李偉 張東（dōng）淼吉林省公（gōng）路管理局摘 要：本文以依托工程板（bǎn）石嶺（lǐng）隧道出現的隧道凍（dòng）害現象（xiàng）為例，從細觀（guān）角度，對季凍區運（yùn）營公路隧道凍害的的形成及發展過程進行（háng）了分析，認為（wéi）:在凍融循環作用下，襯砌混凝土內部滲水通道存在“充水-擴張-充水”的逐漸發展擴大的過程，直至裂縫貫通，形成凍（dòng）害（hài）。

    通過分析，提出季凍區隧道建設（shè）及養護工業沙盤的相關建議關（guān）鍵詞：季凍區;公路（lù）隧道（dào）;凍融循環;凍害機理;據統計，季節性凍土約占我國國土麵積的49%，隨著我國公路網（wǎng）絡的逐漸完善，越來越多的季凍區公路隧道投入（rù）運營，而季凍區運（yùn）營公路隧道（dào）麵臨的最主要的病（bìng）害是凍融循環作用造成的凍（dòng）害問題。

    對於隧道凍害機理的研究，早期學者普遍認為隧道凍（dòng）害的形（xíng）成與圍岩對隧道結構工業（yè）沙盤的（de）凍脹力有關，因此早期關（guān）於凍害機理的研究主要以（yǐ）研究凍（dòng）脹力為主，關於凍脹機理的研究，形成了三（sān）種理（lǐ）論分別是凍融（róng）岩石（shí）圈整體凍脹理論、局部積水凍脹理論（lùn）以及含水風化層理論。

    以上三（sān）種理論均是（shì）基（jī）於力學角度，宏觀（guān）上對隧道凍脹破（pò）壞進行表述事實上，襯砌作為（wéi）彈性（xìng）材料或彈塑性材料，圍岩凍結對襯砌凍脹作用是有限的，襯砌產（chǎn）生（shēng）的工業沙（shā）盤凍（dòng）害更多是襯砌混凝土內部結構遭到（dào）破壞呂康成等（děng）將襯（chèn）砌凍脹破壞機理分為微觀凍脹、細觀凍脹和宏觀凍脹。

    羅彥斌從圍岩凍脹、混凝土凍脹（zhàng）及地下水影響等三個方麵分別分析了隧道凍害發（fā）生（shēng）的（de）機理以上基於凍害機理的（de）研究，均是從靜態角度，分析了形成凍害的條件（jiàn）等，而凍融循環是一個動態的作用（yòng）過程本文（wén）從動態角度出發，分析凍融循環工業沙盤作用過程中，隧道凍害的形成及發展過程。

    1 區域工程地（dì）質概況1.1 板石嶺隧（suì）道工程概況（kuàng）板石嶺隧道全（quán）長1262m，位（wèi）於吉林省白（bái）山（shān）市石（shí）鎮境內S207省道輝三線(原長白線)板石嶺隧道1999年運營（yíng）通車，為單洞（dòng）雙向的（de）普通運營公路（lù）隧道板石嶺隧道襯砌形式為:以錨噴混凝土作（zuò）為初期支護，內層用模築混凝土（tǔ）作為二次襯（chèn）砌的工業（yè）沙盤複合式襯砌結構，兩（liǎng）層襯砌之間設置防水層，建設時未設置保溫層。

    板石嶺隧道（dào）由於（yú）運營時（shí）間較長，且未設置保溫隔熱層，隧道內多處出現襯砌剝落、開裂、滲漏水、襯砌掛冰、路麵結冰（bīng）等凍害，嚴重影響了隧道洞內的行（háng）車安（ān）全以及隧道結構（gòu）安（ān）全1.2 區域地質條件板石嶺隧道（dào）處於（yú）白山市龍崗山脈（mò）的石碑嶺，圍（wéi）岩主要岩性包括（kuò）頁岩，石英工業沙盤砂岩，白雲石（shí）大理石，角（jiǎo）礫岩白雲石大（dà）理石，白雲石（shí）斜長片麻岩，角閃（shǎn）長片麻岩，斜長片麻岩，角閃長片岩和磁鐵石英岩組成。

    1.3 區域氣候及水文條件板石嶺隧道所（suǒ）在的區域位於中溫帶濕潤（rùn）的大（dà）陸性季風氣候區年平均氣溫為4.2℃圖1顯示了區（qū）域每月平均溫度和每月平均高溫和低溫該地區夏季較短，冬季（jì）寒冷季節較長，空氣潮濕（shī），工業沙盤年平均相對濕度約為75%，降（jiàng）雨充沛，年平均降雨量約為813.6mm。

    該地區較大的河（hé）流為渾河，其他主要河穀也常年流水，水量明顯受（shòu）季節影響，雨季的水（shuǐ）量較多，其他季節的水量較（jiào）大地（dì）下水的類型（xíng）主要是（shì）第四紀孔隙水和基岩（yán）裂隙水含水層（céng）的岩性為沙，礫石和沙卵石淺埋區水量相對豐富，但季節變化很大。

    2 隧道主要凍害類型及工業沙盤特（tè）征（zhēng）板石嶺隧道自1999年建成通車以來，由於缺乏相應的保溫隔熱措施，且運營時間較長，產生（shēng）了較多的凍（dòng）害，這些凍（dòng）害極（jí）大程度影響了隧道內的交通安全及隧道結構安全通過對板石嶺隧道襯砌的檢測及對其他季凍區隧道的調研，發現板石嶺隧道襯砌存（cún）在不同程度的缺陷，具體如下:。

    圖1 區（qū）域月氣溫狀況 下載原（yuán）圖(1)在測線位工業沙盤置附近共發現二次襯砌後脫空段落13處，連續脫空段落（luò）最（zuì）大長度（dù）為166m,(2)測線位置附近二次襯（chèn）砌後脫空總計696.6m其中左拱腰部位襯砌缺陷（xiàn）總長（zhǎng）144m，占檢測長度11.41%;拱頂部位襯（chèn）砌缺陷總長（zhǎng）356.8m，占檢測長度28.27%;右拱腰部位襯砌缺（quē）陷總長195.8m，占檢測長（zhǎng）度15.52%。

    另外工業沙盤（pán）通過檢測發現，板石嶺隧道凍害的主要表現類型（xíng）有:由於凍害引起的隧道襯砌有大麵積（jī）的剝落和開裂;隧道襯（chèn）砌存水空間凍結，融期出（chū）現融化（huà）漏水隧道（dào）拱滲（shèn）漏並結冰，側壁結冰形成壁冰，底部結冰並積冰2.1 襯砌掛冰，邊牆（qiáng）壁冰。

    襯砌掛冰和邊牆壁冰是季凍區運營隧道最典型的一類凍害，襯砌（qì）掛冰一般（bān）出現（xiàn）在隧道的頂部及拱腰處，襯砌工業沙盤出（chū）現掛冰及壁冰意味著襯砌存在裂縫，及襯砌（qì）背後存在一定（dìng）程度的積水在融期，襯砌背後積水沿著襯砌上的裂縫通道，滲出到襯砌表麵（miàn），形成滲（shèn）漏水，水量較大時，滲漏水受重力作用，豎直流落到（dào）路麵，而水量較小或滲水通道較小時，滲（shèn）漏水會沿著襯砌表麵，環向流（liú）到（dào）邊牆;而在凍期，襯砌（qì）表麵的滲漏水（shuǐ）逐漸凍結成冰，邊牆的（de）滲漏水凍結（jié）成工業沙盤冰形成壁冰，而拱頂及（jí）拱腰的滲漏水凍結，襯砌內（nèi）部仍滲流到（dào）凍結處逐漸（jiàn）凍結，隨著低溫（wēn）的持續，襯砌內部的滲水通道凍結堵塞，襯砌表麵的滲漏水形成冰柱，掛在拱頂或拱腰形成（chéng）襯（chèn）砌掛冰。

    襯砌掛冰不僅由於凍脹作用對隧道的襯砌結構產生影響，在熱融期（qī），掛冰融化可（kě）能會使冰（bīng）柱（zhù）受重力（lì）作用（yòng）砸落到路麵，對隧道內（nèi）行駛的車輛及車內人員產工業沙盤生嚴重的安全（quán）隱患2.2 路麵積水結冰道路結冰也是季凍區運營隧道的典型凍害之一。

    根據產生（shēng）原（yuán）因，一（yī）般可將路麵結冰分為兩種:分別是隧道底部凍脹導致排水通（tōng）道堵塞而水滲出到路麵形成的路（lù）麵結冰，以及隧道襯砌（qì）表麵滲漏水流向路麵而形成的路麵積水（shuǐ）結冰（bīng）當然，還存在其他原（yuán）因造成（chéng）的路麵結冰，如（rú）風吹雪及降雨導致的路麵結（jié）冰，這（zhè）工業沙盤種一般出現在隧道的洞口（kǒu）段。

    路麵結冰不光由於凍脹作用對路麵結（jié）構造成一定程（chéng）度的破壞，路麵結冰導熱的路麵摩擦力降（jiàng）低可能會造成行駛的車輛打滑，極大影響了隧道內的行車（chē）安（ān）全3 季凍區運營隧道凍害的（de）形成機理及特殊性由於對季凍區運營隧道凍害的認識不足且不夠重視，公路養護人員對於季凍區運營隧（suì）道凍害采取的處治措施往往隻工業（yè）沙盤停留在（zài）對表（biǎo）觀凍害的處治上，如對於（yú）襯砌掛冰、邊牆壁冰等凍害的處治上，一般采取“掛冰敲冰”的處治措施，然後對裂縫進行處理。

    然而由（yóu）於季凍區凍融循環的特點，這樣的處治措施並不能有效處治隧道的凍害，因為季凍區運營隧道的（de）凍（dòng）害一般是從隧道內部產生並逐漸發展到隧道表麵的若想要真正有效處治季凍區運營（yíng）隧道凍害，首先要對工業沙盤凍害形成及發展過程有一個清晰的認識。

    本文針對一些典型的季凍區運營公路隧道的凍害，從動態角度（dù），對其形成及（jí）發展過程進行分析，並從其形成（chéng）機理中分析（xī）與普通病害及非（fēi）季凍區隧道凍害相比的特殊性3.1 襯砌掛冰產生凍害的兩大因素別分是“一定量的水”和“低溫”，形（xíng）成襯砌掛（guà）冰的必要（yào）條件應該有（yǒu）:(1)凍融（róng）循環（huán）;(2)襯工業沙盤砌背後存在一定量的積水;(3)襯砌內部存在裂隙或（huò）滲水通（tōng）道。

    研究表明，在新建隧道襯砌混凝土的內部，也（yě）存在著許（xǔ）多孔隙，孔隙率的大小與混凝土的配合比、水灰比、混凝（níng）土（tǔ）的攪拌工藝及養護溫度（dù）和時間等因素有（yǒu）關，受施工工藝及養護（hù）條件等的限製，新建隧（suì）道（dào）襯砌混凝土內部存在微小裂（liè）縫。

    在（zài）熱（rè）融（róng）期，襯砌背後的積水通（tōng）過襯砌內（nèi）部的（de）工業沙（shā）盤滲水通道流入襯砌混凝土內部，如圖2(a)所示在非寒區隧道中，該過程為襯（chèn）砌滲漏水的必要條件，即最終可能發展為（wéi）襯砌滲漏水等病害此為襯砌掛冰的初次充水過程當季凍區運營隧（suì）道進入凍結期後，滲流進入襯（chèn）砌混（hún）凝土內部（bù）的（de）裂隙水逐漸發生（shēng）凍結。

    0℃的水的密度為（wéi）1g/cm3,0℃的冰的體積為0.9 g/cm3，同等質量（liàng）的（de）水工業沙盤凍結（jié）成冰，體積擴大約9%則襯砌內部滲水通道內部的水凍（dòng）結成冰時（shí），體積膨脹，體積較大的冰對滲水通道的四周產生了凍脹力，當凍脹力較大時，襯砌內部細觀結構遭到破壞，導致滲水通道進（jìn）一步（bù）擴張，混凝土內部裂隙劈裂，如圖（tú）2(b)所示。

    此過程為襯砌裂隙受凍脹作用的初次擴張（zhāng）過程

    圖2 隧道（dào）拱頂襯砌掛冰形成機理 下載原圖當工（gōng）業沙（shā）盤季凍區運營隧道由凍結期轉入（rù）熱融期時，裂隙中的冰熱融為水，體積減小，而受凍脹作用而擴（kuò）張的裂隙體積不會減小，此時，襯砌背後積水會繼續滲入襯砌裂隙中，直至裂隙中充滿水，充水量的大小與初次凍脹（zhàng）導致（zhì）襯砌（qì）內部裂隙擴張的體積大小（xiǎo）有關。

    此過程為襯砌掛冰（bīng）的二次充水過程當隧道再次由熱融期進入凍結（jié）期後，裂隙中的水會再次凍工業沙盤結成冰（bīng）體（tǐ）積變大，導致襯砌內部的裂（liè）隙受凍（dòng）脹作用而再次（cì）擴（kuò）張當襯砌背後（hòu）的積水（shuǐ）量充足時，襯砌（qì）混凝土內（nèi）部的滲水通道或者裂隙會（huì）隨著凍-融的反複交替而出現（xiàn）“擴張-充水-擴張……”的過（guò）程（chéng），直至裂隙在襯砌（qì）結構上（shàng）貫通，裂隙中的水流至襯砌表麵（miàn），在凍結期形（xíng）成（chéng）掛冰，如圖2(c)所示。

    但季凍區隧道與多年凍土地區隧道的區別在於，工業沙盤季凍區會受季節影響而出現水熱融與凍結的（de）反複更替在多年（nián）凍土地區的隧道中，襯砌受（shòu）凍脹作用導致裂（liè）隙擴張後，由於裂隙內的冰（bīng）體（tǐ）積不再變化（huà），裂隙基本不再繼續擴張，維持穩定，因此，在多年凍土地區的隧道中，若襯砌結構可以抵擋住這一過程的凍脹作用（yòng），襯砌混凝土內部裂隙（xì）不會繼續擴張（zhāng），則凍（dòng）脹（zhàng）不會繼續影響隧道結構的穩定性。

    由（yóu）工業沙盤襯砌（qì）掛冰的形成機理可以看出，若襯砌掛冰的處治措施為“掛冰敲冰”或者（zhě）敲冰後修補裂縫，而沒有對襯砌內部及襯砌背後積（jī）水進行處理，則襯砌內部裂隙（xì）的滲水通道仍然會（huì）隨（suí）著凍融的反複交替而進行（háng）著“擴張-充水-擴張……”的過程（chéng），襯砌結構會繼續遭到破壞，意味著該處（chù）治措施並沒有真正意義上對襯砌掛冰這一類凍害進行處治。

    3.工業沙盤2 路麵積（jī）水、結冰圖3為公路隧道防排水設（shè）計橫斷麵（miàn）示意圖其中，環向排水管作用是收集襯砌背後的裂隙水，將其引流到縱向排水管中縱向排水（shuǐ）管的作用是收（shōu）集來自（zì）環向排水管中的水以及（jí）路麵（miàn）的積水（shuǐ），再將其引流到橫向導水管中（zhōng）。

    橫向導水管連接縱向排水（shuǐ）管和隧道的中心排水溝，水流入中心排（pái）水溝後，沿著中心排水溝流出（chū）隧道

    圖3 公路工業沙盤隧道防排水設計橫斷麵（miàn） 下載原圖（tú）襯砌背後的裂隙水等首先流入環（huán）向排（pái）水管，環向排水管一般為彈簧半圓管，以便於水的收集環向排水管（guǎn）中的水受重（chóng）力作用流向底部的縱向排（pái）水管，縱向排水管中的水再通過路麵下方的橫向導管流入隧道中（zhōng）心排水溝（gōu）中，然後通過隧道（dào）出水口流出隧道（dào）。

    以上為正常工（gōng）作（zuò）狀（zhuàng）態下的隧（suì）道排水工作流程若隧道中水量較工業沙盤大，季凍區的隧道由熱融期進入凍（dòng）結期後（hòu），當隧道底部的縱向排水（shuǐ）管、橫向導水管、中心排（pái）水溝中（zhōng）任一（yī）處發生凍結形成冰塞時，都可（kě）能導致隧（suì）道排水係統堵塞如圖4所示

    圖4 隧道底部排水係統冰塞示意圖 下載原圖當隧道底部的排水係統出現冰塞導致排水係統堵塞後，排水（shuǐ）係（xì）統內未凍結的水無法正常流（liú）入中心排水溝而形成水壓，當（dāng）水壓較工業沙盤大時，水沿著排水係（xì）統的裂隙滲出，通過隧道底部的滲水通道逐步滲（shèn）出到隧道的路麵上形成路麵積水，在凍結期，低溫導致路麵積水凍結成冰形成路（lù）麵結冰。

    以上為（wéi）隧道路麵（miàn）結冰這（zhè）一凍害的形成機理，與隧道襯砌（qì）掛冰的形成機理類似，路麵結冰隻是這（zhè）一凍害的表（biǎo）觀形式排水係統內的水滲出到路麵的過程中，滲水通道會隨著凍融的反複交替（tì）過工（gōng）業沙盤程而進行“擴張-充水-擴（kuò）張”的循環過程，路麵結構（gòu）的滲水通道逐步進行擴張。

    隧道仰拱和路基路麵結構的穩定性（xìng）遭到破（pò）壞（huài），且當隧道底部排水係統內的水凍結成（chéng）冰形成冰塞時，冰的凍脹作用和未（wèi）凍結的水的水（shuǐ）壓可能導致排（pái）水管的凍（dòng）脹（zhàng）破裂等（děng），這些都（dōu）是難以（yǐ）觀（guān）察到的季凍區凍害造成的隧（suì）道結構和排水（shuǐ）係統的（de）破壞，一般（bān）對隧（suì）道（dào）凍害的處治措工業沙盤施，僅僅是對隧道凍害的表觀形式進行（háng）處治，很少對這些難以檢測到（dào）的凍害進行有效（xiào）治理。

    4 結語(1)通過對（duì）依托工程———板石嶺隧道（dào）所在區域的地質條件、氣候及水文條件分析，證明該隧道存（cún）在形成凍害的兩大（dà）必要條件:(1)低溫;(2)足量（liàng）的水然後通過分析該隧道的檢測結果及調（diào）研觀察資料，發現板石嶺隧道自1999年（nián）運工業沙（shā）盤營通車至今，隧（suì）道（dào）內存在多處凍害，如襯砌掛冰、邊牆壁冰、路麵積水結冰、襯（chèn）砌剝落掉塊等凍害（hài）現象;。

    (2)通過總結不同的凍害類型，分析了各類凍害的特征從細觀角度，詳細分析了季（jì）凍區運營（yíng）隧道中襯砌掛冰、邊牆壁冰及路麵積水結冰等典型凍害（hài）的形成機理，並從各類典型凍害的形成機理（lǐ）中，對比分（fèn）析（xī）凍融環境下形成的季凍區隧道工業（yè）沙盤的凍害與普通病害及非季凍區隧道（dào）凍害的主要區別，發現現有關於（yú）季凍區隧道的養護（hù）工（gōng）作者並沒有正（zhèng）確認識到季凍區隧道凍害的發生機理，即現（xiàn）有對季凍區隧道凍害的處治措施隻在表觀層麵對凍害（hài）進行了治理，而（ér）沒能有效處治凍害，“治標不治本”。

    參考（kǎo）文獻[1] 吳紫汪，賴遠明，藏恩穆，等著（zhe）．寒區隧道工程．北京:海洋出版社，2工業沙盤003.[2] 胡元（yuán）芳，王（wáng）建宇．青藏鐵路昆侖山隧道凍脹（zhàng）壓力計算．現代隧道技術，2002,39(2):28-32.[3] 北川修三，川上輝．寒冷地區的隧道變形（xíng）與圍岩凍脹性．隧道譯（yì）叢，1987(3):14-34.

    [4] 呂康成（chéng），崔淩秋（qiū）．季（jì）凍區（qū）隧道（dào）滲（shèn）漏與凍（dòng）害防治研究．公路，2005(6):194-198.工業（yè）沙盤[5] 羅（luó）彥斌．隧道凍害發（fā）生（shēng）機理及其防治措施（shī）的研究．西安:長安（ān）大學，2007.

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