寒冷地区隧道冻融影响分析

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1、公路隧道2012年第4期(总第80期)寒冷地区隧道冻融影响分析马超超吉哲许鹏(长安大学公路学院西安710064)摘要在考虑围岩冻结渐进性和围岩渗水开放性的基础上，探讨了冻胀过程以及伴随的融冻过程对隧道衬砌结构、初期支护喷射混凝土和围岩自身强度等的影响。对于按现行规范修建的隧道，发生在衬砌壁后的积水冻胀和围岩冻胀对衬砌结构施加的压力不大，设计时可不予考虑；发生在混凝土内部的反复冻融对初期支护的喷射混凝土损伤显著，设计施工应予注意。寒区隧道宜重视对常见的因渗漏水引起的冻害的设防。关键词寒区隧道渗漏水冻胀消融冻害冻胀是指含水介质水分结冰体积膨胀的现象。果此作用力很大，则可

2、能使结构受到损伤，可将这种隧道的围岩内、初期支护的喷射混凝土内、初期支护冻胀损伤称为宏观冻胀损伤。与二次衬砌的间隙里及衬砌混凝土内都可能含水。在研究宏观冻胀时，有2个重要因素通常被忽在寒冷季节当含水部位温度低于O~C时，水分的冻胀视：一是水体的外开放性，即从衬砌外表面向围岩的现象均会发生。因此，在寒冷地区修建隧道时，工程各个方向，都可能有水体进退的通道；二是冻结过程界经常担心冻胀会给隧道带来种种危害。关于寒区的渐进性，即在隧道的横断面内，冻结过程是沿隧道隧道的冻胀机理的研究，至今仍莫衷一是。文献[结的径向逐渐向外发展的。图1为衬砌壁后空腔充水合青藏铁路线高寒隧道研究

3、，提出了局部积水冻胀模后冰冻发展过程的示意图。水体冻结从衬砌的外表型，认为冻胀力主要由衬砌背后积水结冰引起。由于面开始，O~C等温面逐渐向外推进。此间，水体通过围开挖面不平整、初期支护不平顺以及防水板铺设等原岩节理裂隙提供的各种通道向外排挤。当冰冻发展因，使得衬砌背后留有局部存水空间，一旦存水结冰到空腔壁面时，空腔完全被冰体占据。之后，渗水无即产生冻胀力，并根据此模型针对不同的存水体积和法进入冰体，冰体的体积不再扩大，所以冰体难以对衬砌厚度对冻胀力进行了计算，其值在1．22～衬砌结构施加较大的冻胀压力。冰冻过程发展到一2．79MP间。日本对北海道和东北地区的大量冻定

4、程度后，0℃冻结面会处在围岩内的某个位置，其内害隧道进行调查后发现，衬砌周边的围岩均有10～是冰冻围岩，其外是饱水围岩。考虑到冰冻的发展过20cm左右的风化层_2]，冬季严寒时，风化层大都夹有程，冰冻围岩因其内裂隙水冻结而引起的自身体积增冰；从衬砌变形的情况来看，边墙部位因冻胀水平力加微乎其微，所以，“围岩的冻结深度愈大，衬砌结构较大而产生向内的变形，有的产生了水平裂缝，而拱所受的冻胀压力愈大”的观点是不正确的。因此，宏顶几乎不发生冻胀，因而变形较小。因此认为，衬砌观冻胀的冻胀是由于风化层中水冻结而引起的。国内学者对含水风化层模型下的冻胀力计算式进行了推导，并建议设

5、计中洞口段冻胀力取为0．9MPa，洞内取为0．6MPaE。可见，两种方法得出的隧道冻胀力都较大。另外，当隧道围岩为软岩或土质时，围岩消融过程也可能给隧道结构与围岩带来不利影响。究竟冻融现象会给寒冷地区的隧道带来哪些危害?其危害的程度又如何?本文分三种情况进行探讨。1冻胀对衬砌结构的影响衬砌壁外冻胀发生的条件是：衬砌壁外有一定的积水和一定范围内温度低于0℃。当积水或／与围岩冻结体积膨胀时，会对衬砌结构施加作用力，如图1衬砌壁外冻胀发展示意·19·公路隧道2012年第4期(总第80期)是地下水的储运通道。如果隧道围岩为坚硬围岩，2冻融对初期支护喷射混凝土的影响裂隙含水l

6、_7]，则可认为冰冻仅发生在裂隙内。节理运营隧道衬砌壁后温度测试表明，在寒冷季节裂隙多成组出现，将岩体切割成形状不同规格各异许多隧道的冻结深度从衬砌表面算起达到lm以的岩块，所以在裂隙问形成的水系具有开放性(图上]。无疑隧道初期支护的喷混凝土层的最低温度3)。如前分析衬砌的宏观冻胀时所述，围岩内的冰会低于0℃，由于喷混凝土属多空隙材料，若喷混凝冻是逐渐形成的，即冰冻有一个从表层到深层的发土内含水，则必然会受冻胀的影响。在这种情况下，展过程。伴随冰冻发展过程，在开放的裂隙系统中，冻胀的作用机理与细观冻胀、微观冻胀l5相同。若由水到冰体积增加所需要的空间，会由延伸至远场

7、干次冻融反复后，喷混凝土的强度降低，甚至完全丧围岩的裂隙提供，即冰冻的发展几乎不受约束。如失承载能力。顺便指出，地层内的地下水随季节的果裂隙在冰冻开始之初就以充满水，则冰冻过程将变化也呈一定的周期性，喷混凝土在反复的失水吸裂隙水不断向外推，直到冻结线(裂隙ABC中，AB水的过程中，强度也会明显降低。因此，在寒冷地段为冰，BC段为水)；如果冰冻之初裂隙未充满水，区，设计衬砌结构时，不宜考虑初期支护喷混凝土层则冰冻过程使后来之水逐渐结冰，根据来水量的大的长期承载作用。小、流速，以及温度等因素的不同，此冰可能充满或不能充满冻结环内水体所流向的裂隙(裂隙DEF3冻融对围