萬(wàn)建國(guó)

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

0 引言

根據(jù)我國(guó)中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃和國(guó)家公路網(wǎng)規(guī)劃可知，我國(guó)西部和東北內(nèi)蒙古寒區(qū)還有很多公路和鐵路正在或即將建設(shè)，如川藏鐵路和川藏高速公路等，位于寒區(qū)的鐵路、公路隧道數(shù)量越來(lái)越多，防凍技術(shù)要求越來(lái)越高。雖然我國(guó)隧道防凍技術(shù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，東北、內(nèi)蒙、甘肅和河北已運(yùn)營(yíng)的高緯度寒區(qū)隧道122座，有凍害的隧道51座，占41.8%；四川、青海、西藏和新疆已運(yùn)營(yíng)的高海拔寒區(qū)隧道34座，有凍害的隧道15座，占44.1%[1]?？梢?，寒區(qū)隧道凍害是一個(gè)普遍存在的問(wèn)題，有些凍害已嚴(yán)重危及隧道結(jié)構(gòu)和運(yùn)營(yíng)安全，甚至導(dǎo)致一些隧道冬季無(wú)法使用。為消除凍害，每年投入了高昂養(yǎng)護(hù)維修和處治費(fèi)用，然而效果往往不盡人意。本文通過(guò)回顧典型寒區(qū)山嶺交通隧道當(dāng)?shù)貧庀髼l件、凍害現(xiàn)象及凍害處治措施，展現(xiàn)我國(guó)寒區(qū)山嶺交通隧道防凍技術(shù)的發(fā)展歷程；在此基礎(chǔ)上，分析寒區(qū)山嶺交通隧道圍巖與混凝土凍害發(fā)生的機(jī)制、凍害發(fā)展途徑，總結(jié)我國(guó)季節(jié)性凍土和多年凍土地區(qū)山嶺交通隧道凍害防治的原則和防治措施，展望山嶺交通隧道防凍技術(shù)發(fā)展方向，以期為寒區(qū)山嶺交通隧道建設(shè)提供參考。

1 我國(guó)寒區(qū)山嶺交通隧道防凍技術(shù)發(fā)展歷程

我國(guó)隧道防凍技術(shù)主要是從新中國(guó)成立后開始逐步發(fā)展起來(lái)的。新中國(guó)成立前，晚清、民國(guó)和東北日俄占領(lǐng)時(shí)期雖然修建了一些寒區(qū)山嶺交通隧道(如濱州鐵路興安嶺隧道)，但總體考慮防凍較少，導(dǎo)致隧道建成后不久就出現(xiàn)了嚴(yán)重凍害，嚴(yán)重影響了隧道結(jié)構(gòu)和運(yùn)營(yíng)的安全。

自20世紀(jì)50年代開始，我國(guó)在東北興安嶺多年凍土地區(qū)修建了一些鐵路隧道，如牙林鐵路嶺頂隧道，嫩林鐵路翠嶺隧道，西羅奇嶺1、2號(hào)隧道和白卡爾隧道等。由于對(duì)凍土特性和低溫凍害認(rèn)識(shí)不足，修建隧道期間屢遭挫折，出現(xiàn)了邊修邊結(jié)冰，即使鑿?fù)ê?，仍需不分晝夜連續(xù)鑿冰(如嶺頂隧道)才能維持通車，以致人們對(duì)在凍土區(qū)修建隧道產(chǎn)生了恐懼。后來(lái)線路越嶺時(shí)干脆采用爬山繞行也不愿修建隧道[2]。所幸隧道人并沒有灰心，在邊修建、邊破壞、邊摸索的艱難條件下堅(jiān)持不懈，逐漸探索出一些解決隧道凍害的處治措施，如防寒水溝、泄水洞、深埋滲水溝、保溫水管、保溫出水口等，這些措施極大緩解了隧道凍害，取得了一定效果。

20世紀(jì)60—90年代，我國(guó)在西北寒區(qū)修建了一些鐵路和公路隧道，如天山公路玉希莫勒蓋隧道和南疆鐵路奎先隧道等。這些隧道建成后出現(xiàn)了較嚴(yán)重的凍害，甚至出現(xiàn)了因凍害而導(dǎo)致隧道報(bào)廢的情況。1998年，穿越祁連山脈東段的G227線大坂山隧道順利建成，標(biāo)志著我國(guó)寒區(qū)隧道修建技術(shù)取得了較大進(jìn)步。這些技術(shù)主要有防寒泄水洞、泄水橫洞、豎向泄水孔、隔風(fēng)保溫門、防雪棚、隧道結(jié)構(gòu)保溫層等。

進(jìn)入21世紀(jì)，青藏鐵路風(fēng)火山和昆侖山隧道的建成進(jìn)一步拓展了隧道防凍技術(shù)。之前的防凍理念是采取措施防止地下水凍結(jié)，而這2座隧道全部位于多年凍土區(qū)，防凍技術(shù)則是以“保凍”為根本目標(biāo)，即采取措施保證隧道建設(shè)期與運(yùn)營(yíng)期地下水始終處于凍結(jié)狀態(tài)，防止融化。

20世紀(jì)末和21世紀(jì)初，我國(guó)修建了川西高海拔季節(jié)性凍土寒區(qū)的鷓鴣山隧道、雀兒山隧道、巴朗山隧道和西藏扎墨公路嘎隆拉隧道，形成了對(duì)地下水封堵、快速疏排、排水系統(tǒng)防凍、襯砌結(jié)構(gòu)保溫隔熱等較為成熟有效的防凍技術(shù)，這些技術(shù)對(duì)季節(jié)性凍土寒區(qū)隧道的防凍技術(shù)做了重要補(bǔ)充，對(duì)川西高海拔寒區(qū)和藏區(qū)隧道建設(shè)提供了有效的技術(shù)保障。

近年來(lái)，隨著我國(guó)高鐵建設(shè)的快速發(fā)展，逐步形成了一套適合我國(guó)的高緯度和高海拔寒區(qū)高鐵隧道防凍技術(shù)，豐富了我國(guó)隧道防凍技術(shù)。

1.1 1949年前建成的寒區(qū)山嶺交通隧道

1949年前我國(guó)建成的寒區(qū)山嶺交通隧道很少，主要為東北地區(qū)俄羅斯和日本修建的鐵路隧道。盡管這些隧道位于寒區(qū)，但限于當(dāng)時(shí)技術(shù)水平，采取的防凍措施較少。其中，較為典型的是由俄羅斯主持修建的濱州鐵路興安嶺隧道。

興安嶺隧道為雙線隧道，長(zhǎng)3 077.2 m，海拔1 100 m，位于高緯度嚴(yán)寒興安嶺地區(qū)。隧址區(qū)最冷月平均氣溫-21.3 ℃，極限最低氣溫-57 ℃，結(jié)冰期7個(gè)月以上，最大凍結(jié)深度為3.2 m。隧道始建于1901年，1903年建成，隧道襯砌為石膏石灰砂漿漿砌片石、粗鑿石或毛方石，洞內(nèi)設(shè)中心排水溝和側(cè)溝，洞口設(shè)防寒簾。

隧道建成后，每年2、3季度(洞外溫度10～25 ℃，洞內(nèi)溫度8 ℃)洞內(nèi)會(huì)出現(xiàn)滴漏水；1、4季度(洞外溫度-52～-35 ℃，距洞口1 km處洞內(nèi)溫度0 ℃)會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰，形成拱墻掛冰、隧底流水結(jié)冰。凍害致使排水系統(tǒng)失效，襯砌松動(dòng)、變形、風(fēng)化、剝落，膠凝材料強(qiáng)度失效，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低。每年均需要投入大量人力刨冰。曾經(jīng)因?yàn)槎错敀毂撀浒l(fā)生了砸傷火車司機(jī)的安全事故。

為解決凍害，保障行車安全，20世紀(jì)90年代初在興安嶺隧道旁新建了1座隧道； 且在2015—2017年電氣化改造時(shí)對(duì)拱墻新出現(xiàn)的滲漏水進(jìn)行了處治[3]，大大減少了凍害。

1.2 1949—1999年建成的寒區(qū)山嶺交通隧道

截至1994年，我國(guó)在嚴(yán)寒地區(qū)修建了70多座鐵路隧道。由于氣候影響和隧道防排水處理不當(dāng)，不少隧道出現(xiàn)了冬季結(jié)冰、襯砌脹裂等病害，例如： 20世紀(jì)60年代建成的東北牙林鐵路嶺頂隧道和六七十年代建成的嫩林鐵路白卡爾隧道，嚴(yán)重威脅了行車安全。

1.2.1 牙林鐵路嶺頂隧道

牙林鐵路嶺頂隧道是我國(guó)第1座修建在多年凍土區(qū)的隧道，位于大興安嶺西坡區(qū)，長(zhǎng)936.8 m，年均氣溫-6.71 ℃(1966年)，最低氣溫-50 ℃，負(fù)溫天數(shù)占全年天數(shù)的58%。隧道出口端位于多年凍土區(qū)，季節(jié)融化層最大深度約為9 m，圍巖為凝灰質(zhì)角礫巖、安山巖。

修建時(shí)，隧道采用普通水溝及襯砌背后注漿堵水的排水措施，未采用防寒排水系統(tǒng)。1961年9月隧道建成，拱墻開始滲漏水，同年11月出現(xiàn)凍害，拱墻掛冰，最大冰柱直徑達(dá)1 m，隧底積冰厚0.3～1.3 m[4]。邊墻襯砌出現(xiàn)眾多環(huán)向裂紋。

為減輕凍害，隧道邊墻背后增設(shè)豎向碎石盲溝+豎向泄水孔+支導(dǎo)洞+泄水洞+洞外暗溝+保溫出水口等排水措施，排水系統(tǒng)示意如圖1所示。泄水洞距隧底5.5 m，長(zhǎng)720 m，洞外暗溝連接泄水洞出口，長(zhǎng)128 m。地下水匯集至隧道邊墻外側(cè)豎向碎石盲溝內(nèi)，盲溝通過(guò)豎向泄水孔和支導(dǎo)洞與泄水洞相連[5]。經(jīng)此處理后，泄水洞地段隧道凍害完全消除。

1.2.2 嫩林鐵路隧道

嫩林鐵路位于我國(guó)東北大興安嶺東南坡與北坡，全長(zhǎng)680 km，氣候惡劣，極端最低氣溫-48～-52 ℃，最冷月平均氣溫-32 ℃以下，年平均氣溫-2.5～3.0 ℃。每年9月至翌年5月為凍結(jié)期，凍結(jié)深度為3.8～5.0 m。嫩林鐵路全線建有14座隧道，主要有朝陽(yáng)1號(hào)隧道、西羅奇嶺2號(hào)隧道、白卡爾隧道、孟克山隧道、翠嶺2號(hào)隧道等。

嫩林線隧道主要采取了中心深埋水溝、雙側(cè)保溫水溝、防寒泄水洞3種防凍措施，有的隧道防凍措施較成功，有的仍出現(xiàn)了較嚴(yán)重的凍害。

朝陽(yáng)1號(hào)隧道(長(zhǎng)420 m)是我國(guó)第1座在隧底下設(shè)深埋水溝排水的隧道，運(yùn)營(yíng)多年隧道未出現(xiàn)滲漏水，冬季無(wú)掛冰現(xiàn)象，襯砌完好無(wú)損。

西羅奇嶺2號(hào)隧道(長(zhǎng)1 160 m)采用泄水洞和保溫水溝排水。開通運(yùn)營(yíng)后，襯砌背后積水結(jié)冰凍脹，造成襯砌開裂、破碎，甚至襯砌拱頂坍塌中斷行車； 同時(shí)，隧道內(nèi)陰暗潮濕環(huán)境使得保溫水溝的保溫材料難以保持良好狀態(tài)，運(yùn)營(yíng)不到10年就大修。隧道出現(xiàn)凍害的原因是修建時(shí)未施作襯砌背后豎向和橫向排水盲溝及與泄水洞連接的排水系統(tǒng)。完善排水系統(tǒng)后，隧道凍害得到了緩解。

翠嶺2號(hào)隧道設(shè)置了泄水洞排水，但運(yùn)營(yíng)7年后，襯砌背后出現(xiàn)了大量結(jié)冰、拱墻掛冰現(xiàn)象。原因是泄水洞位置處多年平均地溫為-3.0 ℃，泄水洞內(nèi)空氣多年最低溫度為-2.5 ℃，流入泄水洞內(nèi)的地下水溫僅為0.4 ℃，加之水量較小(73 m3/d)，流速較低，導(dǎo)致泄水洞內(nèi)每年均會(huì)結(jié)冰，且夏季不能融化，7年后結(jié)冰塞滿堵死泄水洞，并蔓延至隧道內(nèi)，導(dǎo)致襯砌背后結(jié)冰凍脹、拱墻掛冰。后定期清理泄水洞積冰，隧道凍害得到大大緩解。因此，泄水洞位置處多年平均地溫低于0 ℃且水量較小時(shí)應(yīng)考慮防凍措施。

1.2.3 天山公路隧道

G217線北疆獨(dú)山子至庫(kù)車段公路(天山公路)翻越天山山脈時(shí)修建了3座公路隧道，分別為哈希勒根隧道(340 m)、玉希莫勒蓋隧道(1 110 m)和鐵力買提隧道(1 895 m)。其中，哈希勒根隧道海拔3 400 m，是我國(guó)當(dāng)時(shí)海拔最高的公路隧道；鐵力買提隧道是我國(guó)當(dāng)時(shí)最長(zhǎng)的公路隧道。

玉希莫勒蓋隧道位于高海拔季節(jié)性凍土區(qū)，歷史最低氣溫-50 ℃，最冷月平均氣溫-17 ℃，年平均氣溫1.2 ℃，最大季節(jié)性凍土深度為2.5 m，年平均降雨量1 000 mm。隧址區(qū)圍巖較破碎，處于山體匯水區(qū)域，地表與地下水較發(fā)育。限于當(dāng)時(shí)技術(shù)條件，修建時(shí)未考慮防凍問(wèn)題。隧道于1983年8月建成，9月出現(xiàn)路面結(jié)冰、洞頂掛冰現(xiàn)象，導(dǎo)致車輛無(wú)法通行。多年來(lái)，反復(fù)凍融破壞，拱頂出現(xiàn)冰錐，邊墻出現(xiàn)冰溜，襯砌開裂、破碎和剝落，底板冒水結(jié)冰，襯砌結(jié)構(gòu)破壞非常嚴(yán)重，最終隧道形成冰塞而報(bào)廢，公路改為翻山通過(guò)。

2008年5月，在報(bào)廢隧道附近修建了長(zhǎng)1 943 m的新玉希莫勒蓋隧道，用時(shí)近6年(每年5個(gè)月施工期)。為解決隧道凍害，主要采用了二次襯砌表面設(shè)保溫層+墻腳外側(cè)縱向排水盲溝+仰拱底深埋中心排水盲溝+豎向排水孔+排水橫洞+防寒泄水洞(長(zhǎng)2 091 m)+保溫出水口的防凍措施。新玉希莫勒蓋隧道防排水系統(tǒng)示意見圖2[6]。新隧道建成后，凍害總體較輕，但在冬季隧道局部滲漏水段仍存在掛冰現(xiàn)象，路面出現(xiàn)冰柱、冰錐現(xiàn)象。

圖2 新玉希莫勒蓋隧道防排水系統(tǒng)示意圖

1.2.4 南疆鐵路奎先隧道

南疆鐵路奎先隧道修建于20世紀(jì)七八十年代，其穿越天山中部分水嶺，長(zhǎng)6 154.16 m，洞口標(biāo)高2 982 m，設(shè)有5 716 m平行導(dǎo)坑。隧道圍巖為花崗巖、片麻巖、片巖，基巖裂隙和地下水發(fā)育，出口約700 m處為多年凍土層。隧址區(qū)年平均氣溫-3.8 ℃，年極端最低氣溫-33 ℃，最冷月平均氣溫-15.8 ℃，有7個(gè)月平均氣溫在0 ℃以下。

隧道兩端洞口各設(shè)500 m保溫水溝，并延伸至洞外，利用距出口570 m處的3#橫通道將正洞水引入平行導(dǎo)坑，在平行導(dǎo)坑內(nèi)設(shè)中央保溫水溝并延伸至洞外25 m。

隧道通車后的當(dāng)年冬季，平行導(dǎo)坑水溝凍結(jié)1 250 m，隧道水溝凍結(jié)2 870 m，道床積冰厚25 cm，中斷行車3 d。原因是洞外未施作防寒出水口，導(dǎo)致結(jié)冰從出水口蔓延至隧道和平行導(dǎo)坑內(nèi)，洞內(nèi)水溝的保溫材料遇水后導(dǎo)熱系數(shù)大大增加，保溫效果降低。為防止凍害，1980年，將隧道和平行導(dǎo)坑內(nèi)的長(zhǎng)3 859 m(隧道1 820 m，平行導(dǎo)坑1 299 m，多年凍土段740 m)防寒保溫水溝的保溫材料更換為瀝青玻璃棉，局部段加大溝底縱坡以提高水流速度，洞外采用保溫出水口以減少地下水沿途散熱；1984年，清理保溫水溝時(shí)，更換了導(dǎo)熱系數(shù)更低的保溫材料； 1985年，在保溫水溝內(nèi)增設(shè)了24組電加熱器主動(dòng)防凍，水溝防凍取得了較好的效果。

1.2.5 新建興安嶺隧道

20世紀(jì)90年代初，在既有興安嶺隧道旁新建了1座下行單線隧道，與既有興安嶺隧道形成雙洞單線隧道。下行隧道長(zhǎng)3 100 m，全隧采用中心深埋泄水洞排水，泄水洞底部距軌面3.50～4.96 m。2015年進(jìn)行病害整治時(shí)，在滲漏水嚴(yán)重地段增設(shè)了邊墻背后豎向碎石盲溝(100 cm×30 cm)+避車洞底排水豎井+橫向排水管。為了增強(qiáng)防水防寒效果，采取了碎石盲溝與襯砌間設(shè)防水板+聚氨酯保溫板+避車洞設(shè)保溫門+豎井頂設(shè)簡(jiǎn)易井蓋的措施[3]。新建興安嶺隧道排水系統(tǒng)示意見圖3。

1.2.6 大坂山公路隧道

大坂山公路隧道位于G227線青海大坂山越嶺段，修建于20世紀(jì)90年代中后期，長(zhǎng)1 530 m，設(shè)計(jì)標(biāo)高3 792.75 m，為當(dāng)時(shí)亞洲最高海拔的公路隧道。隧址區(qū)屬內(nèi)陸高寒季風(fēng)氣候，年平均氣溫-3.1 ℃，最冷月平均氣溫-25.6 ℃，極端最低氣溫-34 ℃，最大積雪厚200 cm，年降雨量841.4 mm，平均風(fēng)速1.2～2.5 m/s，最大風(fēng)速20 m/s。隧道處于多年凍土與季節(jié)性凍土接觸帶，季節(jié)性凍土凍融深度為2.5～4.5 m。

圖3 新建興安嶺隧道排水系統(tǒng)示意圖

為防止凍害，大坂山隧道采取了富水段注漿堵水+邊墻腳外側(cè)和仰拱底設(shè)深埋中心排水盲溝+豎向泄水鉆孔+泄水橫洞+泄水洞+保溫出水口+隔風(fēng)保溫門+二次襯砌表面設(shè)復(fù)合保溫層(PU泡沫塑料保溫層+玻璃鋼結(jié)構(gòu))+防雪保溫棚等防寒保溫措施，取得了良好的防凍效果。大坂山隧道防排水系統(tǒng)示意見圖4[7]。

圖4 大坂山隧道防排水系統(tǒng)示意圖

經(jīng)過(guò)10多年運(yùn)營(yíng)，隧道出現(xiàn)了較嚴(yán)重的滲漏水、掛冰和襯砌裂損及保溫層破損現(xiàn)象。2008年，通過(guò)采用加密加長(zhǎng)泄水橫洞+增設(shè)豎向橫向泄水孔+完善洞口排水系統(tǒng)+鑿槽埋管引排+封堵裂縫措施進(jìn)行了滲漏水整治，將原有的保溫層換成FL保溫材料+纖維板，推拉保溫門更換為自動(dòng)卷簾保溫門[8]。經(jīng)過(guò)整治，取得了較好的防凍效果。

1.3 2000年以后建成的寒區(qū)山嶺交通隧道

1.3.1 青藏鐵路隧道

分別建成于2002年和2003年的青藏鐵路風(fēng)火山隧道和昆侖山隧道為典型的高寒高海拔多年凍土區(qū)隧道。風(fēng)火山隧道長(zhǎng)1 338 m，最高海拔4 905 m，年平均氣溫-6.11 ℃，極端最低氣溫-37.7 ℃；昆侖山隧道長(zhǎng)1 686 m，最高海拔4 666 m，年平均氣溫-5.2 ℃，極端最低氣溫-23.6 ℃。2座隧道穿越多年凍土區(qū)，地層冰的體積分?jǐn)?shù)為10%～50%。

2座隧道的防凍措施主要為在初期支護(hù)和二次襯砌間設(shè)置隔熱保溫層(防水層+隔熱層+防水保護(hù)層)，以減少二次襯砌和圍巖熱交換。地下水以堵為主，以排為輔，洞內(nèi)采用雙側(cè)保溫水溝，側(cè)溝采用雙層蓋板，上下層蓋板間設(shè)PU聚氨酯泡沫保溫材料。

風(fēng)火山隧道防排水系統(tǒng)示意見圖5[9]。洞內(nèi)水通過(guò)洞口的保溫管和保溫出水口排出，出水口選在背風(fēng)向陽(yáng)處。

圖5 風(fēng)火山隧道防排水系統(tǒng)示意圖

施工期間開挖揭示，昆侖山隧道并非全部穿越多年凍土層，如地表沖溝淺埋段位于季節(jié)性融化層，埋深較淺段的隧道周邊融化圈和地面季節(jié)性融化層貫通，擴(kuò)展了季節(jié)性融化層；另外，因施工擾動(dòng)使凍土上限下移，進(jìn)而擴(kuò)大了季節(jié)性融化層。針對(duì)這些段落的地下水進(jìn)行了嚴(yán)密注漿封堵。自2006年7月開通至今，隧道運(yùn)營(yíng)狀況良好。

1.3.2 四川西部高海拔寒區(qū)隧道

進(jìn)入21世紀(jì)后，四川西部高海拔寒區(qū)建成了一批公路隧道和鐵路隧道。公路隧道主要有鷓鴣山隧道、巴朗山隧道、雀兒山隧道等，鐵路隧道主要有成蘭鐵路隧道群。不同于西北、東北高緯度寒區(qū)，川西高海拔隧址區(qū)一般日照豐富，多屬季節(jié)性凍脹凍融，一年中夏季和冬季溫差大，晝夜溫差大，洞外氣候受地形地貌、日照、植被、風(fēng)向和雨雪影響大，很多長(zhǎng)大越嶺隧道進(jìn)出口氣候差異較大。

1.3.2.1 鷓鴣山隧道

G317線(川藏公路北線)鷓鴣山隧道長(zhǎng)4 423 m，洞身最高海拔3 356 m，左側(cè)30 m設(shè)貫通平行導(dǎo)坑，于2004年建成通車。隧址區(qū)屬北溫帶，歷年平均氣溫3.3～3.8 ℃，每年9月至次年4月為冬季，平均氣溫-5～-15 ℃，最冷月歷年平均氣溫-6.9 ℃，極端最低氣溫-31.1 ℃。凍結(jié)最大深度為1.01 m，最大積雪厚47 cm，屬季節(jié)性凍脹凍融區(qū)。2000—2005年，針對(duì)G317線鷓鴣山隧道工程，建設(shè)各方開展了一系列綜合防凍技術(shù)研究，形成了保溫、排水、堵水及結(jié)構(gòu)抗凍脹的隧道綜合防凍技術(shù)。隧道主要采取了如下防凍技術(shù)[10]：

1)采取措施阻隔地下水流向隧道凍融圈，如隧道出口淺埋富水冰川泥石流堆積體段采用地表鋼花管注漿、高壓旋噴、地下盲溝等措施阻隔凍融圈外的地下水流入。

2)加強(qiáng)防凍段隧道與平行導(dǎo)坑防水措施，尤其加強(qiáng)施工縫與變形縫防水。

3)加快防凍段隧道與平行導(dǎo)坑排水，加密排水盲溝、縮短排水距離，防止出現(xiàn)積水。

4)防凍段隧道與平行導(dǎo)坑采用埋于凍結(jié)線下的保溫中心溝排水，洞外采用保溫出水口排水。

5)通過(guò)風(fēng)流在平行導(dǎo)坑及隧道中部吸熱、在隧道防凍段散熱的方式提高防凍段溫度，減輕凍害。

6)連續(xù)2年監(jiān)測(cè)隧道貫通前后洞內(nèi)外溫度，二次襯砌表面、背面及一定深度范圍內(nèi)的巖溫，結(jié)合理論分析、數(shù)值模擬確定隧道防凍長(zhǎng)度[11]。

7)防凍段隧道和平行導(dǎo)坑襯砌表面敷設(shè)保溫隔熱層(見圖6)。通過(guò)理論分析、模擬計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，選聚酚醛泡沫作為主要保溫隔熱材料[12]。

圖6 敷設(shè)保溫隔熱層后的隧道

采取以上防凍措施后，鷓鴣山隧道運(yùn)營(yíng)期間滲漏水較少，凍害較輕，無(wú)明顯凍害現(xiàn)象。但對(duì)保溫隔熱層維修時(shí)發(fā)現(xiàn)，隧道二次襯砌表面局部分布有細(xì)微淺表裂紋，說(shuō)明局部仍存在凍害現(xiàn)象，且對(duì)結(jié)構(gòu)混凝土造成了一定損傷。

1.3.2.2 巴朗山隧道

S303線巴郎山隧道長(zhǎng)7 950 m，平行導(dǎo)坑長(zhǎng)7 955 m，洞口海拔3 850 m。隧道于2016年建成通車。隧址區(qū)年平均氣溫在5 ℃以下，進(jìn)口最冷月平均氣溫-11.8～-12.5 ℃，出口最冷月平均氣溫-6.6～-7.3 ℃，極端最低溫度-32 ℃。冬季長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月(11月—次年4月)，平均積雪100 d以上，最大凍結(jié)深度為1.2 m，屬季節(jié)性凍脹凍融區(qū)。

巴朗山隧道在借鑒G317線鷓鴣山隧道防凍技術(shù)的基礎(chǔ)上，還采取了如下措施：

1)在隧道進(jìn)出口各建一個(gè)氣象觀測(cè)站，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)1年的風(fēng)向、風(fēng)速、大氣壓力、空氣溫度和空氣濕度等氣象參數(shù)[13]，為隧道通風(fēng)、防凍提供了較為準(zhǔn)確的基礎(chǔ)資料。

2)采用通風(fēng)-滲流-溫度場(chǎng)耦合理論數(shù)值分析、室內(nèi)模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，掌握了隧址區(qū)施工前的巖體初始溫度場(chǎng)、施工后地下水的滲流場(chǎng)、自然通風(fēng)條件下洞內(nèi)溫度場(chǎng)及圍巖溫度場(chǎng)規(guī)律[14]，確定了隧道與平行導(dǎo)坑的防凍長(zhǎng)度，并采取了將中心水溝置于仰拱下的措施。

3)采用二維瞬態(tài)傳熱理論，計(jì)算極端最低氣溫下距洞口10 m處的圍巖最大凍結(jié)深度和襯砌內(nèi)表面保溫層厚度。

采取以上防凍措施后，除隧道洞口附近路面存在局部暗冰外，尚未發(fā)現(xiàn)其他明顯凍害。

1.3.3 西藏高原嘎隆拉隧道

嘎隆拉隧道是西藏波密扎木至墨脫公路穿越嘎隆拉雪山而修建的三級(jí)越嶺公路隧道，全長(zhǎng)3 310 m，進(jìn)口標(biāo)高3 775 m，出口標(biāo)高3 645 m，自進(jìn)口向出口單向下坡，坡度4.1%，2010年建成通車。

隧址區(qū)位于青藏高原寒冷氣流和印度洋暖濕氣流交接處，嘎隆拉山脈阻擋了二者交匯融合。隧道進(jìn)口受高原寒冷氣流的影響，屬半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候；出口受印度洋暖濕氣流的控制，屬亞熱帶濕潤(rùn)氣候。進(jìn)出口氣候差異大。

隧道進(jìn)口穿越現(xiàn)代海洋性冰川地層，一年冰凍期8個(gè)月，多年平均氣溫1.1 ℃，最冷月(1月)平均氣溫-7.6 ℃，最熱月(7月)平均氣溫9.0 ℃；極端最高氣溫23.6 ℃，極端最低氣溫-27.7 ℃；晝夜溫差大，溫度垂直變化明顯，海拔每升高100 m氣溫下降0.74 ℃。冰凍層平均厚5～6 m，最厚15 m，屬季節(jié)性凍脹凍融區(qū)。

隧道出口多年平均氣溫18 ℃，最冷月(1月)平均氣溫8.4 ℃，屬溫和區(qū)。年降雨量約2 260 mm，5—9月為雨季，11月至次年1月為旱季，降水稀少，以降雪為主。

為防凍害，嘎隆拉隧道主要采取了以下措施[15]：

1)通過(guò)考慮風(fēng)流影響的溫度-滲流-應(yīng)力-損傷(THMD)耦合模型，模擬施工前隧址區(qū)巖溫場(chǎng)、施工后隧道結(jié)構(gòu)與圍巖溫度場(chǎng)以及不同季節(jié)的凍脹力，確定隧道防凍長(zhǎng)度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

2)隧道洞口設(shè)2道保溫門，加強(qiáng)防凍段防排水措施，加密變形縫。

3)防凍段隧道表面設(shè)保溫隔熱層。

4)隧道進(jìn)口防凍段中心排水溝設(shè)于仰拱下。

5)隧道出口下設(shè)168 m斜向泄水洞，將洞內(nèi)中心溝水引至洞外自然溝排出，泄水洞與洞內(nèi)中心溝之間采用豎向集水井連接。

1.3.4 寒區(qū)高鐵隧道

近年來(lái)，隨著高速鐵路建設(shè)向高緯度和高海拔寒區(qū)延伸，我國(guó)寒區(qū)高鐵隧道的防凍技術(shù)得到了進(jìn)一步發(fā)展。

1.3.4.1 高緯度寒區(qū)高鐵隧道

通過(guò)調(diào)查我國(guó)東北高緯度寒區(qū)哈達(dá)高鐵、京沈客專等9條高鐵隧道發(fā)現(xiàn)，隧址區(qū)最冷月平均氣溫為-23.4～-4.8 ℃，最大凍結(jié)深度為1.00～2.46 m。采取的措施有加強(qiáng)防凍段結(jié)構(gòu)、增設(shè)保溫層、圍巖注漿堵水、深埋中心溝、保溫中心溝和保溫側(cè)溝等，具體如下[16]：

1)將最冷月平均氣溫低于-15 ℃地區(qū)的隧道洞口1 000 m段(如哈佳客運(yùn)專線、哈牡鐵路等)、最冷月平均氣溫-5～-15 ℃地區(qū)的隧道洞口500～800 m段(如京沈、沈丹、吉圖琿、張呼客運(yùn)專線等)、淺埋偏壓斷層破碎帶(如丹大鐵路、張呼客運(yùn)專線沈丹客運(yùn)專線)設(shè)為抗凍設(shè)防段，二次襯砌采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，襯砌混凝土抗凍性指標(biāo)不低于 F300，考慮凍脹力時(shí)加強(qiáng)了環(huán)向和縱向鋼筋。

2)最冷月平均氣溫低于-15 ℃地區(qū)的隧道抗凍設(shè)防段或洞口段二次襯砌與初期支護(hù)之間設(shè)置了厚4～5 cm保溫板，如吉圖琿客運(yùn)專線和哈佳鐵路等。

3)最冷月平均氣溫低于-15 ℃地區(qū)的隧道抗凍設(shè)防段多采用了拱墻或全環(huán)圍巖注漿的方式減少地下水，最冷月平均氣溫-5～-15 ℃地區(qū)的隧道抗凍設(shè)防段多根據(jù)地下水賦存狀態(tài)確定注漿堵水措施。

4)對(duì)于最冷月平均氣溫-5～-15 ℃地區(qū)的隧道，當(dāng)長(zhǎng)度小于2 km時(shí)一般全部設(shè)置中心深埋水溝； 長(zhǎng)度大于2 km的隧道洞口端800～1 000 m段設(shè)中心深埋水溝。最冷月平均氣溫低于-15 ℃地區(qū)的多數(shù)隧道全段設(shè)置中心深埋水溝，少數(shù)隧道在洞口1 000～2 000 m處設(shè)置中心深埋水溝，中心深埋水溝埋置于凍結(jié)深度以下。設(shè)在仰拱結(jié)構(gòu)內(nèi)的中心水溝和側(cè)溝均采取了保溫措施。

1.3.4.2 高海拔寒區(qū)高鐵隧道——祁連山隧道

2014年建成的蘭新高鐵祁連山隧道長(zhǎng)9 490 m，位于青海門源縣青藏高原季節(jié)性凍土區(qū)，最大凍結(jié)深度為2.3 m。年平均氣溫4.8 ℃，隧道進(jìn)口最冷月平均氣溫-23 ℃，極端最低氣溫-37.9 ℃，冬季長(zhǎng)達(dá)7個(gè)月。軌面最大高程3 574 m。隧道主要采取了如下防凍措施[17]：

1)襯砌結(jié)構(gòu)。進(jìn)出口1 000 m范圍內(nèi)為防凍段，采用了內(nèi)置式保溫防凍脹襯砌結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式為初期支護(hù)+模筑混凝土+防水板+厚5 cm保溫層+防水板+二次襯砌，采用了“膠粘+縱向鋼絲懸掛+環(huán)向安裝鋼架支頂法無(wú)釘鋪設(shè)防水保溫層”工藝施工復(fù)合防水保溫層。

2)泄水洞。隧道進(jìn)出口分別設(shè)長(zhǎng)1 800 m和1 500 m的防寒泄水洞，除進(jìn)口端泄水洞自隧道左側(cè)斜向伸入正洞(距洞口300 m)下方外，其余段均沿隧道中線布置。泄水洞縱坡與隧道相同，凈空尺寸為2.2 m×2.5 m(寬×高)，泄水洞縱向每隔250 m設(shè)1處泄水洞橫通道+豎向泄水管(豎向連接中心水溝與側(cè)溝)引排正洞溝水。為防自身結(jié)冰，泄水洞內(nèi)還增設(shè)了徑向泄水孔(用來(lái)排出隧底圍巖水)+支導(dǎo)洞+保溫檢查井+保溫出水口。

3)保溫中心水溝。對(duì)隧道兩端洞口段中心水溝和檢查井采取保溫措施，長(zhǎng)度同泄水洞，中心水溝保溫措施為鋼筋混凝土排水管外裹6 cm厚聚乙烯泡沫保溫層+瀝青防潮層+鋁皮保護(hù)層，檢查井保溫措施為雙層蓋板，中間夾20 cm厚聚氨酯保溫板，下層蓋板采用瀝青油浸制木板。

4)保溫側(cè)溝。隧道進(jìn)出口1 000 m范圍內(nèi)排水側(cè)溝采用雙層蓋板夾聚氨酯泡沫保溫。因出口側(cè)溝水量較大，施工期間在左右側(cè)溝內(nèi)各設(shè)2根伴熱電纜輔助加熱，洞口600 m內(nèi)采用自動(dòng)溫控，其余400 m采用人工控制，在聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間敷設(shè)完成。

運(yùn)營(yíng)后發(fā)現(xiàn)，局部保溫襯砌拱墻、側(cè)溝壁與道床板施工縫、道床板間和道床板內(nèi)存在滲漏水、冬季掛(結(jié))冰及泄水洞口結(jié)冰現(xiàn)象，嚴(yán)重影響隧道運(yùn)營(yíng)安全，為此補(bǔ)充了如下措施。

1)滲漏水處徑向5 m范圍內(nèi)采用圍巖注漿堵水+側(cè)溝與道床施工縫針管注漿堵水+墻腳泄水孔泄水+修復(fù)橫向排水盲管+中心溝泄水孔引排措施。

2)延長(zhǎng)低端洞口泄水洞(500 m)+泄水洞口增設(shè)陽(yáng)光采暖保溫棚。

3)根據(jù)運(yùn)營(yíng)期間現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控及工務(wù)段聯(lián)合排查發(fā)現(xiàn)，伴熱電纜末端外1 500 m范圍的側(cè)溝有5～15 cm厚結(jié)冰，局部段結(jié)冰涌出蓋板，為此延長(zhǎng)伴熱電纜至結(jié)冰終點(diǎn)。

采取以上措施后，達(dá)到了較好的防凍效果，保證了行車安全。

2 隧道凍害研究?jī)?nèi)容與現(xiàn)狀

從以上典型寒區(qū)隧道來(lái)看，凍害主要表現(xiàn)為洞內(nèi)結(jié)(掛)冰、隧道圍巖與結(jié)構(gòu)凍損、地基凍脹融沉等。凍害產(chǎn)生的原因十分復(fù)雜。苑郁林等[18]研究認(rèn)為，隧道產(chǎn)生凍害需具備能夠使孔隙水凍結(jié)的負(fù)溫場(chǎng)、足夠的水供給和圍巖凍融敏感性3個(gè)條件。其中，每個(gè)條件受多因素影響與控制，分述如下：

1)能夠使孔隙水凍結(jié)的負(fù)溫場(chǎng)。隧道內(nèi)是否產(chǎn)生負(fù)溫場(chǎng)受洞外氣象因素、運(yùn)營(yíng)因素和圍巖地溫影響。其中，洞外氣象因素主要包括大氣溫度、自然風(fēng)向與風(fēng)速；運(yùn)營(yíng)因素包括公路交通組織(交通量、交通組成與行車方向)、鐵路行車組織(行車密度、速度與方向)和運(yùn)營(yíng)通風(fēng)(自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng))。

2)足夠的水分供給與遷移。由巖土與混凝土的凍害機(jī)制可知，圍巖和混凝土發(fā)生凍害伴隨著水分遷移，水分遷移不僅會(huì)增加結(jié)冰水體積和水冰相變產(chǎn)生的膨脹力，而且會(huì)損傷巖土和混凝土微觀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致凍害更嚴(yán)重。因此，要減少或阻隔地下水遷移至隧道周邊。

3)圍巖凍融敏感性。凍融敏感性是指圍巖凍脹幅度和融化后的弱化幅度。凍融敏感性與巖性、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和完整性等因素相關(guān)。一般含水土層、砂礫中微小顆粒含量越高，其凍融敏感性越強(qiáng)，例如： 粉土、砂礫凍融敏感性較碎石高；巖石中一般裂隙水占巖石體積越小，凍融敏感性越低，尤其是堅(jiān)硬巖石凍融敏感性極低。

隧道是否發(fā)生凍害需綜合以上3個(gè)條件判斷，缺一不可。因此，國(guó)內(nèi)隧道凍害研究主要集中在隧道溫度場(chǎng)時(shí)空分布規(guī)律、圍巖與隧道結(jié)構(gòu)凍害損傷機(jī)制和凍害傳導(dǎo)途徑3個(gè)方面。

2.1 隧道溫度場(chǎng)時(shí)空分布規(guī)律研究與現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)隧道溫度場(chǎng)時(shí)空分布規(guī)律研究主要集中在洞內(nèi)空氣、隧道結(jié)構(gòu)與圍巖2個(gè)部分，研究方法主要采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和理論分析為主。

2.1.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究

國(guó)內(nèi)一批研究者先后在東北、西北、華北、川西高原和青藏高原等寒區(qū)多座鐵路隧道與公路隧道進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)試。測(cè)試多在運(yùn)營(yíng)通車后進(jìn)行，測(cè)試時(shí)間一般為1～2年，測(cè)試內(nèi)容主要包括洞內(nèi)外空氣溫度、襯砌結(jié)構(gòu)溫度與圍巖溫度。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合出的洞內(nèi)外溫度隨時(shí)間、隧道縱向、徑向的主要變化規(guī)律總結(jié)如下。

1)洞外氣溫、圍巖地溫、自然風(fēng)、洞內(nèi)風(fēng)流、列車密度和隧道埋深等因素都影響著寒區(qū)隧道洞內(nèi)的溫度場(chǎng)。運(yùn)營(yíng)期間的鐵路隧道洞內(nèi)溫度場(chǎng)受列車運(yùn)行影響較大。盧煒[19]通過(guò)實(shí)測(cè)哈大高鐵中長(zhǎng)隧道(長(zhǎng)2 440 m)晝夜溫度發(fā)現(xiàn)，白天運(yùn)行密度大、夜間停運(yùn)的寒區(qū)高鐵隧道冬季溫度場(chǎng)與普通鐵路有很大差異，列車高速運(yùn)行時(shí)隧道內(nèi)外溫差縮小，停運(yùn)后洞內(nèi)氣溫會(huì)逐漸回升，隧道內(nèi)溫度呈周期性循環(huán)變化。高焱等[20]計(jì)算發(fā)現(xiàn)列車行車速度、行車頻率與隧道抗凍設(shè)防長(zhǎng)度呈線性分布關(guān)系。但楊波等[21]通過(guò)實(shí)測(cè)吉琿客專拉法山特長(zhǎng)隧道(長(zhǎng)10 035 m)、石門長(zhǎng)隧道(6 263 m)的洞內(nèi)溫度發(fā)現(xiàn)，列車運(yùn)行對(duì)隧道內(nèi)空氣溫度影響不大。列車對(duì)隧道內(nèi)溫度場(chǎng)的影響之所以出現(xiàn)顯著不同，是因?yàn)榱熊嚮钊L(fēng)引入洞外冷空氣的長(zhǎng)度及分布范圍不同。根據(jù)李炎[22]研究并經(jīng)大量計(jì)算表明： ①當(dāng)雙線鐵路隧道長(zhǎng)度為2.5～20.0 km且不考慮自然風(fēng)時(shí)，單列普速列車通過(guò)時(shí)活塞風(fēng)引入冷空氣的長(zhǎng)度為隧道長(zhǎng)度的15%～30%； 上下行列車同時(shí)進(jìn)出洞時(shí)，引入的冷空氣長(zhǎng)度很小(幾乎可忽略不計(jì))； 上下行列車間隔進(jìn)出洞時(shí)，引入的冷空氣長(zhǎng)度位于二者之間，行車密度越大，時(shí)間間隔越小，列車活塞風(fēng)引入的冷空氣長(zhǎng)度越小(主要分布在洞口一小段范圍)。考慮自然風(fēng)時(shí)，自然順風(fēng)方向端洞口引入冷空氣的長(zhǎng)度較自然反風(fēng)端洞口大。②對(duì)單線隧道而言，單列普速列車通過(guò)時(shí)引入冷空氣的長(zhǎng)度為隧道長(zhǎng)度的18%～36%，雙向行車的單線隧道引入冷空氣的分布規(guī)律同雙線隧道；單向行車的單線隧道內(nèi)活塞風(fēng)方向不變，將持續(xù)引入冷空氣，不考慮自然風(fēng)時(shí)，通行3～6趟列車，隧道內(nèi)空氣將全部換成冷空氣，因此，行車密度高的單向行車單線隧道洞身可能出現(xiàn)負(fù)溫。天窗時(shí)段的鐵路隧道和沒有機(jī)械通風(fēng)的公路隧道內(nèi)溫度場(chǎng)受自然風(fēng)影響大，尤其是冬季持續(xù)主導(dǎo)風(fēng)向與隧道軸線夾角越小，自然風(fēng)越大，隧道越短，影響越劇烈。

2)洞門附近洞內(nèi)溫度場(chǎng)受外界溫度影響大，洞外溫度越低且洞內(nèi)外空氣交換越多，影響到的隧道縱向長(zhǎng)度越大。

3)在分析歸納總結(jié)多座隧道溫度測(cè)試結(jié)果的基礎(chǔ)上，吳紫汪等[23]、陳建勛[24]、陳宏偉等[17]均認(rèn)為冬季多數(shù)寒區(qū)隧道洞內(nèi)縱向溫度場(chǎng)多呈拋物線或V形分布，其開口方向和開口大小受氣象、圍巖溫度與運(yùn)營(yíng)因素控制。洞內(nèi)溫度多呈“冬暖夏涼”，即洞身冬季溫度一般較洞口高，夏季較洞口低；且進(jìn)風(fēng)端洞口低溫段長(zhǎng)度較出風(fēng)端長(zhǎng)。

4)季節(jié)性凍土區(qū)隧道結(jié)構(gòu)與圍巖溫度沿徑向逐漸升高，呈指數(shù)或線性變化，徑向凍結(jié)深度從洞口向洞身逐漸減小。多年凍土區(qū)隧道暖季的徑向溫度一般逐漸降低，離結(jié)構(gòu)越遠(yuǎn)，溫度越低。

2.1.2 理論分析研究

我國(guó)寒區(qū)隧道溫度場(chǎng)理論計(jì)算分析發(fā)展較快，從解析法發(fā)展到數(shù)值分析法，從一維、二維發(fā)展到三維，從單介質(zhì)發(fā)展到多介質(zhì)耦合分析。

20世紀(jì)末，賴遠(yuǎn)明等[25]建立了考慮相變溫度場(chǎng)和滲流場(chǎng)耦合控制的微分方程，并應(yīng)用Galerkin法導(dǎo)出有限元計(jì)算公式，用量綱量為1的量和攝動(dòng)技術(shù)求出了寒區(qū)圓形截面隧道溫度場(chǎng)分布； 且一些學(xué)者對(duì)設(shè)置保溫層前后的隧道襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖溫度場(chǎng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算比較分析。

在巖土工程溫度場(chǎng)、滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)(THM)耦合研究成為國(guó)際巖石力學(xué)熱點(diǎn)后，國(guó)內(nèi)學(xué)者也開始積極投入到寒區(qū)隧道THM研究中，并取得了較大進(jìn)展，例如巖土介質(zhì)多場(chǎng)耦合理論、耦合數(shù)學(xué)模型、數(shù)值模擬計(jì)算等。其中，張學(xué)富等[26]建立了寒區(qū)隧道空氣與圍巖對(duì)流換熱和圍巖熱傳導(dǎo)耦合三維模型，并編制計(jì)算軟件對(duì)風(fēng)火山隧道的空氣與圍巖對(duì)流換熱和圍巖熱傳導(dǎo)耦合進(jìn)行了三維分析，得出了隧道內(nèi)溫度場(chǎng)分布規(guī)律。譚賢君等[27]推導(dǎo)出非飽和巖土THM耦合作用下的力學(xué)平衡方程、質(zhì)量守恒方程與能量守恒方程，并將該模型用于分析豎井開挖支護(hù)過(guò)程中； 同時(shí)，推導(dǎo)出考慮通風(fēng)影響的寒區(qū)隧道圍巖溫度場(chǎng)模型及其控制方程，在此基礎(chǔ)上，研究了西藏嘎隆拉隧道通風(fēng)條件下圍巖溫度場(chǎng)的變化規(guī)律及防寒保溫措施。

2.2 圍巖與隧道結(jié)構(gòu)凍害損傷機(jī)制研究與現(xiàn)狀

2.2.1 圍巖凍害損傷機(jī)制研究

隧道圍巖分為土體和巖體2類，它們?cè)趦鋈跅l件下?lián)p傷機(jī)制顯著不同。

2.2.1.1 土體凍害損傷機(jī)制

土體是由固體顆粒、水和氣體3個(gè)部分組成的散體多孔三相物質(zhì)，固體顆粒構(gòu)成土的骨架，水與空氣充填于土骨架間的孔隙中。當(dāng)土體內(nèi)水溫低于0 ℃后，土中部分水結(jié)冰，水變冰體積膨脹9%，對(duì)周圍土顆粒產(chǎn)生擠壓，破壞土顆粒之間的膠結(jié)，使土顆粒發(fā)生位移甚至破碎變形，孔隙形態(tài)隨之改變。更重要的是，凍融循環(huán)過(guò)程還伴隨有水分遷移，水分遷移使凍融循環(huán)對(duì)土結(jié)構(gòu)性損傷破壞變得更加復(fù)雜和嚴(yán)重。不同的含水率、孔隙率和固體顆粒物性質(zhì)、未凍水含量、水分遷移量及其重分布對(duì)土體凍害損傷程度也不同。

對(duì)于季節(jié)性凍土區(qū)隧道，當(dāng)周邊土體疏松(冰體周邊約束不強(qiáng))、地下水不發(fā)育時(shí)，水變冰膨脹產(chǎn)生的膨脹力主要作用于土粒結(jié)構(gòu)上，作用在隧道結(jié)構(gòu)上的凍脹力較小，土體強(qiáng)度因結(jié)冰增加了土體顆粒間的連接力而增加，圍巖自穩(wěn)能力增強(qiáng)。當(dāng)隧道周邊地下水發(fā)育、土體較完整(冰水體周邊約束較強(qiáng))時(shí)，初期階段土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高，能“抵御”水冰相變產(chǎn)生的部分膨脹力，作用在隧道結(jié)構(gòu)上的凍脹力較??； 但隨著時(shí)間推移，越來(lái)越多水分遷移到隧道周邊土體內(nèi)，隨著凍融次數(shù)增多，土體結(jié)構(gòu)完整性逐漸遭到破壞，自身強(qiáng)度越來(lái)越低，“抵御”能力越來(lái)越弱，最終作用在隧道結(jié)構(gòu)上的凍脹力會(huì)越來(lái)越大。當(dāng)土體內(nèi)溫度繼續(xù)降低，土中0 ℃等溫線逐漸向圍巖深部擴(kuò)展，隧道周邊0 ℃以下土層越來(lái)越厚，形成隧道凍結(jié)圈層。

2.2.1.2 巖體凍害損傷機(jī)制

本質(zhì)上，巖石是一種包含固體骨架、孔隙和水的多孔混合介質(zhì)，所有巖體含有宏觀(節(jié)理、裂隙、結(jié)構(gòu)面)、細(xì)觀(孔隙、微裂隙)和微觀(缺陷)初始損傷。

與土體凍害損傷機(jī)制相比，目前關(guān)于巖體凍害損傷機(jī)制的研究相對(duì)較少。巖石凍害損傷是一個(gè)涉及力學(xué)、物理學(xué)和化學(xué)作用并伴隨水相變化、遷移和熱量傳輸?shù)膹?fù)雜的溫度-水-力耦合過(guò)程。從微觀與細(xì)觀上來(lái)看，巖體凍害損傷就是巖體內(nèi)部微觀缺陷、細(xì)觀微裂縫與孔隙在凍害作用下逐漸形成的宏觀裂縫的過(guò)程。鄧紅衛(wèi)等[28]認(rèn)為巖體與土的根本區(qū)別就是巖體中含有裂隙，影響巖體凍脹特性的主要因素是裂隙冰。水分在巖體裂隙中凍結(jié)成冰從而產(chǎn)生凍脹力，當(dāng)凍脹力超過(guò)裂隙擴(kuò)展閾值時(shí)會(huì)驅(qū)動(dòng)巖體裂隙擴(kuò)展，甚至導(dǎo)致整個(gè)巖體凍裂破壞；當(dāng)溫度回升時(shí)，巖石裂隙冰融化，引起凍脹力降低和水分遷移。這種凍融循環(huán)往復(fù)致使巖石強(qiáng)度和剛度無(wú)法抵抗內(nèi)部應(yīng)力變化，巖體局部損傷區(qū)域會(huì)擴(kuò)張連通形成更大裂縫，導(dǎo)致巖石開裂或剝落。其中，裂隙巖體中水分遷移機(jī)制、凍脹力值及其萌生消散機(jī)制、裂隙凍融開裂擴(kuò)展機(jī)制和巖體多次凍融強(qiáng)度損失及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)等是巖體凍害損傷研究的關(guān)鍵問(wèn)題。劉泉聲等[29]在這幾個(gè)方面進(jìn)行了系統(tǒng)歸納分析，并對(duì)裂隙巖體凍融損傷研究中亟待解決的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行了探討。閻錫東等[30]基于斷裂力學(xué)理論建立了單條微裂隙下凍融損傷彈塑性本構(gòu)模型，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。譚賢君等[31]建立了考慮凍脹壓力和凍融循環(huán)對(duì)巖體劣化損傷影響的巖體THMD(溫度-滲流-應(yīng)力-損傷)耦合模型，并對(duì)嘎隆拉隧道圍巖不同凍融循環(huán)次數(shù)后凍脹力的變化規(guī)律、隧道結(jié)構(gòu)變形與受力特征進(jìn)行了分析。同一時(shí)期，部分學(xué)者還先后研究了不同巖性巖體細(xì)觀結(jié)構(gòu)凍害損傷、凍融損傷識(shí)別方法與手段及研究等。

從宏觀上看，針對(duì)隧道巖土凍脹力，目前國(guó)內(nèi)存在3種假說(shuō)： 1)巖石圈層整體凍脹凍融說(shuō)(凍脹理論模型見圖7)。這種假說(shuō)認(rèn)為在隧道周邊有一巖石凍結(jié)圈，凍結(jié)圈中巖石孔隙充滿地下水，當(dāng)巖石圈中水結(jié)冰后將整體膨脹，從而對(duì)隧道襯砌產(chǎn)生凍脹力。2)局部存水凍脹說(shuō)(凍脹理論模型見圖8)。這種假說(shuō)認(rèn)為凍脹力主要由襯砌背后積水結(jié)冰膨脹引起，由于開挖面不平整、初期支護(hù)不平順以及防水板鋪設(shè)等原因，使得襯砌背后存在局部空腔積水，一旦這些空腔積水結(jié)冰膨脹即產(chǎn)生凍脹力。3)含水風(fēng)化層凍脹說(shuō)(凍脹理論模型見圖9)。這種假說(shuō)源自日本，認(rèn)為襯砌周邊圍巖均有一層厚薄不一的富水風(fēng)化層(邊墻處風(fēng)化層含水量更高)，冬季嚴(yán)寒時(shí)，風(fēng)化層中的水結(jié)冰膨脹而產(chǎn)生膨脹力。

圖7 巖石圈凍脹理論模型

圖8 局部存水凍脹理論模型

其實(shí)這3種假說(shuō)本質(zhì)相同，與隧道周邊地下水賦存狀態(tài)息息相關(guān)。當(dāng)?shù)叵滤饕粤严端?、孔隙水形態(tài)均勻賦存于隧道周邊圍巖內(nèi)時(shí)，此時(shí)更符合凍融巖石圈整體凍脹說(shuō)或含水風(fēng)化層凍脹說(shuō)；當(dāng)?shù)叵滤钥涨凰?、股狀水或?qū)訝钏x存于隧道周邊時(shí)，此時(shí)更符合局部存水凍脹說(shuō)。

圖9 含水風(fēng)化層凍脹理論模型

2.2.2 隧道結(jié)構(gòu)凍害損傷機(jī)制研究現(xiàn)狀

隧道結(jié)構(gòu)混凝土中的水以4種形式存在，第1種是不可凍結(jié)的結(jié)晶水，第2種是存在于膠凝孔(孔徑15×10-10～20×10-10m)的不可凍吸附水，第3種是部分可凍的毛細(xì)孔水(孔徑≥400×10-10m)，第4種是固體顆粒間的可凍游離水。

根據(jù)混凝土含水性質(zhì)的不同，國(guó)內(nèi)一般將混凝土凍脹分為微觀凍脹、細(xì)觀凍脹和宏觀凍脹3類。微觀凍脹是指混凝土內(nèi)部毛細(xì)孔含水結(jié)冰凍脹； 細(xì)觀凍脹是指混凝土內(nèi)部顆粒間游離水及滲漏通道含水結(jié)冰凍脹； 宏觀凍脹是指隧道結(jié)構(gòu)背后富水巖土和空腔水結(jié)冰膨脹凍脹。

到目前為止，混凝土凍融破壞理論主要有水離析層理論、膨脹壓理論、滲透壓理論、充水系數(shù)理論、臨界飽水值理論和孔結(jié)構(gòu)理論6種。其中，公認(rèn)度較高的仍是美國(guó)T.C.Powers提出的膨脹壓理論和滲透壓理論 ,即混凝土在凍融過(guò)程中遭受的破壞力主要來(lái)自于膨脹壓力和滲透壓力。

膨脹壓力理論是指溫度降至0 ℃以下時(shí)，混凝土內(nèi)部的毛細(xì)孔水、游離水結(jié)冰膨脹產(chǎn)生膨脹壓力，擠壓周邊混凝土骨架結(jié)構(gòu)并產(chǎn)生拉力，導(dǎo)致脆弱骨架結(jié)構(gòu)首先遭到破壞；當(dāng)冰變水體積縮小后，出現(xiàn)新空腔，這部分新空腔將繼續(xù)被空腔外部水補(bǔ)給填滿，下一次水變冰又膨脹，進(jìn)一步破壞混凝土骨架結(jié)構(gòu)。如此反復(fù)凍脹熱融，混凝土逐漸變得疏松酥脆并產(chǎn)生裂紋，隨著裂紋不斷擴(kuò)大，混凝土強(qiáng)度不斷降低，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形開裂、剝落、失穩(wěn)破壞。

滲透壓力理論是由混凝土內(nèi)冰與未凍水間表面張力差異(有說(shuō)自由能差、化學(xué)勢(shì)差或蒸氣壓差)引起凝膠孔吸附水遷移至毛細(xì)孔、毛細(xì)孔內(nèi)未凍水遷移至冰體，這種水分在混凝土微觀結(jié)構(gòu)中遷移和重分布引起的滲透壓力會(huì)損傷混凝土微觀結(jié)構(gòu)?；炷脸Ｄ晏幵趦鋈谘h(huán)中，這種損傷會(huì)不斷積累并逐步擴(kuò)大，使混凝土內(nèi)部孔隙及裂縫逐漸增大、擴(kuò)展并互相連通，從而使混凝土產(chǎn)生由表向里的裂紋、剝蝕, 進(jìn)而造成混凝土破壞。

根據(jù)各類凍融作用機(jī)制假說(shuō)，國(guó)內(nèi)學(xué)者從多角度提出了混凝土不同凍融損傷本構(gòu)模型，例如： 蔡昊以動(dòng)彈模量損失為主要指標(biāo)建立了疲勞損傷模型； 王立久[32]引入混凝土凍融角和極限凍融循環(huán)次數(shù)，并以抗凍因子為指標(biāo)建立了抗凍預(yù)測(cè)模型； 關(guān)虓等[33]提出了考慮塑性應(yīng)變及損傷閾值的混凝土凍融損傷本構(gòu)方程等。目前，用數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)合方式研究混凝土凍融損傷和本構(gòu)關(guān)系已成為研究混凝土凍融損傷破壞的基本理念。

2.3 隧道凍害傳導(dǎo)途徑

根據(jù)熱量交換途徑，隧道凍害的傳導(dǎo)途徑主要有2種： 1)由表向里垂直途徑； 2)由外向內(nèi)水平途徑。

由表向里垂直途徑是指大氣低溫通過(guò)巖土由地表垂直向下傳導(dǎo)至隧道位置處，這種凍害途徑一般位于季節(jié)性凍土區(qū)和多年凍土季節(jié)融化區(qū)。當(dāng)隧道埋深超過(guò)季節(jié)凍結(jié)線后，這種垂直途徑傳導(dǎo)的凍害就消失了。通過(guò)由表向里垂直途徑產(chǎn)生凍害的隧道長(zhǎng)度一般較短，且多集中在淺埋段。

由外向內(nèi)水平途徑主要是指洞外寒冷空氣進(jìn)入洞內(nèi)進(jìn)行熱交換，改變洞內(nèi)環(huán)境溫度所致。其凍害傳導(dǎo)是由外向里沿水平方向進(jìn)行的，由洞口逐漸向洞身發(fā)展，在橫斷面上，由隧道空間內(nèi)部向周邊結(jié)構(gòu)和巖土發(fā)展。交通隧道是兩端和大氣相通的開放管狀構(gòu)筑物，必然存在洞外空氣進(jìn)入洞內(nèi)進(jìn)行熱交換的現(xiàn)象，因此，寒區(qū)隧道都存在由外向內(nèi)水平途徑產(chǎn)生的凍害，且由外向內(nèi)水平途徑是凍害的主要傳導(dǎo)途徑。以下內(nèi)容重點(diǎn)針對(duì)水平途徑產(chǎn)生的凍害。

3 隧道凍害防治技術(shù)研究現(xiàn)狀

3.1 隧道凍害防治技術(shù)原則

由凍害產(chǎn)生的機(jī)制可知，產(chǎn)生凍害的根本原因是水冰頻繁相變所致，而導(dǎo)致水冰相變的溫度和水是凍害產(chǎn)生的根本要素，二者缺一不可。因此，凍害防治技術(shù)的主要原則就是減少地下水和控制洞內(nèi)溫度，以防止水冰頻繁相變。

1)減少地下水。無(wú)法做到隧道周邊圍巖無(wú)水，但可通過(guò)工程措施減少地下水，例如： 選擇地下水不發(fā)育的地段設(shè)隧道或設(shè)泄水洞疏水、注漿堵水、加快排水等措施。

2)控制洞內(nèi)溫度?？刂贫磧?nèi)溫度是防治凍害的主要途徑。當(dāng)隧道位于多年凍土區(qū)時(shí)，防凍技術(shù)原則就是保護(hù)隧道周邊圍巖環(huán)境溫度低于0 ℃，使地下水始終處于凍結(jié)狀態(tài)，即“保凍”，此時(shí)需采取措施防止洞外熱空氣進(jìn)入洞內(nèi)把熱量傳遞給洞內(nèi)介質(zhì)(空氣和隧道結(jié)構(gòu))。當(dāng)隧道位于季節(jié)性凍土區(qū)時(shí)，防凍技術(shù)原則就是采取措施減少熱交換，防止洞內(nèi)水結(jié)冰，一是采取保溫隔熱措施(如保溫水溝、保溫出水口、保溫防寒門、保溫隔熱層等)防止水溫降到0 ℃以下； 二是采用加熱措施(如太陽(yáng)能、地?zé)崮?、電能?把洞內(nèi)外各類熱源輸送到凍害段，防止水溫降到0 ℃以下。

3.2 防凍計(jì)算分析

隧道防凍計(jì)算分析是一個(gè)十分復(fù)雜的集固、液、氣(巖土、冰水、空氣)3項(xiàng)介質(zhì)含相變的溫度場(chǎng)、滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)耦合問(wèn)題。從隧道橫斷面上分析，其是巖土與隧道結(jié)構(gòu)、地下冰水和洞內(nèi)空氣3項(xiàng)介質(zhì)之間的多場(chǎng)耦合問(wèn)題；從隧道縱斷面上分析，是隧道內(nèi)空氣縱向流動(dòng)過(guò)程中與隧道結(jié)構(gòu)、洞內(nèi)流動(dòng)地下水熱交換的過(guò)程，也是固、液、氣3項(xiàng)介質(zhì)溫度耦合問(wèn)題，可按如下方法和步驟進(jìn)行計(jì)算分析。

1)宜根據(jù)最冷月平均氣溫、年平均氣溫、海拔等因素進(jìn)行凍害分區(qū)與分級(jí)，再根據(jù)分區(qū)分級(jí)采取防凍措施。

2)完整收集與凍害有關(guān)的基礎(chǔ)資料，包括隧道洞口氣象條件(必要時(shí)建立氣象觀測(cè)站收集)、地溫資料、巖土力學(xué)與熱學(xué)參數(shù)、凍脹熱融指標(biāo)、同地區(qū)隧道凍害防治資料、通風(fēng)與行車資料等。

3)根據(jù)氣象資料、巖土熱學(xué)參數(shù)和鉆孔實(shí)測(cè)溫度等，擬合洞外溫度場(chǎng)變化規(guī)律，并采用耦合理論計(jì)算分析隧道山體初始溫度場(chǎng)。

4)根據(jù)氣象資料與運(yùn)營(yíng)工況計(jì)算隧道通風(fēng)，包括正常行車工況、夜間天窗(鐵路)或小交通量(公路)工況時(shí)洞內(nèi)風(fēng)流方向與大小。通風(fēng)計(jì)算需考慮自然風(fēng)、活塞風(fēng)、機(jī)械風(fēng)等。

5)利用THM耦合理論，建立各通風(fēng)工況條件下隧道內(nèi)空氣、圍巖和滲流熱傳導(dǎo)耦合三維計(jì)算模型，計(jì)算分析各通風(fēng)工況條件下隧道溫度場(chǎng)分布變化規(guī)律，確定洞內(nèi)最低溫度和防凍范圍。

6)根據(jù)洞內(nèi)溫度場(chǎng)計(jì)算保溫層厚度及長(zhǎng)度，再與實(shí)測(cè)值校核。

3.3 凍害防治措施現(xiàn)狀

我國(guó)寒區(qū)隧道凍害防治技術(shù)發(fā)展至今，目前已有了多種防治措施，這些措施歸納起來(lái)可分為主動(dòng)措施和被動(dòng)措施。主動(dòng)措施就是人工增加隧道結(jié)構(gòu)、圍巖、洞內(nèi)空氣和地下水的熱量；被動(dòng)措施就是減少隧道結(jié)構(gòu)、圍巖、洞內(nèi)空氣和地下水的熱量損失。季節(jié)性凍土地區(qū)隧道既可選擇主動(dòng)措施，也可選擇被動(dòng)措施；多年凍土區(qū)隧道以被動(dòng)措施為主，洞內(nèi)排水系統(tǒng)可選擇主動(dòng)措施。

3.3.1 主動(dòng)防凍措施

根據(jù)加熱對(duì)象不同，主動(dòng)防凍措施可分為加熱空氣、加熱地下水和加熱隧道結(jié)構(gòu)3類，熱源可選太陽(yáng)能、地?zé)崮堋㈦娔芎惋L(fēng)能等。對(duì)于長(zhǎng)大隧道應(yīng)優(yōu)先利用洞身地?zé)?熱空氣與熱水)資源，通過(guò)通風(fēng)與排水將其引至隧道凍害段。

1)加熱空氣?？赏ㄟ^(guò)管道將暖空調(diào)、蒸汽鍋爐等加熱設(shè)備產(chǎn)生的熱源輸入洞內(nèi)，或利用隧道通風(fēng)使高溫端洞口熱空氣流向低溫端洞口，以提高凍害段空氣溫度。例如： 嘎隆拉隧道的進(jìn)口為寒區(qū)，出口為溫和區(qū)，即可通過(guò)運(yùn)營(yíng)通風(fēng)使出口端熱空氣流向進(jìn)口端，以加熱進(jìn)口端冷空氣，提高隧道圍巖溫度。

2)加熱地下水?？捎秒娂訜崞鳌⒄羝?、暖氣等加熱溝(管)水，或引洞外或洞內(nèi)高溫地下水至凍害段以加熱洞內(nèi)溝(管)水。

3)加熱隧道結(jié)構(gòu)。利用地?zé)岜门c管網(wǎng)將洞外或洞身高溫地下水引至凍害段，或在保溫隔熱層和襯砌后敷設(shè)加熱電纜(見圖10)，以加熱隧道結(jié)構(gòu)。

3.3.2 被動(dòng)防凍措施

3.3.2.1 選凍害輕的位置設(shè)隧道

將凍土厚度、長(zhǎng)度作為隧道位置方案比選的重要內(nèi)容之一，優(yōu)先選擇無(wú)凍害巖土段設(shè)隧道。無(wú)法避免時(shí)，選擇凍土薄、穿越凍土距離短的路線方案。另外，隧道全部位于多年穩(wěn)定凍土區(qū)優(yōu)于穿越多年不穩(wěn)定凍土區(qū)和季節(jié)性凍土區(qū)。

寒區(qū)隧道洞口宜選在地下水不發(fā)育、水位低、溫度高、縱坡陡、少雪陽(yáng)面坡，避免選在地下水發(fā)育、水位高、溫度低、坡面平緩、多雪陰面坡； 多年凍土區(qū)的隧道洞口應(yīng)避開冰丘、冰錐、融凍泥流、熱融沉陷與滑塌等不良地質(zhì)區(qū)。為防雪崩，洞口應(yīng)避開厚層積雪陡坡。

(a)

(b)

3.3.2.2 采用利于防凍的隧道線形

為減少洞內(nèi)外熱交換，寒區(qū)隧道軸線應(yīng)與冬季主導(dǎo)風(fēng)向大角度相交或垂直，盡量避免與冬季主導(dǎo)風(fēng)向平行或小角度相交，避免出現(xiàn)“冬季穿堂風(fēng)”。無(wú)法避免時(shí)，洞口段宜設(shè)平曲線加大洞口軸線與風(fēng)向的夾角。

寒區(qū)長(zhǎng)大隧道宜設(shè)成人字坡，利于洞身高地溫地下水流向兩端低溫洞口，適當(dāng)加大洞口縱坡利于地下水快速排出，減少洞內(nèi)地下水熱量損失。

3.3.2.3 加強(qiáng)凍害段隧道防排水

處于多年穩(wěn)定凍土區(qū)的隧道水量較少，排水系統(tǒng)主要用來(lái)排隧道周邊融化圈(保凍效果不好時(shí))滲出的少量孔隙水和裂隙水。處于季節(jié)性凍土或多年不穩(wěn)定凍土的隧道要加強(qiáng)凍害段防水與排水措施，可采取的主要措施如下。

1)減少圍巖賦水和流經(jīng)凍害段的水。根據(jù)地形地質(zhì)條件和富水情況，可選用洞內(nèi)徑向圍巖注漿堵水、地表注漿堵水、地表明溝截排水、地下盲溝、泄水孔或泄水洞提前引排水等措施，讓地表水和地下水遠(yuǎn)離隧道凍害段。為減少非凍害段隧道地下水流經(jīng)凍害段的水量，可在凍害段末端設(shè)集水盲井，將非凍害段溝水匯入凍害段深埋水溝或泄水洞排出。

2)加強(qiáng)排水。為防積水，隧道凍害段周邊和洞內(nèi)的水需加速排出，可通過(guò)加密環(huán)向和橫向排水盲(溝)管、加大排水盲(溝)管斷面和排水縱坡以及縮短水流路徑(如環(huán)向盲(溝)管直接和隧底中心排水溝相接)的方式加快排水，減少水流在流動(dòng)過(guò)程中的熱量損失。

3)加強(qiáng)防水。加強(qiáng)凍害段防水層的防水能力，減少或防止地下水透過(guò)防水層或混凝土縫隙進(jìn)入隧道。選擇具有良好抗凍性和耐久性的防水材料，必要時(shí)可設(shè)雙層防水，二次襯砌可增設(shè)施工縫、溫度伸縮縫。施工縫、溫度伸縮縫應(yīng)全斷面貫通，并應(yīng)加強(qiáng)混凝土施工縫和溫度伸縮縫的防水措施，例如： 增設(shè)可維護(hù)注漿管、正面噴涂滲透性防水涂料等；混凝土防水等級(jí)宜不低于P10。

4)防止排水通道結(jié)冰。因排水通道結(jié)冰而導(dǎo)致隧道發(fā)生凍害危及行車安全的事例很多，因此，防止排水通道結(jié)冰是凍害防治的重要內(nèi)容之一。為防止排水通道凍冰，季節(jié)性凍土區(qū)隧道可選淺埋保溫水溝、埋置于凍結(jié)線下的深埋水溝(凍結(jié)深度<2.5 m)或泄水洞(凍結(jié)深度≥2.5 m)排水。當(dāng)深埋水溝和泄水洞不能置于凍結(jié)線以下時(shí)，對(duì)于深埋水溝和泄水洞應(yīng)采取全斷面保溫防凍措施，泄水洞的配套排水設(shè)施(如豎向碎石盲(溝)管、泄水孔、泄水支洞等)也需要保溫防凍。洞外宜采用暗(保溫)溝排水，出水口選在距線路一定距離的地勢(shì)開闊、高差大且朝陽(yáng)避風(fēng)處，并設(shè)保溫出水口。另外，可利用敷設(shè)于襯砌表面的保溫隔熱層對(duì)襯砌背后排水盲(溝)管進(jìn)行間接保溫，必要時(shí)可直接對(duì)排水盲(溝)管(如伴熱電纜采暖溝)保溫或加熱。

3.3.2.4 加強(qiáng)凍害段隧道結(jié)構(gòu)

1)洞口工程。受積雪或風(fēng)吹雪影響嚴(yán)重的凹型地形洞口可采用防雪明洞、防雪棚洞或防雪棚。當(dāng)洞門墻后地層凍脹等級(jí)在Ⅱ級(jí)及以上時(shí)，宜選用不凍脹材料進(jìn)行換填，不凍脹材料可選砂性土、砂礫、碎(礫)石、粉煤灰等。

2)地基基礎(chǔ)。為防止位于凍脹融沉地層的地基變形開裂，季節(jié)性凍土區(qū)隧道基礎(chǔ)應(yīng)置于設(shè)計(jì)凍深0.25 m以下，多年凍土區(qū)隧道基礎(chǔ)置于設(shè)計(jì)凍深1 m以下，否則需對(duì)地基進(jìn)行處理。

3)結(jié)構(gòu)型式與材料。位于凍害段的隧道結(jié)構(gòu)宜采用曲墻帶仰拱的復(fù)合型式，二次襯砌宜采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)； 襯砌混凝土應(yīng)具備抗裂、防滲、抗凍、低溫早強(qiáng)等性能，強(qiáng)度等級(jí)不宜低于C30。

4)保溫隔熱。為達(dá)到隧道結(jié)構(gòu)和圍巖中液態(tài)水不結(jié)冰或圍巖中固態(tài)冰不融化，可通過(guò)敷設(shè)保溫隔熱層來(lái)減少其與洞內(nèi)環(huán)境的熱交換。保溫隔熱層敷設(shè)位置有2種： ①敷設(shè)在二次襯砌表面防止隧道結(jié)構(gòu)和圍巖中液態(tài)水結(jié)冰凍脹； ②敷設(shè)在初期支護(hù)和二次襯砌之間防止圍巖中固態(tài)冰熱融，示意如圖11所示。根據(jù)洞內(nèi)氣溫、隧道與圍巖地溫以及凍結(jié)深度，可在拱墻敷設(shè)或全環(huán)(含仰拱)敷設(shè)保溫隔熱層。對(duì)于發(fā)生了嚴(yán)重凍害的運(yùn)營(yíng)隧道，在處理好防排水的基礎(chǔ)上，襯砌表面可增設(shè)帶保溫層的鋼筋混凝土(波紋鋼板)套襯。保溫隔熱層厚度通過(guò)計(jì)算確定，應(yīng)選輕質(zhì)、疏松、多孔(最好為閉孔型)、導(dǎo)熱系數(shù)小、防火、防水與耐腐蝕性好的保溫隔熱材料。隧道中常用的保溫隔熱材料分為無(wú)機(jī)保溫材料和有機(jī)保溫材料。無(wú)機(jī)保溫材料主要有礦渣棉、巖棉、玻璃棉和硅酸鋁纖維板等；有機(jī)保溫材料主要有聚氨酯、聚苯乙烯、聚乙烯和酚醛泡沫板等。

(a) 在二次襯砌表面敷設(shè)

(b) 在初期支護(hù)和二次襯砌之間敷熱

5)洞口設(shè)隔風(fēng)防寒保溫門。對(duì)于交通量小的隧道可在兩端洞口設(shè)自動(dòng)保溫隔風(fēng)門，以減少洞內(nèi)外熱交換，夜間無(wú)車通行時(shí)關(guān)閉保溫門，減少洞外冷空氣進(jìn)入洞內(nèi)。保溫隔風(fēng)門可選風(fēng)幕門、卷簾門、水平推拉門，門應(yīng)具備自動(dòng)感應(yīng)控制、手動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制功能。

4 防凍技術(shù)展望

雖然我國(guó)隧道防凍技術(shù)取得了較大進(jìn)展，但在通風(fēng)與氣候變暖對(duì)隧道防凍的影響、凍害機(jī)制與防凍計(jì)算理論、短周期凍融、防凍材料、清潔能源利用、凍害檢測(cè)與監(jiān)測(cè)以及維修養(yǎng)護(hù)等方面仍需進(jìn)一步深入研究。

4.1 隧道內(nèi)溫度場(chǎng)規(guī)律研究

前期凍害研究多以短時(shí)間實(shí)測(cè)洞內(nèi)空氣圍巖溫度變化規(guī)律為基礎(chǔ)進(jìn)行THM耦合理論數(shù)值計(jì)算分析，未考慮或較少考慮通風(fēng)影響，未建立基于全時(shí)段通風(fēng)工況條件下的洞內(nèi)溫度場(chǎng)耦合模型，模擬計(jì)算得到的溫度場(chǎng)局限性較大，難以確定最不利溫度場(chǎng)工況。對(duì)于寒區(qū)隧道，應(yīng)通過(guò)解析計(jì)算、數(shù)值模擬分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，掌握不同季節(jié)、每天不同時(shí)段和不同交通條件(單雙向行車、行車密度與速度)下洞內(nèi)風(fēng)流規(guī)律，再根據(jù)風(fēng)流規(guī)律耦合分析出各通風(fēng)工況下洞內(nèi)溫度場(chǎng)，據(jù)此判定洞內(nèi)溫度場(chǎng)最不利工況，進(jìn)而確定防凍范圍和措施。

4.2 凍害發(fā)生機(jī)制和防凍計(jì)算理論研究

國(guó)內(nèi)學(xué)者雖然對(duì)凍害發(fā)生機(jī)制進(jìn)行了較深入研究，也掌握了一些凍害發(fā)生機(jī)制，但應(yīng)用到實(shí)際工程時(shí)往往存在較大差異，需要進(jìn)一步從微觀和細(xì)觀角度研究?jī)龊Ξa(chǎn)生的機(jī)制。例如： 不同巖性巖體凍害損傷本構(gòu)模型、水冰相變過(guò)程、未凍水遷移規(guī)律、力學(xué)與化學(xué)耦合過(guò)程、凍融損傷識(shí)別方法與手段、凍融損傷定量評(píng)價(jià)、凍脹力的產(chǎn)生與發(fā)展及計(jì)算取值等仍需進(jìn)一步深入研究。

目前國(guó)內(nèi)隧道防凍措施多根據(jù)工程類比法設(shè)計(jì)，雖然對(duì)于部分隧道利用耦合理論進(jìn)行了計(jì)算分析，但需進(jìn)一步把更多凍害影響因素(如地?zé)?、時(shí)間)考慮在內(nèi)，使理論分析更符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際。

4.3 短周期凍融研究

現(xiàn)階段隧道凍融設(shè)計(jì)研究多以年或季為周期進(jìn)行，即1年或1季度發(fā)生1次凍融，但部分寒區(qū)隧道洞內(nèi)正負(fù)溫交替轉(zhuǎn)換很快，幾天甚至1 d交換1次，如白天為正溫、夜間變?yōu)樨?fù)溫。這種短周期正負(fù)溫交替同樣可能會(huì)產(chǎn)生凍融，例如： 伍毅敏等[34]通過(guò)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)山西某隧道溫度時(shí)發(fā)現(xiàn)二次襯砌1年內(nèi)發(fā)生了1次季節(jié)性凍結(jié)和5次短周期凍融，遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)1年1次的凍融頻率。這種短周期凍融同樣會(huì)造成襯砌混凝土與圍巖結(jié)構(gòu)損傷，且正負(fù)溫交替引起的短周期凍融循環(huán)累積的損傷對(duì)隧道襯砌和圍巖的破壞更大。因此，有必要對(duì)短周期正負(fù)溫交替是否會(huì)產(chǎn)生凍融、產(chǎn)生凍融的條件與特征及對(duì)隧道結(jié)構(gòu)和圍巖的損傷程度進(jìn)行深入研究。

4.4 氣候變暖對(duì)寒區(qū)隧道帶來(lái)的影響

隨著溫室效應(yīng)增加，全球氣溫將進(jìn)一步升高，溫度升高對(duì)位于季節(jié)性凍土區(qū)的隧道意味著凍害程度減輕，凍害時(shí)間縮短；對(duì)于永久性凍土區(qū)隧道意味著部分永久性凍土區(qū)逐漸退化為季節(jié)性凍土區(qū)。這種變化不僅破壞了巖土結(jié)構(gòu)，降低了圍巖強(qiáng)度，而且對(duì)隧道防凍造成的一系列影響還需進(jìn)一步研究。

4.5 隧道專用防凍材料

隧道防凍主要依靠材料，包括混凝土和保溫材料。目前隧道多利用其他行業(yè)的防凍保溫材料，急需研究出針對(duì)隧道特殊環(huán)境所需的高效、耐久、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的防凍材料。

4.6 清潔能源利用

如何更好地利用清潔能源(如風(fēng)能、太陽(yáng)能、地?zé)崮?是隧道防凍技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向，在清潔能源豐富的地區(qū)充分利用清潔能源可以減少防凍投資。

4.7 寒區(qū)隧道檢測(cè)、監(jiān)測(cè)與維修養(yǎng)護(hù)

目前隧道凍害檢測(cè)、監(jiān)測(cè)研究尚處于起步階段，部分隧道僅設(shè)了溫度檢測(cè)儀器，因此，檢測(cè)和監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)與圍巖凍害損傷的設(shè)備、方法以及定性與定量評(píng)價(jià)需要進(jìn)一步研究。另外，針對(duì)凍害損傷襯砌結(jié)構(gòu)的維修養(yǎng)護(hù)措施也應(yīng)進(jìn)一步研究。

5 結(jié)論與體會(huì)

本文回顧了我國(guó)寒區(qū)山嶺交通隧道防凍技術(shù)發(fā)展歷程，總結(jié)了隧道凍害發(fā)生機(jī)制與防治研究現(xiàn)狀，展望了防凍技術(shù)的發(fā)展方向，得到的結(jié)論與體會(huì)如下。

1)我國(guó)隧道防凍技術(shù)從無(wú)到有、從單一防凍技術(shù)到綜合防凍技術(shù)、從高緯度寒區(qū)到高海拔寒區(qū)、從鐵路隧道到公路隧道，逐步發(fā)展形成了一套基本適用于我國(guó)寒區(qū)山嶺交通隧道的防凍理論和技術(shù)體系。

2)寒區(qū)隧道溫度場(chǎng)時(shí)空分布規(guī)律受洞內(nèi)外溫差、洞內(nèi)風(fēng)流、自然風(fēng)、洞內(nèi)行車組織、隧道長(zhǎng)度和斷面積等多因素控制與影響，在實(shí)測(cè)基礎(chǔ)上宜采用考慮通風(fēng)影響的THM耦合理論進(jìn)行分析研究。

3)從微觀與細(xì)觀層面分析，隧道凍害是由于隧道圍巖和混凝土內(nèi)賦存的水因溫度變化在水冰之間頻繁相變，不斷產(chǎn)生膨脹力、滲透壓力，進(jìn)而破壞了巖土和混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致凍害發(fā)生。隧道凍害一般是沿著由表向里垂直途徑和由外向內(nèi)水平途徑2種方向發(fā)展的。

4)隧道凍害防治的根本目標(biāo)是控制好洞外寒冷空氣進(jìn)入洞內(nèi)與隧道內(nèi)介質(zhì)進(jìn)行熱交換。有條件時(shí)應(yīng)發(fā)展自然清潔熱源等防凍措施，并宜結(jié)合隧道位置選擇、線形設(shè)計(jì)、凍害段防排水、隧道結(jié)構(gòu)與排水通道保溫防凍等措施綜合防治。

5)影響凍害發(fā)生的因素眾多，與洞內(nèi)外氣象、地下水賦存情況、巖土和隧道結(jié)構(gòu)等因素相關(guān)，是一個(gè)復(fù)雜的固液氣3介質(zhì)熱量耦合問(wèn)題，需進(jìn)一步研究。

目前，雖然我國(guó)寒區(qū)山嶺交通隧道的防凍技術(shù)取得了一定進(jìn)步，但在洞內(nèi)溫度場(chǎng)時(shí)空分布規(guī)律、凍害機(jī)制、短周期凍害、防凍技術(shù)、防凍材料、防凍施工工藝和凍害檢測(cè)與監(jiān)測(cè)等方面仍需進(jìn)一步研究。