何聲軍

【摘 要】隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，西部大開(kāi)發(fā)政策的實(shí)施，交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的需求在不斷增長(zhǎng)，尤其是我國(guó)藏區(qū)高原鐵路、公路建設(shè)的興起，高海拔寒冷地區(qū)凍土隧道的建設(shè)技術(shù)問(wèn)題日益受到工程界的關(guān)注和重視?；诖?，本文就高原隧道凍土施工措施進(jìn)行分析與研究。

【關(guān)鍵詞】高原隧道；凍土；施工措施

一、凍土的定義及分布

凍土是指零或零攝氏度以下，并含有冰的各種巖石和土壤。根據(jù)巖土凍結(jié)狀態(tài)保持時(shí)間的長(zhǎng)短，凍土可分為多年凍土、深季節(jié)凍土、季節(jié)凍土和瞬時(shí)凍土。凍結(jié)狀態(tài)持續(xù)時(shí)間幾年到上千年的土均是多年凍土；凍結(jié)狀態(tài)持續(xù)時(shí)間從數(shù)月到幾年且凍深大于一米的均是深季節(jié)凍土；凍結(jié)狀態(tài)保持半月至數(shù)月的土是季節(jié)凍土；凍結(jié)狀態(tài)保持幾小時(shí)至半月的土均是瞬時(shí)凍土。

地球上多年凍土的分布面積約占陸地面積的 23 %，主要分布在中國(guó)、俄羅斯、美國(guó)的阿拉斯加和加拿大等地，其中我國(guó)的多年凍土分布面積約 206.8×104km2，僅次于原蘇聯(lián)（1 000×104km2）和加拿大（390×104～490×104 km2），約為美國(guó)多年凍土面積（140×104km2）的 1.5 倍。

我國(guó)是世界上的第三凍土大國(guó)，約占世界多年凍土面積的 10 %，約占我國(guó)國(guó)土面積的 21.5%，同時(shí)我國(guó)的多年凍土主要分布在中、低緯度的號(hào)稱“世界第三級(jí)”的青藏高原，我國(guó)季節(jié)性凍土面積為 513.7×105km2，約占全國(guó)國(guó)土面積的53.5 %。

多年凍土主要分布在青藏高原、帕米爾、西部高山（包括祁連山、阿爾金山、天山、西準(zhǔn)噶爾山地和阿爾泰山等）、東北大小興安嶺、松嫩平原北部以及東部地區(qū)的一些高山頂部。深季節(jié)性凍土主要分布于東北三省、新疆北部、寧夏、甘肅、內(nèi)蒙古、川西和青海等地。季節(jié)凍土遍布在不連續(xù)多年凍土的外圍地區(qū)，主要分布于北緯 30°以北的地區(qū)，其南界大致從云南省挖苦河（25°14′ N，97°52′ E）向東北方向沿著橫斷山脈和喀拉山脈的坡腳，經(jīng)大巴山南麓向東南繞過(guò)四川盆地后，又從湖南省的咱果附近（29° N，109°25′ E）向東北方向延伸，直至江蘇省連云港附近（34°34′ N）。此外，在大別山、萊陽(yáng)山和玉山頂部也有零星分布。瞬時(shí)凍土的南界大致與北回歸線（22° N）相一致。此界限以南，除山地外，一般無(wú)凍土。

二、凍土地質(zhì)特性

（一）凍土的熱穩(wěn)定性

凍土，顧名思義，是凍結(jié)狀態(tài)下的巖土體。凍土處于負(fù)溫狀態(tài)，其得以保存的條件與溫度息息相關(guān)，具有溫度敏感的特性。隨著溫度的變化，凍土中冰的含量和冰水之比也會(huì)發(fā)生變化，從而其他各種性質(zhì)也會(huì)發(fā)生變化。

對(duì)于松散土，其凍結(jié)溫度取決于土的礦物成分、水分和鹽分。在其他條件相同的情況下，凍結(jié)溫度隨含水量的增加而升高，隨含鹽量的增大而降低。

凍土的熱穩(wěn)定性是指任何一種凍土的熱狀態(tài)對(duì)外界條件變化響應(yīng)的敏感程度。前蘇聯(lián)學(xué)者的研究表明：凍土的熱穩(wěn)定性可以用外界條件影響下多年凍土的融化速率定量表示，并且主要與凍土的溫度及含水量有關(guān)，前者決定了凍土的熱容量，后者則決定了凍土的相變熱。

（二）凍土上限附近的水分遷移及其工程性質(zhì)變化

對(duì)于粘性土，在凍土上限附近，凍結(jié)成冰的過(guò)程，會(huì)產(chǎn)生凍結(jié)吸力，使結(jié)合水膜變薄，土水勢(shì)降低，導(dǎo)致未凍區(qū)的水分向正凍區(qū)遷移，以抵消凍結(jié)抽吸力，補(bǔ)償減薄了的結(jié)合水膜和降低了的土水勢(shì)。

在水分遷移的同時(shí)，會(huì)發(fā)生不等量的鹽分遷移，在從融化狀態(tài)到凍結(jié)狀態(tài)的過(guò)程中，粘性土的含水量和含鹽量趨于增大，良透水層的含水及含鹽量則趨于減??；在溫度升高時(shí)，土的未凍結(jié)含水量趨于增大。在有排水條件的情況下，土的含水量和含鹽量趨于減小。但在排水不良的情況下，如果土的上層已經(jīng)融化而下層仍處于凍結(jié)狀態(tài)，強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用將把鹽分進(jìn)一步引至土表，從而會(huì)進(jìn)一步加劇土的鹽澤化。經(jīng)過(guò)多年的反復(fù)凍融和蒸發(fā)，土的含鹽量逐漸增大，在一定的條件下可以轉(zhuǎn)化為弱凍脹土或巖凍脹土。

按照水分遷移規(guī)律可將正凍土體分為 3 個(gè)區(qū)，未凍區(qū)、凍結(jié)前緣區(qū)和已凍區(qū)，如圖 1。

圖1 正凍土分區(qū)圖

1.未凍區(qū)：該區(qū)中只有土、水、氣而沒(méi)有水，土中水分場(chǎng)的分布由該區(qū)段土體內(nèi)的土水勢(shì)決定；

2.凍結(jié)前緣區(qū)：眾多的試驗(yàn)研究表明，盡管這一區(qū)域很小，但凍土中的水分遷移主要受該區(qū)的控制，此區(qū)為水分遷移最為劇烈的部分，因此也是凍土中水分遷移計(jì)算的核心；

3. 已凍區(qū)：此區(qū)中土體已經(jīng)完全凍結(jié)，土體內(nèi)結(jié)構(gòu)相對(duì)比較穩(wěn)定，盡管水分遷移仍然存在，但導(dǎo)水性很差，因此水分遷移量也很小。

（三）凍土熱物理特性

凍土與一般融土的本質(zhì)區(qū)別是凍土處于凍結(jié)狀態(tài)，其物理特性與溫度變化密切相關(guān)，尤其是凍土的三相之一水，既有液態(tài)的，也有固態(tài)的，在一定的溫度調(diào)節(jié)下最容易發(fā)生相變，從而導(dǎo)致凍土的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。

凍土的基本物理力學(xué)指標(biāo)包括導(dǎo)熱系數(shù)、熱容量和倒溫系數(shù)。不同的凍土其比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、到溫系數(shù)是不同的。冰的比熱是液態(tài)水的一半，在其他條件相同時(shí)，土凍結(jié)后的比熱總是小于它在融化時(shí)的比熱。只有在土的含水量極小或者土的絕大部分保持液態(tài)時(shí)，土在凍結(jié)狀態(tài)和融化狀態(tài)的比熱才沒(méi)有顯著的變化。冰的導(dǎo)熱系數(shù)是液態(tài)水的 4 倍，因此，在其他條件相同時(shí)，凍土的導(dǎo)熱系數(shù)一般都大于融土，只有在土非常松弛和非常干燥，土的組成顆粒非常小或者含鹽量很大的時(shí)候，因凍結(jié)后冰晶極少，它在凍結(jié)前后的導(dǎo)熱率才不會(huì)有實(shí)質(zhì)上的區(qū)別。

三、高原隧道施工要點(diǎn)分析

（一）隧道爆破時(shí)的擾動(dòng)對(duì)凍土環(huán)境的影響

在隧道施工時(shí)由于強(qiáng)制性的開(kāi)挖干擾了地位，嚴(yán)重的對(duì)高原凍土產(chǎn)生了熱侵蝕，不僅有效的改變了凍土的環(huán)境及凍土的性質(zhì)，而且還改變了隧道工程的施工環(huán)境，當(dāng)隧道工程在施工時(shí)穿過(guò)較厚的巖層時(shí)，爆破所引起的波動(dòng)是不會(huì)影響高原凍土環(huán)境的，在隧道工程施工環(huán)境較差的情況下，如洞身位于淺埋區(qū)段，為了防止在施工中由于爆破方法不合理引起較大的坍塌事故，對(duì)凍土環(huán)境造成大范圍的破壞，這時(shí)必須重視爆破對(duì)隧洞工程洞口圍巖的擾動(dòng)。所以，隧洞工程洞口施工應(yīng)該有效的減少對(duì)凍土環(huán)境中水熱狀態(tài)的擾動(dòng)，并應(yīng)該認(rèn)真考慮兩洞口可能出現(xiàn)的熱融滑塌及凍脹而對(duì)隧道工程工程造成的嚴(yán)重影響。

（二）高原隧道施工的通風(fēng)方法

隧道施工通常采用的通風(fēng)方法有：抽出式、壓入式通風(fēng)、壓出式通風(fēng)、壓氣引射器通風(fēng)、機(jī)械通風(fēng)、水力引射器通風(fēng)、引射器通風(fēng)、擴(kuò)散、自然通風(fēng)、利用輔助坑道通風(fēng)和混合式通風(fēng)等方式。過(guò)去的高原凍土隧道工程施工通風(fēng)方法，對(duì)距離較短的高原凍土隧道工程通常采用獨(dú)頭壓入式通風(fēng)方式；而采用無(wú)軌運(yùn)輸?shù)母咴瓋鐾了淼拦こ淌┕の廴据^嚴(yán)重，高原凍土隧道工程通風(fēng)方案如果采用壓入式通風(fēng)方式，雖然這種通風(fēng)方式具備較強(qiáng)的可操作性和較簡(jiǎn)單的施工組織管理等優(yōu)點(diǎn)，但在高原凍土隧道工程中需要風(fēng)機(jī)提供的風(fēng)量過(guò)大，且通風(fēng)機(jī)整體能耗較高、總功率過(guò)大，整體漏風(fēng)率過(guò)高，獨(dú)頭通風(fēng)距離過(guò)長(zhǎng)，能源浪費(fèi)嚴(yán)重，受斜井?dāng)嗝鎯艨臻g限制的影響，難以為高原凍土隧道工程中每個(gè)工作面布置，條大直徑通風(fēng)管+方案可優(yōu)化可調(diào)整的空間較小，可靠性偏差，斜井井身內(nèi)風(fēng)管維護(hù)保養(yǎng)不方便等缺點(diǎn)。

（三）高原高寒地區(qū)隧道混凝土的抗凍融破壞施工

現(xiàn)澆襯砌混凝土和初期支護(hù)噴混凝土在低溫下進(jìn)行隧道工程施工凍結(jié)分為：運(yùn)輸、拌制、施工過(guò)程中受凍和養(yǎng)護(hù)期間受凍。高原隧道工程養(yǎng)護(hù)階段是混凝土具有一定的初始強(qiáng)度后的凍結(jié)，更容易發(fā)生水分遷移，破壞程度大于前者。高原凍土隧道工程養(yǎng)護(hù)期間，凍結(jié)因受高原凍土隧道工程混凝土內(nèi)外溫度平衡過(guò)程的影響，其表面的凍結(jié)程度大于內(nèi)部，解凍時(shí)對(duì)凍傷幾乎無(wú)恢復(fù)性。拌制、運(yùn)輸、施工過(guò)程中的凍結(jié)是混凝土不具備初始強(qiáng)度的時(shí)候，雖然高原凍土隧道工程內(nèi)外凍傷基本一致，且解凍后混凝土強(qiáng)度有一定的恢復(fù)性，但是仍然損失較大。在運(yùn)營(yíng)期間，高原凍土隧道工程襯砌混凝土主要是襯砌背后的地下水。在低溫條件下隧道工程中凍結(jié)膨脹產(chǎn)生應(yīng)力，會(huì)破壞高原凍土隧道工程中混凝土毛細(xì)孔及混凝土中的游離水；在高原低溫情況下，凍結(jié)膨脹以及反復(fù)凍融破壞，混凝土強(qiáng)度會(huì)隨著高原凍土隧道工程中混凝土的凝結(jié)力的降低而降低，嚴(yán)重則會(huì)破壞高原凍土隧道工程的混凝土。

結(jié)束語(yǔ)

凍土并非高寒地區(qū)所特有的土地狀態(tài)，凍土在世界各地都有，只是由于某些局域性的地質(zhì)條件和環(huán)境在氣候轉(zhuǎn)換上相較其它地區(qū)緩慢很多，看上去有著百年如一日的特點(diǎn)，所以凍土?xí)艿江h(huán)境的影響，在堅(jiān)固性與凍結(jié)度上有所差異，所以，文章就高原凍土隧道的施工措施進(jìn)行分析與研究，保證其施工質(zhì)量，促進(jìn)其快速發(fā)展。

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