祝安龍

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司城交院,北京 100055)

1 工程概況

東北某新建鐵路位于內(nèi)蒙古興安盟和呼倫貝爾盟交界地區(qū)，共有6座隧道，隧道總長(zhǎng)10.064 km，最長(zhǎng)隧道長(zhǎng)度3 549 m。隧道建筑限界采用“隧限-2單線”，復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。該地區(qū)位于嚴(yán)寒地區(qū)，歷年月平均最低氣溫-26 ℃左右，極端最低溫度接近-50 ℃，最大土壤凍結(jié)深度3.2 m。全線全年冰凍期和霜期長(zhǎng)達(dá)7～8個(gè)月，一般每年9月下旬開始下雪，到翌年4月底才開始融化，林區(qū)多雨、多雪，雨量充沛。

2 凍害問(wèn)題的產(chǎn)生、病害的治理及效果

該鐵路于2005年9月開工，進(jìn)入2008年冬天后，隨著部分隧道的貫通，有的隧道在洞口幾百米范圍內(nèi)，于邊墻2～3 m高處出現(xiàn)貫通的縱向水平裂縫，裂縫寬度在0.5～5 mm，有的地段甚至出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)。全線6座隧道，其中有4座隧道的襯砌出現(xiàn)不同程度的凍脹裂縫。裂縫隨著季節(jié)溫度的變化而變化，特別到入夏后，這種裂縫變化非常顯著，有的裂縫需要仔細(xì)觀察才能發(fā)現(xiàn)。

建設(shè)單位先后兩次組織有關(guān)專家研討會(huì)，提出凍害整治方案。主要措施包括：(1)對(duì)裂縫最為嚴(yán)重的一座隧道的洞口段103 m進(jìn)行換襯處理，將原設(shè)計(jì)采用的Ⅴ級(jí)圍巖土普通襯砌換成Ⅴ級(jí)圍巖加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土襯砌；(2)對(duì)部分裂縫相對(duì)較小地段，采用環(huán)氧樹脂修補(bǔ)，同時(shí)，在襯砌內(nèi)表面采用粘貼碳纖維布進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)；(3)對(duì)其中一座隧道洞口段50 m襯砌內(nèi)表面進(jìn)行了設(shè)置聚氨酯保溫層試驗(yàn)，以檢驗(yàn)在該地區(qū)隧道內(nèi)設(shè)置保溫層的效果。經(jīng)歷2個(gè)冬季之后，檢查這些維修措施的實(shí)際效果，發(fā)現(xiàn)采用填補(bǔ)裂縫加貼碳纖維布方式的處理方式，未能取得預(yù)期效果，冬季襯砌依然產(chǎn)生裂縫，在混凝土表層粘貼的碳纖維布，有的被撕裂，有的在碳纖維布邊緣處繼續(xù)產(chǎn)生新的裂縫，并沿縱向水平展開。

由于這種處理措施無(wú)法對(duì)襯砌的凍害進(jìn)行根治，如果任其發(fā)展下去，當(dāng)初支與二襯之間的防水層發(fā)生破壞后，由襯砌外側(cè)的滲漏水進(jìn)入裂縫后，就可能對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生細(xì)觀凍脹破壞，從而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)變得疏松，經(jīng)過(guò)反復(fù)張合的裂縫襯砌，在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中可能會(huì)造成掉塊，甚至垮塌，給運(yùn)營(yíng)帶來(lái)安全隱患。因此，必須重新進(jìn)行充分認(rèn)識(shí)，并采取必要的合理措施進(jìn)行根治，確保運(yùn)營(yíng)安全。

3 對(duì)該鐵路隧道凍害產(chǎn)生條件的思考

嚴(yán)寒地區(qū)隧道凍害的認(rèn)知和治理，是一個(gè)很復(fù)雜的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外在這方面的研究還一直處于探索階段。查閱有關(guān)凍脹方面的研究資料，日本學(xué)者北川修山[1]等認(rèn)為，易于凍脹的巖石具有以下幾條特征：新第三紀(jì)中、上部的軟質(zhì)而細(xì)粒的泥質(zhì)巖和凝灰?guī)r；吸水量在20%以上的軟質(zhì)泥質(zhì)巖及細(xì)粒凝灰質(zhì)巖；雖是難于凍脹的巖石，但因長(zhǎng)期風(fēng)化作用而破碎。

調(diào)查指出，最易凍脹變異的地質(zhì)是新第三紀(jì)的鮮新世、洪積世的沉積巖及爐姆質(zhì)的新期火山碎屑層。從定性角度講，粉砂最易凍脹，砂礫層、砂層和黏土層不易凍脹。

除了以上地質(zhì)條件之外，發(fā)生凍脹還需要其他的條件，一是環(huán)境溫度在0 ℃以下，而且負(fù)溫的時(shí)間要足夠長(zhǎng)；二是圍巖性質(zhì)必須能夠允許凍脹，巖層和粗顆粒土一般是不會(huì)凍脹的；三是圍巖中含水量必須足夠多，沒(méi)有水或者水很少，不能形成冰或者冰的數(shù)量太少，圍巖也不會(huì)凍脹。對(duì)于圍巖的凍脹特性，日本就是根據(jù)表1的基準(zhǔn)進(jìn)行判定的[1-2]。表1說(shuō)明，并非所有的圍巖在低溫條件下都要發(fā)生凍脹。發(fā)生凍脹的圍巖是有條件的，例如抗壓強(qiáng)度大、結(jié)構(gòu)密實(shí)、含水量小的圍巖，發(fā)生凍脹的幾率就小。

表1 圍巖(巖石)凍脹性的判定指標(biāo)

該鐵路已有4座隧道發(fā)生水平縱向裂縫，只有2座隧道未產(chǎn)生凍脹裂縫[3]。仔細(xì)研究其凍害現(xiàn)象，分析裂縫產(chǎn)生的原因，發(fā)現(xiàn)一個(gè)規(guī)律，即從地質(zhì)上看，產(chǎn)生裂縫的4座隧道，均為第四系風(fēng)化富水粉質(zhì)黏土地層或帶膨脹性的風(fēng)化泥質(zhì)砂巖地層，且產(chǎn)生裂縫的地段埋深一般不大，一般在30～50 m。內(nèi)蒙阿爾山地區(qū)雨水充沛，這種粉質(zhì)黏土地層地下水位一般較高，有的隧道在開挖施工過(guò)程中掌子面就出現(xiàn)滲水。而2座未出現(xiàn)裂縫的隧道，其地層為巖質(zhì)地層。

根據(jù)對(duì)哈爾濱鐵路局管段范圍內(nèi)遭受凍害隧道的調(diào)查，產(chǎn)生的病害大多是由于道床排水不暢，引起道床結(jié)冰；或隧道襯砌滲漏水處結(jié)冰，產(chǎn)生冰柱、冰錐、冰掛等，而邊墻中部因凍脹產(chǎn)生裂縫的事例比較少見。即使是發(fā)生因凍害產(chǎn)生襯砌局部掉塊，也大多是由于隧道襯砌與圍巖之間因結(jié)合不緊密，由水囊結(jié)冰產(chǎn)生局部?jī)雒浺鸬?，這與兩伊鐵路隧道的凍害特點(diǎn)不一樣。

可以得出的結(jié)論是：該鐵路隧道襯砌邊墻縱向裂縫，是典型的凍脹力造成結(jié)構(gòu)破壞，這種裂縫隨著氣溫的降低而產(chǎn)生，一直貫穿整個(gè)冬季，而在夏季，裂縫自然變小。還有一個(gè)凍害問(wèn)題就是，中心深埋水溝在冬季流水不暢。從該線建成后的幾年調(diào)查發(fā)現(xiàn)，最嚴(yán)重都是發(fā)生在春節(jié)過(guò)后，即中心水溝結(jié)凍最嚴(yán)重的時(shí)間比最冷時(shí)間滯后1個(gè)月左右。對(duì)于這種特征現(xiàn)象，日本等國(guó)有學(xué)者研究得出過(guò)類似的結(jié)論，即凍脹的發(fā)生與外氣溫有1個(gè)月的相位差[4]。

4 對(duì)凍脹力設(shè)計(jì)的思考

對(duì)于凍脹力的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者有過(guò)幾種形式的假設(shè)，如何平等[5]認(rèn)為，土凍結(jié)過(guò)程中，除水分場(chǎng)、溫度場(chǎng)發(fā)生變化外，土體的密度場(chǎng)也發(fā)生著變化，因此考慮土骨架的變形是必要的，并根據(jù)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和熱力學(xué)原理，建立了土體凍結(jié)過(guò)程中的三場(chǎng)耦合方程。賴遠(yuǎn)明[6]運(yùn)用黏彈性理論，將隧道凍脹力學(xué)模型分為襯砌、正凍圍巖、未凍圍巖3個(gè)區(qū)，其中襯砌和未凍圍巖為彈性區(qū)，正凍圍巖為黏彈區(qū)。

根據(jù)現(xiàn)行鐵路規(guī)范，簡(jiǎn)單對(duì)凍脹力設(shè)計(jì)的計(jì)算，據(jù)《鐵路特殊路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10035—2006)表7.1.19，按線性內(nèi)插法計(jì)算，取土體凍脹率為3.65%，假設(shè)保溫在反復(fù)的凍融循環(huán)后，可以起到75%的保溫效果，按經(jīng)驗(yàn)土體凍脹系數(shù)計(jì)算凍脹量

hn=H·η/100

式中hn——凍脹量，m；

H——凍結(jié)層厚度，按保溫層效果75%，該地區(qū)凍結(jié)深度3.2 m，設(shè)置保溫層后取0.8 m；

η——凍脹率，取3.65%。

得出hn=0.029 m。

外側(cè)凍結(jié)圈膨脹被襯砌及外側(cè)未凍結(jié)土體所約束，由于凍結(jié)圈相對(duì)較薄，其凍脹力可看作未凍脹土體的彈性抗力所提供，因此計(jì)算出凍脹圈對(duì)外側(cè)土體的壓縮量，即可通過(guò)外側(cè)土體彈性抗力系數(shù)計(jì)算出襯砌所承受的凍脹力。

通過(guò)彈性抗力系數(shù)及土體凍脹量，在不考慮襯砌變形的情況下，可大致計(jì)算出該處的凍脹力

Q=k·hn

式中Q——凍脹壓力集度，MPa；

k——土體彈性抗力系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取20 MPa/m；

hn——凍脹量，m。

得出，凍脹力Q=0.58 MPa。

這種計(jì)算方法有幾個(gè)假設(shè)條件，首先，即凍結(jié)圈是各向同性的均質(zhì)體，凍脹率也是參考相關(guān)規(guī)范得出，可能與實(shí)際存在一定的出入。其次，對(duì)于凍結(jié)圈的約束，也是假設(shè)未凍結(jié)體不可壓縮和襯砌沒(méi)有變形的。而且凍脹力是參考未凍脹體的彈性抗力系數(shù)計(jì)算出來(lái)的，所以，這些是將復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化，至于這種方法是否接近實(shí)際，還得通過(guò)檢驗(yàn)驗(yàn)證。張祉道[2]曾經(jīng)過(guò)計(jì)算推測(cè)和總結(jié)，建議隧道凍脹力洞口按0.9 MPa、洞內(nèi)按0.6 MPa設(shè)計(jì)，洞內(nèi)凍脹力建議值基本與這個(gè)相近。當(dāng)襯砌結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，由于結(jié)構(gòu)的柔性變形可釋放部分凍脹力，因此，設(shè)計(jì)未必需要采用較為保守的荷載結(jié)構(gòu)，對(duì)于這種飽和富水地層的凍脹力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)如何設(shè)計(jì)合理，需進(jìn)一步研究。

5 對(duì)凍害裂縫處理措施的思考

通過(guò)對(duì)該鐵路隧道凍害整治的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和反思，首先，應(yīng)充分認(rèn)識(shí)到凍脹力的大小，這是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)；其次，采用的方法是否有效至關(guān)重要。作為凍害治理的方法，一類是針對(duì)外因的對(duì)策：如置換，將凍結(jié)深度內(nèi)的介質(zhì)置換為不易凍結(jié)的材料；隔熱：在襯砌背后或表面設(shè)置隔熱材料(噴射或鋪設(shè))。一類是針對(duì)內(nèi)因的對(duì)策：如回填壓注，充填背后空隙，防止背后滯水、凍結(jié)；通暢排水，設(shè)置各種排水設(shè)施等。但是，對(duì)于內(nèi)蒙地區(qū)這種富水的粉質(zhì)黏土，如通過(guò)置換或地表深孔注漿減少土體含水量工作量非常大，注漿效果往往很不理想。

要解決這種隧道襯砌凍害問(wèn)題，基于凍脹力的特點(diǎn)，一是采用柔性結(jié)構(gòu)；另外一種方式，就是在源頭上防止或減少凍脹力的產(chǎn)生，使襯砌外側(cè)的圍巖溫度保持在0 ℃以上，或減少凍結(jié)厚度，使結(jié)構(gòu)處于受力承受范圍之內(nèi)。該鐵路完工2年來(lái)，雖然還未交付運(yùn)營(yíng)，但試運(yùn)營(yíng)階段，每天有列車通過(guò)，如對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面換襯加固處理，處理費(fèi)用較高，時(shí)間調(diào)配等非常困難；另外，凍脹力影響太大，單靠對(duì)已破壞的襯砌進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，難以達(dá)到要求。所以，必須從消除或減少凍脹力的角度考慮，也就是疏通襯砌外排水系統(tǒng)，確保凍融期襯砌外側(cè)流水通暢，盡可能降低襯砌周圍圍巖的含水率，特別是邊墻兩側(cè)范圍內(nèi)土體的含水率。

根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50176—93)、《建筑物隔熱用硬質(zhì)聚氯酯泡沫塑料》(QB/T 3806—1999)的相關(guān)內(nèi)容，各種材料熱阻計(jì)算公式如下

R=δ/λ

式中R——材料層熱阻，m2·K/W；

δ——材料層厚度，m；

λ——材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)，相關(guān)材料導(dǎo)熱系數(shù)見表2。

表2 相關(guān)材料導(dǎo)熱系數(shù)

本地區(qū)土壤最大凍結(jié)深度3.2 m，隧道襯砌厚度0.4+0.22=0.62 m。

(1)凍結(jié)深度范圍土壤熱阻

R1=δ/λ=3.2/1.16=2.76 (m2·K/W)

(2)混凝土襯砌熱阻

R2=δ/λ=0.62/1.74=0.36 (m2·K/W)

(3)保證圍巖圈不凍結(jié)，所需保溫層熱阻

R=2.76-0.36=2.4 (m2·K/W)

(4)保溫層采用聚氨酯材料，導(dǎo)熱系數(shù)收集相關(guān)資料，取為0.022(W/(m·K))，所需聚氨酯保溫層厚度

δ=R·λ=2.4·0.022=0.053 m

根據(jù)計(jì)算，保溫層厚度為5.3 cm即可達(dá)到防止圍巖凍結(jié)的效果。實(shí)際操作中為降低施工誤差影響，安全系數(shù)取1.3，選取的保溫層厚度

δ=0.053 m×1.3=6.9 cm≈7 cm

保溫層施工后，為了確保不影響隧道運(yùn)營(yíng)，保溫層施工前應(yīng)對(duì)襯砌內(nèi)輪廓進(jìn)行測(cè)量，保證保溫層不侵限。

同時(shí)，為加強(qiáng)施工質(zhì)量控制，使保溫層設(shè)置均勻，鋪設(shè)方式采用噴涂，并考慮聚氨酯材料的防火及耐久性要求，在完成噴涂保溫層后，表面涂抹防火砂漿。

6 經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)及建議

(1)嚴(yán)寒地區(qū)隧道的設(shè)計(jì)，應(yīng)充分認(rèn)識(shí)凍脹力的影響，特別是洞口段土質(zhì)富水地層或富水的斷層破碎帶等，適當(dāng)考慮凍脹力的作用。此外，還應(yīng)考慮溫差應(yīng)力的影響，適當(dāng)加強(qiáng)縱向的配筋和溫度變形縫的設(shè)置。

(2)為確保嚴(yán)寒地區(qū)隧道排水通暢，優(yōu)先采用泄水洞替代中心水溝。當(dāng)隧道采用中心深埋水溝形式時(shí)，遇到圍巖條件較差地段，深埋水溝施工難度較大，特別是單線隧道，隧道開挖后較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，難以形成封閉結(jié)構(gòu)，而遇到硬巖地段時(shí)，中心深埋水溝施工引起的超、欠挖問(wèn)題比較嚴(yán)重。

(3)對(duì)于單線隧道，如需要采用中心深埋水溝形式，注意水溝最好置于邊墻一側(cè)的避車洞以下，這樣避免設(shè)置檢查井時(shí)，影響道床結(jié)構(gòu)。

(4)中心水溝檢查井的保溫措施通常是在兩層蓋板之間設(shè)置隔熱材料，但由于檢查井內(nèi)壁是混凝土，并有縫隙，熱傳導(dǎo)效應(yīng)高，亦有可能通過(guò)井壁傳導(dǎo)作用致使檢查井內(nèi)結(jié)冰，從而進(jìn)一步堵塞深埋中心溝。因此，改善檢查井的保溫措施非常重要，可采用在井壁鋪設(shè)聚氨酯保溫板，或?qū)⒕诟挠帽鼗炷?、涂抹保溫砂漿等措施降低井壁的熱傳導(dǎo)率，并加強(qiáng)密封，切斷冷橋，確保檢查井的保溫效果，防止水溝產(chǎn)生凍害。

[1] 北川修山，川上輝.寒冷地區(qū)的隧道變形與圍巖凍脹性[J].隧道譯叢，1987(3)．

[2] 關(guān)寶樹.我對(duì)隧道凍害的基本認(rèn)識(shí)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2012(S1)：1-8．

[3] 張恒.嚴(yán)寒地區(qū)鐵路隧道襯砌凍脹病害及治理措施研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2012(S1)：8-11．

[4] 張祉道，王聯(lián).高海拔及嚴(yán)寒地區(qū)隧道防凍設(shè)計(jì)探討[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2004，41(3)：1-6．

[5] 何平，程國(guó)棟，朱元林.凍土粘彈塑損傷耦合本構(gòu)理論[J].中國(guó)科學(xué)，1999，29(S1)：34-39．

[6] 賴遠(yuǎn)明，吳紫旺，等.寒區(qū)隧道滲水圍巖凍脹對(duì)襯砌的影響和防凍脹設(shè)計(jì)計(jì)算研究[R].蘭州：中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所，2000．