崔光耀 田宇航 王雪來(lái) 侯占鰲

(1. 北方工業(yè)大學(xué)， 北京 100144；2.中鐵隧道集團(tuán)一處有限公司， 重慶 401121)

季節(jié)凍土是地表層冬季凍結(jié)、夏季全部融化的土。中國(guó)是凍土面積大國(guó)，受地理位置影響，我國(guó)凍土面積居世界第三，其中季節(jié)性?xún)鐾林饕植荚跂|北、西北、華北以及西南高海拔山區(qū)，面積占國(guó)土總面積的53.5%[1-2]。凍土區(qū)的廣泛分布，導(dǎo)致我國(guó)交通隧道的選線不可避免地穿越在季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)[3]。早期修建的隧道工程，受隧道設(shè)計(jì)理念、施工缺陷、施工技術(shù)條件等的限制，加之當(dāng)時(shí)工程技術(shù)人員對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)復(fù)雜的凍害情況了解甚少，隧道工程未選用合適的保溫防凍措施，導(dǎo)致早期修建于季凍區(qū)的隧道在運(yùn)營(yíng)一段時(shí)間后，出現(xiàn)了不同類(lèi)型和不同受損程度的凍害現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅了隧道的正常使用及安全運(yùn)營(yíng)[4]。

大量的研究調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由于地下水的存在，季凍區(qū)隧道若不采取良好的排水系統(tǒng)及防滲漏措施，普遍會(huì)發(fā)生滲漏水現(xiàn)象[5]。進(jìn)入冬季后，隨著溫度的持續(xù)降低，滲漏水發(fā)生相變，在襯砌拱頂及邊墻位置凍結(jié)形成冰柱。隨著地下水的持續(xù)補(bǔ)給，冰柱的尺寸會(huì)逐漸變大，若不及時(shí)進(jìn)行清理，冰柱侵限會(huì)嚴(yán)重影響列車(chē)的正常通行[6]。若襯砌周?chē)鷩鷰r較破碎，當(dāng)滲漏水充滿(mǎn)破碎圍巖時(shí)，圍巖本身會(huì)在相變過(guò)程中產(chǎn)生巨大的凍脹力，嚴(yán)重影響隧道的正常運(yùn)營(yíng)。同時(shí)，若因施工塌方或超挖回填不密實(shí)等在襯砌和圍巖之間形成存水空間，滲漏水充滿(mǎn)存水空間后發(fā)生相變，也會(huì)對(duì)襯砌產(chǎn)生巨大的凍脹力，且因凍融循環(huán)會(huì)導(dǎo)致襯砌疲勞破壞，從而大大削減襯砌的承載能力，造成襯砌凍裂、混凝土的剝落，同時(shí)伴隨著襯砌掉塊等。此外，洞門(mén)墻中部也會(huì)出現(xiàn)從冒石頂部向下發(fā)展的裂縫，春融季節(jié)隧道洞口位置也會(huì)出現(xiàn)熱融滑塌等凍害[7]。

凍害問(wèn)題對(duì)季凍區(qū)隧道的運(yùn)營(yíng)管理、維修和整治提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。凍害調(diào)查發(fā)現(xiàn)，引起季凍區(qū)隧道凍害的因素十分復(fù)雜，若溫度未降至冰點(diǎn)或不存在地下水，則所有凍害將不會(huì)發(fā)生。同時(shí)，若圍巖本身足夠完整、不具備凍結(jié)性，且無(wú)施工缺陷，則凍脹力將不會(huì)產(chǎn)生[8]。因此，本文主要對(duì)季凍區(qū)隧道凍脹力的計(jì)算方法和防凍技術(shù)進(jìn)行分析和闡述，對(duì)保障季凍區(qū)隧道施工及運(yùn)營(yíng)時(shí)襯砌結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性具有重要的意義。

1 凍脹力計(jì)算方法研究

季凍區(qū)隧道產(chǎn)生凍害的根本原因是凍脹力，因此，研究?jī)雒浟κ墙鉀Q季凍區(qū)隧道凍害處治問(wèn)題的關(guān)鍵所在。準(zhǔn)確計(jì)算凍脹力的大小可為季凍區(qū)隧道襯砌的承載性能研究及抗凍針對(duì)性設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。目前，凍脹力計(jì)算方法研究，主要可總結(jié)為含水風(fēng)化層凍脹模型、局部存水凍脹模型和整體凍脹模型3種模型。

1.1 含水風(fēng)化層凍脹模型

含水風(fēng)化層凍脹模型如圖1所示。

圖1 含水風(fēng)化層凍脹模型簡(jiǎn)圖

該模型最早由日本的北川修三等人提出[9-10]。他們認(rèn)為，出現(xiàn)凍害現(xiàn)象的隧道襯砌周邊圍巖均存在風(fēng)化層，厚度10～20 cm左右，風(fēng)化層一旦結(jié)冰、膨脹就會(huì)產(chǎn)生凍脹力。由于風(fēng)化層主要分布在拱肩至邊墻位置，拱肩及邊墻位置會(huì)發(fā)生向內(nèi)收斂變形，拱頂位置卻幾乎無(wú)影響。以此為依據(jù)，將含水風(fēng)化層產(chǎn)生的凍脹力簡(jiǎn)化為水平側(cè)壓力。但北川修三等人僅闡明了凍脹力的來(lái)源，并未推導(dǎo)出明確的計(jì)算公式。張祉道等[11]基于此提出襯砌背后含水風(fēng)化層凍脹時(shí)的凍脹力計(jì)算公式，并分別對(duì)洞口和洞內(nèi)位置的抗凍設(shè)計(jì)給出了凍脹力設(shè)計(jì)值。但并未提出公式的適用范圍。事實(shí)上，風(fēng)化層凍脹并非圍巖產(chǎn)生凍脹的主要原因，若風(fēng)化層的外側(cè)圍巖較為破碎，含水量高，本身具有凍結(jié)性，則會(huì)對(duì)襯砌產(chǎn)生更大的凍脹力；若風(fēng)化層的外側(cè)圍巖比較完整，含水少，則風(fēng)化層外側(cè)的圍巖凍脹力小于近襯砌側(cè)的風(fēng)化層凍脹力。

1.2 整體凍脹模型

圍巖等級(jí)為IV級(jí)及以下較破碎的巖體在長(zhǎng)時(shí)間的低溫條件下，圍巖在一定的深度范圍內(nèi)會(huì)形成以圈層形式存在的破碎圍巖，破碎圍巖整體發(fā)生結(jié)冰，進(jìn)而發(fā)生整體凍脹。整體凍脹模型如圖2所示。

圖2 整體凍脹模型簡(jiǎn)圖

該模型最早由賴(lài)遠(yuǎn)明院士提出[12]。他認(rèn)為， 隧道襯砌周?chē)匀有问酱嬖诘钠扑閲鷰r因孔隙充水后結(jié)冰，在相變過(guò)程中會(huì)發(fā)生體積膨脹，對(duì)襯砌產(chǎn)生整體凍脹力。據(jù)此，他利用彈性粘彈性相應(yīng)原理，求得了季凍區(qū)隧道的凍脹力和襯砌應(yīng)力。張德華等[13]探討了圍巖凍脹對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的影響，并通過(guò)理論分析推導(dǎo)出隧道圍巖凍脹力的彈性解；張玉偉等[14]結(jié)合含水風(fēng)化層凍脹模型的優(yōu)點(diǎn)，總結(jié)出凍融巖石破碎圈整體凍脹模型，該理論包含了更全面的圍巖凍脹力來(lái)源，具有很高的工程參考價(jià)值；FENG Qiang[15]等將整個(gè)隧道圍巖劃分為非凍結(jié)彈性區(qū)、凍結(jié)彈性區(qū)、凍結(jié)塑性區(qū)和支護(hù)區(qū)四個(gè)區(qū)域，建立了季凍區(qū)隧道圍巖彈塑性計(jì)算新模型；LIU Hongyan[16]等認(rèn)為以往的整體凍脹模型未考慮到多次凍融循環(huán)造成的圍巖力學(xué)性質(zhì)變化，僅適用于求解圍巖的初始凍脹力，并以此為基礎(chǔ)對(duì)整體凍脹模型進(jìn)行優(yōu)化；LIU Weiwei[17]等考慮非均勻凍脹、支護(hù)強(qiáng)度和支護(hù)時(shí)間的綜合效應(yīng)，推導(dǎo)出季凍區(qū)隧道凍脹力的彈塑性解。

目前針對(duì)整體凍脹模型的研究，主要從純力學(xué)角度進(jìn)行分析，為簡(jiǎn)化計(jì)算，隧道多假設(shè)為圓形斷面，與實(shí)際工程差距較大，計(jì)算量值存在誤差。

1.3 局部?jī)雒浤Ｐ?/h3>

在隧道圍巖比較完整的情況下，若開(kāi)挖過(guò)程中因施工塌方或超挖回填不密實(shí)造成施工缺陷，則襯砌背后出現(xiàn)局部存水空間。一旦有水進(jìn)入存水空間內(nèi)且在低溫條件下相變之后體積膨脹，便會(huì)產(chǎn)生凍脹力。局部存水凍脹模型如圖3所示。

圖3 局部存水凍脹模型簡(jiǎn)圖

針對(duì)局部存水凍脹機(jī)理的研究，王建宇等[18]最早提出了局部存水凍脹模型，他們將存水空間的橫斷面形狀簡(jiǎn)化為三角形，推導(dǎo)出局部存水凍脹力的計(jì)算公式。該模型較好地解釋了施工缺陷造成的局部存水凍脹現(xiàn)象，為后續(xù)局部存水凍脹的研究提供了理論基礎(chǔ)；范磊等[19]考慮到水在低溫條件下發(fā)生相變后的冰體也為彈性體，以文獻(xiàn)[18]為基礎(chǔ)，改進(jìn)了凍脹力的計(jì)算公式，并提出“等效當(dāng)量彈性系數(shù)法”，使凍脹力量值的計(jì)算過(guò)程更為清晰簡(jiǎn)便；宋天宇[20]認(rèn)為前人推導(dǎo)的局部?jī)雒浌胶雎粤藝鷰r本身的低溫膨脹作用及積水結(jié)冰后冰體自身作為彈性體的影響，并以此為基礎(chǔ)對(duì)已有的局部積水凍脹模型進(jìn)行修正。但以上研究普遍假定存水空間的平面形狀為三角形，沿隧道縱向方向均勻分布且均在二維條件下對(duì)凍脹力的計(jì)算公式進(jìn)行推導(dǎo)。雖然考慮到了二維推導(dǎo)和三維實(shí)際的差距，并提出了從二維結(jié)果轉(zhuǎn)化為三維結(jié)果的折減系數(shù)，但通過(guò)以上理論計(jì)算出的結(jié)果并不夠準(zhǔn)確。鄧剛等[21]以文獻(xiàn)[18]為基礎(chǔ)，從三維空間角度提出了一種與氣體壓力類(lèi)似的約束凍脹模型，該理論認(rèn)為，在低溫條件下，存水空間中的水從液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)的過(guò)程中，只有當(dāng)變形受到全方位的約束時(shí)，膨脹變形后才會(huì)產(chǎn)生凍脹壓力的作用；一旦任何一個(gè)方向沒(méi)有約束，凍脹壓力就會(huì)被釋放，局部?jī)雒泴⒉粫?huì)發(fā)生。相較于二維空間下的理論模型，該理論推導(dǎo)過(guò)程更為嚴(yán)謹(jǐn)，但該理論假設(shè)存水空間為正四面體，這與實(shí)際情況存在較大偏差。

2 防凍技術(shù)研究

季凍區(qū)隧道工程凍害整治的關(guān)鍵在于選擇合適的防凍措施。

隧道凍害調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國(guó)大部分寒區(qū)隧道發(fā)生凍害的最主要原因是隧道沒(méi)有做好防排水工作，導(dǎo)致有滲漏水現(xiàn)象發(fā)生，一旦低溫后水發(fā)生相變，則存在發(fā)生凍害的風(fēng)險(xiǎn)。若在隧道運(yùn)營(yíng)過(guò)程中沒(méi)有水的滲漏，則可從根源上規(guī)避凍害的發(fā)生。因此，防排水是嚴(yán)寒地區(qū)隧道修建過(guò)程中需首要解決的問(wèn)題。目前，在季凍區(qū)隧道水處理問(wèn)題上，主要采取“防水、排水、堵水、截水”四位一體的原則[22]。防水主要采用復(fù)合防水層和防水混凝土組成的防水體系，并通過(guò)布設(shè)排水管、排水網(wǎng)格的方法達(dá)到排水目的，使其與防水體系共同構(gòu)成一套完善的防排水系統(tǒng)。同時(shí)對(duì)圍巖進(jìn)行注漿，堵塞地下水向隧道的滲流，達(dá)到堵水的效果。最后通過(guò)施設(shè)截水溝、截水墻、防寒泄水洞等方法達(dá)到截水目的[23]。

目前，在做好防排水的基礎(chǔ)上，對(duì)季凍區(qū)隧道所采取的防凍措施主要分為主動(dòng)保溫措施和被動(dòng)防凍措施。

2.1 主動(dòng)保溫措施

主動(dòng)保溫措施即通過(guò)主動(dòng)提供熱量的方法對(duì)隧道工程進(jìn)行保溫，主要適用于凍結(jié)深度較大的季凍區(qū)，常見(jiàn)的方法有電伴熱法、地源熱泵法等。電伴熱(EHT)法即輻射加熱系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)加熱電纜通電并隨后將熱能傳遞到隧道而將電能轉(zhuǎn)換成熱能[24]。邱軍領(lǐng)等[25]為防治季節(jié)性寒區(qū)隧道凍害，提出了一種以發(fā)熱電纜為主的電伴熱保溫防凍法，并在實(shí)際工程中取得成功應(yīng)用；張廣龍[26]通過(guò)隧道現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)試的方法對(duì)采用主動(dòng)保溫措施的隧道溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，并結(jié)合工程實(shí)際對(duì)隧道的主動(dòng)保溫提出設(shè)計(jì)建議。地源熱泵法(GHEs)是從周?chē)貙又蝎@取能量，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道洞口襯砌及保溫水溝的供熱[27]。張國(guó)柱等[28]設(shè)計(jì)了寒區(qū)隧道地源熱泵供熱試驗(yàn)，對(duì)隧道圍巖和襯砌溫度場(chǎng)的影響因素進(jìn)行了詳細(xì)研究；夏才初等[29]提出了一種可用于隧道洞口段襯砌和保溫水溝的加熱地源熱泵系統(tǒng)，并將該供熱系統(tǒng)成功應(yīng)用于實(shí)際寒區(qū)隧道工程中。

電伴熱法雖然在建設(shè)初期投資較低，但后期卻需要大量的運(yùn)營(yíng)投資，同時(shí)還存在環(huán)境污染等問(wèn)題。地源熱泵法雖然節(jié)能環(huán)保，壽命長(zhǎng)，但建設(shè)初期成本過(guò)高，建設(shè)過(guò)程復(fù)雜，對(duì)大多數(shù)季凍區(qū)隧道工程而言，其經(jīng)濟(jì)性較差。以上兩種保溫措施都屬于隱蔽工程，實(shí)施后的維修保障也是一大難題。

2.2 被動(dòng)防凍措施

被動(dòng)防凍措施即保溫隔熱，主要是在襯砌或圍巖處設(shè)置導(dǎo)熱系數(shù)很低的材料或避免襯砌與冷空氣發(fā)生強(qiáng)迫對(duì)流，以達(dá)到保溫防凍的效果[30]，常見(jiàn)的方法有施設(shè)隔熱門(mén)、施設(shè)隔熱層、增設(shè)保溫模注套襯等。設(shè)置隔熱門(mén)的目的即減少通入隧道洞內(nèi)的冷空氣，避免襯砌與冷空氣長(zhǎng)時(shí)間發(fā)生強(qiáng)迫對(duì)流。隔熱門(mén)雖然安裝方便，但不可避免地會(huì)影響隧道運(yùn)行，特別是在高交通流量的情況下[31]，高速鐵路(公路)隧道幾乎不可能關(guān)閉隔熱門(mén)。保溫模注套襯施工工作量較大、工期較長(zhǎng)，且未解決混凝土剝落、掉塊等問(wèn)題，不適合季凍區(qū)運(yùn)營(yíng)鐵路隧道的凍害處治[32]。

事實(shí)上，在我國(guó)季凍區(qū)絕大多數(shù)的隧道工程中，設(shè)置保溫層對(duì)隧道進(jìn)行保溫是最常用的方法，因此，保溫材料的優(yōu)選是季凍區(qū)隧道防凍設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題之一。目前，隧道工程中常用的保溫材料包括聚氨酯、聚酚醛、聚苯乙烯等，這些材料導(dǎo)熱系數(shù)低、密度小，且易加工、成本低，但在吸水性、可燃性及耐久性等方面各有優(yōu)劣[33]。除保溫材料外，保溫層敷設(shè)位置及方法的不同也會(huì)不同程度地影響季凍區(qū)隧道的保溫效果。保溫層最常見(jiàn)的敷設(shè)方法有貼壁式、夾心式及離壁式[34]，各方式的結(jié)構(gòu)示意圖及特點(diǎn)如表1所示。

表1 保溫層不同敷設(shè)方式比較表

在對(duì)保溫層不同敷設(shè)方式保溫效果的探討中，馬啟騰[35]利用有限元軟件，分析了保溫層設(shè)置方式、材料及厚度對(duì)隧道保溫效果的影響；姚紅志等[36]以鄂拉山隧道為研究背景，研究了不同方式敷設(shè)保溫層對(duì)隧道保溫效果的影響，并建議在條件允許的情況下，同時(shí)采用貼壁式和夾心式兩種敷設(shè)方式；袁金秀等[37]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及數(shù)值模擬的方法，對(duì)保溫層不同敷設(shè)方式下的保溫效果進(jìn)行研究，認(rèn)為在整個(gè)隧道的御寒保溫效果上，貼壁式保溫敷設(shè)較夾心式敷設(shè)更優(yōu)；范東方等[38]通過(guò)數(shù)值模擬的方法探討了不同類(lèi)型凍土中3種保溫層敷設(shè)方式的保溫效果，但其研究成果主要探討了多年凍土和非凍土的情況，并未對(duì)季凍土的保溫防凍提出建設(shè)性意見(jiàn)；鄧剛[39]提出了離壁式襯砌，并對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)、保溫層厚度、離壁距離等進(jìn)行了詳細(xì)探討，但并未與貼壁式、夾心式的保溫效果及經(jīng)濟(jì)性等進(jìn)行比較。且因施工工藝復(fù)雜、建設(shè)成本高、適用于離壁式套襯的極寒地區(qū)隧道較少等原因，離壁式襯砌雖保溫效果很好，但在寒區(qū)隧道中應(yīng)用較少。

3 存在問(wèn)題及下一步研究?jī)?nèi)容

3.1 凍脹力計(jì)算方面

上述3種凍脹力計(jì)算模型的提出對(duì)初步了解季凍區(qū)隧道的凍脹力計(jì)算方法起著至關(guān)重要的作用，且越來(lái)越多的專(zhuān)家、學(xué)者在對(duì)凍脹模型進(jìn)行修正、優(yōu)化。但實(shí)際上，以上3種凍脹模型僅從純力學(xué)角度解釋了凍脹力的來(lái)源，與實(shí)際工程相比，很多角度均為理想化假設(shè)，與實(shí)際工程情況有著較大的出入，存在一定的誤差。若要將公式更準(zhǔn)確地應(yīng)用到實(shí)際工程中，尚需進(jìn)一步完善。

(1)季凍區(qū)隧道局部存水凍脹力計(jì)算方法及應(yīng)用

已有的局部存水凍脹模型均假定存水空間的平面形狀為三角形并沿縱向方向均勻分布，而實(shí)際工程中，襯砌與圍巖中間的積冰體形狀并不規(guī)則。因此，可考慮將圍巖與襯砌之間的存水空間形狀假定為更符合實(shí)際情況的幾何體，進(jìn)而對(duì)局部?jī)雒浟M(jìn)行推導(dǎo)。

(2)季凍區(qū)破碎圍巖隧道整體凍脹力計(jì)算方法及應(yīng)用

已有破碎凍融圈整體凍脹模型假定隧道斷面為圓形。而實(shí)際隧道斷面形狀多為馬蹄形。可考慮改變假定斷面形狀條件，如利用馬蹄形斷面隧道為例，對(duì)破碎凍融圈凍脹力的計(jì)算公式進(jìn)行推導(dǎo)。

3.2 防凍技術(shù)方面

目前，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家、學(xué)者對(duì)夾心式和貼壁式保溫層敷設(shè)方式的保溫效果探討較多，對(duì)離壁式保溫層敷設(shè)方式的研究較少。事實(shí)上，離壁式套襯保溫效果好，使用壽命長(zhǎng)且易于維修撤換。可將研究方向著眼于解決離壁式套襯施工工藝復(fù)雜、建設(shè)成本高等問(wèn)題上，如發(fā)展裝配式離壁式套襯等。同時(shí)，可從防水材料上著手，尋找防水性能好的保溫材料，有效防水可大幅度提高保溫效果。此外， 研究可維修的主動(dòng)保溫措施對(duì)于凍結(jié)深度較大的季凍區(qū)隧道施工也十分重要。

4 結(jié)論

我國(guó)隧道建設(shè)正處于飛速發(fā)展時(shí)期，結(jié)合我國(guó)存在大面積季凍區(qū)的實(shí)際國(guó)情，解決好季凍區(qū)的凍害問(wèn)題對(duì)隧道工程的發(fā)展至關(guān)重要。本文主要對(duì)季凍區(qū)隧道的凍脹力計(jì)算方法和防凍技術(shù)進(jìn)行了分析研究，主要結(jié)論如下：

(1)在凍脹力計(jì)算方面，目前主要使用含水風(fēng)化層凍脹模型、整體凍脹模型、局部存水凍脹模型3種計(jì)算模型對(duì)凍脹力進(jìn)行計(jì)算。

(2)在做好排水的基礎(chǔ)上，防凍技術(shù)主要有主動(dòng)保溫和被動(dòng)防凍兩種措施。主動(dòng)保溫適用于凍結(jié)深度較大的季凍區(qū)，常用方法有電伴熱法、地源熱泵法等。被動(dòng)防凍主要措施有施設(shè)隔熱門(mén)、施設(shè)隔熱層、增設(shè)保溫模注套襯等，其中最常用的為設(shè)置保溫層，主要有貼壁式、夾心式以及離壁式3種敷設(shè)方法。

(3)目前3種計(jì)算凍脹力的模型僅從純力學(xué)角度解釋了凍脹力的來(lái)源，很多方面與實(shí)際工程有較大的出入，要使公式能更準(zhǔn)確地應(yīng)用到實(shí)際工程中，還需將凍脹模型進(jìn)一步完善。在防凍技術(shù)方面，可研究裝配離壁式套襯，簡(jiǎn)化施工工藝，降低成本，同時(shí)尋找防水效果好的保溫材料，提升防凍效果。適用于凍結(jié)深度較大季凍區(qū)隧道的可維修主動(dòng)保溫措施，仍有待進(jìn)一步研究。