    参考文献[1] 吴紫汪，赖远明，藏恩穆，等著．寒区隧道工程．北京:海洋出版社，2工业沙盘003.[2] 胡元芳，王建宇．青藏铁路昆仑山隧道冻胀压力计算．现代隧道技术，2002,39(2):28-32.[3] 北川修三，川上辉．寒冷地区的隧道变形与围岩冻胀性．隧道译丛，1987(3):14-34.

    [4] 吕康成，崔凌秋．季冻区隧道渗漏与冻害防治研究．公路，2005(6):194-198.工业沙盘[5] 罗彦斌．隧道冻害发生机理及其防治措施的研究．西安:长安大学，2007.

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