探本溯源助力季冻区隧道养护

隧道的安全运行是交通“生命线”畅通的重要保障，隧道在季冻区易受温度和湿度的极端变化带来的溶冻循环，产生疲劳破坏，从而对隧道的安全运行产生影响。本文从膨胀理论和渗透理论分析了隧道在冻害过程中产生的应力，研究了气温和水在季冻区对隧道的冻害程度的影响，从而对今后季冻区隧道冻害的防止提供基础经验。

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是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。

板石岭隧道处于白山市龙岗山脉的石碑岭，该地区主要分布在太古代的鞍山组杨家店组，元古代老林组，青白口系的钓鱼台组和南分组，以及新生代的第四纪。主要岩性是由页岩、石英砂岩、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。

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℃。该地区夏季较短，冬季寒冷季节较长，空气潮湿，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，其他季节的水量较小。 

地下水的类型主要是第四纪孔隙水和基岩裂隙水。第四纪孔隙水主要存在于堆积层中。含水层的岩性为砂砾石和沙卵石。浅埋区水量相对丰富，但季节变化很大。地下水的补给来源主要是大气降水和地表水。基岩裂隙水主要存在于强风化层和弱风化层中，具有发育的裂隙和相对较低的地形。微风化层的水渗透性较弱，地下水相对较差。该地区的地表水和地下水无色、无味、无腐蚀性，适合用于饮用水和工程用水。

冻害问题由来已久，已有很多学者进行研究，获得了大量成果，主要有以下三种冻胀模型。

上世纪80年代，对东北等地区大量现有冻害隧道进行调查统计分析后，冻害隧道衬砌周边的围岩都有一层风化层。气候寒冷时,里面多夹杂冰晶；然而在拱顶处，尽管风化层远比其他部位厚，却基本没有发现冰晶。就衬砌变形来说，衬砌的边墙受到较大的冻胀水平作用力，产生了向内变形，在拱顶处基本没有产生冻胀，其变形很小。故认为衬砌冻胀产生的原因是由于风化层中水的冻结。边墙处风化层含水量大，拱顶处含水量少，故边墙处冻胀变形大，而拱顶处几乎没有冻胀。含水风化层冻胀模型见图1。

图1 含水风化层冻胀模型

该模型由胡元芳等专家结合青藏线隧道提出。该模型认为，由于施工时开挖面不平整，混凝土的喷射不平顺以及其他原因，导致衬砌背后留有空洞，被水充满后冻结就会产生冻胀力。积水冻胀模型示意图如图2所示。

图2 积水冻胀模型

研究大坂山隧道的冻胀力时，有专家提出冻融岩石圈整体冻胀模型。该模型认为假设冻结圈的围岩孔隙均匀且已吸水饱和，当气温降低使围岩中的水发生冻结时，整体将发生膨胀，对衬砌产生整体冻胀模型示意图如图3所示。

图3 冻融岩石圈整体冻胀模型

在季节性冻土地区，通常情况下，土体在0～7℃时，容易由未冻的状态转化为冻结状态。当土中液态水的温度达到冰点以下时，此时土中的水就会固结成冰，逐渐变成冻土。冻土由冰、水、气体和土体颗粒四部分所组成。未冻土体转化成冻土时引起冻害，主要是有三个原因：形成冻土时土体体积膨胀、冻土的力学性质较未冻土体发生改变、冻胀力对衬砌有破坏作用。

冻土的形成过程中，外界温度降至冰点以下，土颗粒中水分发生相态变化，土的状态将由固态转化为液态，体积增大9％。该过程中，由于水和土壤的密度不同，液态的水将逐渐流入到土的孔隙之中。当水发生冻胀时，体积增大，从而对土壤产生膨胀作用，使土颗粒产生位移。当膨胀作用足够大时，土颗粒位移较大，土体就会产生膨胀。

土体冻胀特性主要受土壤颗粒的大小、矿物成分、土体含水量、冻结条件、外部荷载和冻结速率等因素的影响。由于粗颗粒土相对容易排出水分，因此不易引起冻胀。当土颗粒减小，土体颗粒相对分散，土越容易产生膨胀。当土体颗粒的粒径小于黏土粒径时，水分迁移量减小，土体不易产生膨胀。亲水性矿物成分含量和初始含水量越大，土冻胀性越大；含冰量大、温度低的土体具有较大的冻胀性；增加土体外部的荷载，土体的冻胀性会减小；当冻结速度快时，土中水分尚未迁移，只有原孔隙中的水能够冻结成冰，故冻结速度越快，土体冻胀性就会越小。

由于冻土中含有冰，导致未冻土体和冻土的强度和变形有所不同，冻土的力学特性在一定程度上类似于冰的力学特性，即强度随着温度降低而增强，随冰晶构造的变化而变化，随着应变速率的增加而增加，由塑性破坏向脆性破坏转变。这些特征使冻土与未冻土体显示出较大的力学性能差异，具体为冻土的剪切和抗压强度均高于未冻土体，尤其是松散土体发生冻结时这种差异性更为明显。

冻土和冰都是塑性体，当负温温度较高接近0℃时，冻土的变形为塑性变形；当负温温度远低于0℃时，冻土的变形为弹性变形。冻土的变形通常分为3个部分：直线变形部分、非直线变形部分和流动变形部分。在直线变形部分时，冻土既有弹性变形也有塑性变形。在非直线变形部分，冻土的变形只有塑性变形。在流动变形部分，不论是否增加压力，冻土都会继续变形，处于流动的状态。

隧道衬砌后产生冻胀的原因，一般为两种。一种是隧道穿过未发生冻结的土体，在施工后，重新形成冻结圈。另一种是隧道穿过已发生冻结的土体，在施工部分周围发生融化，等到施工结束后再重新冻结。如果围岩含有水分，则冻结时体积会膨胀，当土体膨胀而被衬砌和围岩约束时，会产生冻胀力。据资料显示，地下水侵入围岩裂隙内，冻结时可能的冻胀力为15MPa；如果采用封闭的容器，尽管体积没有发生膨胀，测得冰的冻胀力为211MPa。衬砌和围岩对冻胀力有约束作用，当衬砌和围岩发生变形，对冻胀力有释放作用。故衬砌的冻胀力大小和约束条件有关。冻胀力的存在是隧道冻害的根本原因。

影响隧道冻害的因素有很多，通过理论试验的研究和实际工程的经验发现，引起隧道冻害主要有以下三个因素。

（1）地下水的影响。由于某些地段含有丰富的地下水资源，导致在温度降到0℃以下时，地下水会冻结成冰，使水体积膨胀，引起冻害发生。地下水含量越大，冻结速度越快，引起的冻害就越严重。

（2）温度的影响。如果外界温度长时间处于0℃以下，隧道地区的地下水很容易冻结成冰，引起冻害发生，所以外界温度过低会对隧道产生不利影响。而如果围岩温度较高，则可以给隧道所含的水和土颗粒产生保温和加热的作用，阻碍地下水受冻膨胀，对隧道产生有利影响。

（3）围岩性质。隧道的围岩性质也是造成冻害的原因之一。在寒冷地区的隧道，由于围岩受冻膨胀，最终产生冻胀力，导致隧道因冻结而发生破坏。因此，抗压强度低、结构松散的围岩会造成隧道冻害。

隧道冻害的机理，主要有3个原因：形成冻土时土体体积膨胀；冻土的力学性质较未冻土体发生改变；冻胀力对衬砌有破坏作用。

影响隧道冻害的3个因素：温度、水和围岩性质。3个因素必须同时存在，缺一不可，要使温度保持长时间的0℃以下，围岩富含地下水，岩体松散、抗压强度小，才会有冻害发生。