高連 李申

（中國(guó)鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司，天津 300450）

0 引言

隨著我國(guó)西部經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，西部交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)也在不斷完善，我國(guó)的隧道工程已日益向嚴(yán)寒地區(qū)延伸。因多年凍土區(qū)獨(dú)特的氣候條件，隧道襯砌結(jié)構(gòu)將會(huì)面臨各種凍害問(wèn)題，這些凍害嚴(yán)重影響著隧道的服役性能，對(duì)隧道運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生不可估量的危害。因此，對(duì)凍土隧道襯砌服役性能的研究是極其有必要的。本文重點(diǎn)分析總結(jié)多年凍土區(qū)隧道襯砌的主要病害以及防治措施。

1 多年凍土隧道襯砌主要病害

多年凍土隧道襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的病害（見(jiàn)圖1）是影響襯砌結(jié)構(gòu)服役性能的根本原因。目前國(guó)內(nèi)的多年凍土隧道工程大多數(shù)都經(jīng)歷著不同程度的病害，有一些隧道工程甚至剛建成就因病害問(wèn)題而報(bào)廢。

圖1 多年凍土隧道病害

多年凍土隧道襯砌結(jié)構(gòu)病害主要包括隧道襯砌變形及開(kāi)裂、隧道襯砌混凝土凍融劣化及隧道襯砌滲漏水結(jié)冰等方面。

1.1 隧道襯砌變形及開(kāi)裂

襯砌的變形和開(kāi)裂普遍存在于多年凍土區(qū)隧道中，其過(guò)程常常顯示出明顯的季節(jié)性，且變化幅度很大。襯砌裂縫（見(jiàn)表1）會(huì)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的安全性產(chǎn)生直接影響，且凍融循環(huán)、滲漏水結(jié)冰、凍脹等多因素耦合作用會(huì)使裂縫進(jìn)一步惡化，從而嚴(yán)重影響隧道襯砌服役性能。其原因主要?dú)w納為以下方面：隧道環(huán)境因素、隧道設(shè)計(jì)因素、襯砌材料因素等[1]。

表1 多年凍土隧道襯砌裂縫類(lèi)型

1.1.1 隧道環(huán)境因素

對(duì)多年凍土隧道來(lái)說(shuō)，造成襯砌開(kāi)裂的環(huán)境因素主要可概括為：溫度、濕度、外荷載等。覃荷瑛[2]將某寒區(qū)隧道襯砌混凝土形成的常見(jiàn)裂縫概括為：干縮裂縫、溫度裂縫、外荷裂縫。其根據(jù)對(duì)某寒區(qū)隧道二次襯砌裂縫進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)后指出：因混凝土熱膨脹系數(shù)、鋼筋的溫度膨脹系數(shù)、混凝土極限拉應(yīng)變?nèi)叩臄?shù)值差異，導(dǎo)致當(dāng)混凝土的內(nèi)外溫差達(dá)到7℃以上時(shí)，隧道襯砌就有可能產(chǎn)生溫度裂縫。而由于多年凍土隧道所處的特殊氣候條件，襯砌混凝土的內(nèi)外溫差通常較大，故很容易產(chǎn)生溫度裂縫。在反復(fù)的凍融循環(huán)作用下，隧道圍巖中的水結(jié)冰會(huì)引起體積膨脹，從而產(chǎn)生作用于襯砌結(jié)構(gòu)上的形變壓力，導(dǎo)致襯砌開(kāi)裂。同時(shí)隧道所處環(huán)境中較大的晝夜溫差，會(huì)使襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生額外的溫度應(yīng)力，也會(huì)導(dǎo)致隧道襯砌產(chǎn)生變形開(kāi)裂，從而大大降低襯砌結(jié)構(gòu)的服役性能。

1.1.2 襯砌材料因素

襯砌結(jié)構(gòu)所選用的材料也與襯砌裂縫密切相關(guān)。襯砌混凝土水灰比不當(dāng)，骨料品種不當(dāng)，外加劑種類(lèi)選用及用量不當(dāng)都會(huì)導(dǎo)致隧道襯砌產(chǎn)生開(kāi)裂。襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)采取曲墻帶仰拱鋼筋混凝土，并結(jié)合溫度應(yīng)力的影響進(jìn)行襯砌分段；襯砌混凝土應(yīng)具備抗凍、抗裂、抗?jié)B、低溫早強(qiáng)等性能，強(qiáng)度等級(jí)不得低于C30，抗凍性能不得低于F300，且抗?jié)B等級(jí)不得低于P10，必要時(shí)還可加厚襯砌厚度。

1.1.3 隧道設(shè)計(jì)及施工因素

對(duì)于多年凍土隧道來(lái)說(shuō)，隧道的設(shè)計(jì)及施工都具有較高要求，合理的設(shè)計(jì)方案及良好的施工技術(shù)是隧道質(zhì)量的基本保障。在進(jìn)行隧道初步設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇無(wú)凍害巖體段、地下水位低或巖體凍脹敏感性低的地層通過(guò)。此外，由于施工現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行力不足，可能導(dǎo)致部分施工過(guò)程不符合規(guī)范，如襯砌的防凍保溫及防排水等。以上原因都有可能導(dǎo)致隧道襯砌在施工及運(yùn)營(yíng)中產(chǎn)生裂縫。對(duì)此，建設(shè)單位應(yīng)重視初步設(shè)計(jì)階段，加強(qiáng)施工執(zhí)行力，提升隧道質(zhì)量。

1.2 隧道襯砌滲漏水結(jié)冰

當(dāng)隧道穿過(guò)貯水豐富、地下水位高的地段時(shí)，在排水系統(tǒng)不暢且防水不可靠的情況下，隧道襯砌將不可避免地發(fā)生滲漏水現(xiàn)象，地下水會(huì)先沿著圍巖裂隙進(jìn)入襯砌結(jié)構(gòu)，再以襯砌中的縫隙為通道，向隧道內(nèi)部滲漏。當(dāng)冬季到來(lái)，滲漏出的地下水會(huì)在負(fù)溫作用下逐漸凍結(jié)，若不采取一定的防治措施，地下水將會(huì)源源不斷地通過(guò)襯砌縫隙滲漏進(jìn)來(lái)，使凍結(jié)面積增大，增厚。

多年凍土隧道襯砌滲漏水結(jié)冰的原因主要可歸納為以下幾點(diǎn)：

（1）在設(shè)計(jì)以及施工環(huán)節(jié)上對(duì)地下水處理問(wèn)題沒(méi)有給予足夠的重視，缺乏對(duì)地下水有效的檢測(cè)手段和方法；隧道內(nèi)防排水系統(tǒng)有缺陷，使隧道內(nèi)襯砌滲漏水結(jié)冰進(jìn)一步加劇。

（2）隧道襯砌內(nèi)的施工縫、伸縮縫處防水措施不當(dāng)，成為地下水主要滲漏通道。

（3）防水卷材等材料質(zhì)量不合格，拉伸強(qiáng)度、厚度、延伸率不夠[3]。

1.3 隧道襯砌混凝土凍融劣化

由于多年凍土隧道襯砌長(zhǎng)期暴露在正負(fù)溫度交替的空氣中，因此會(huì)長(zhǎng)期受到凍融循環(huán)的侵害。襯砌混凝土中的水結(jié)冰時(shí)會(huì)發(fā)生體積膨脹，故反復(fù)的凍融循環(huán)會(huì)使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生微觀裂隙，長(zhǎng)此以往，混凝土的抗壓強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度，彈性模量等力學(xué)性能都將嚴(yán)重下降。

董長(zhǎng)松[4]以鄂拉山和姜路嶺隧道為依托工程，對(duì)隧道二襯混凝土試樣進(jìn)行室內(nèi)快速凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)，以研究混凝土力學(xué)性能在凍融循環(huán)下的變化，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量、質(zhì)量、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度均有不同程度的下降。汪在芹[5]從混凝土的微觀結(jié)構(gòu)入手，研究混凝土在凍融循環(huán)作用下微孔結(jié)構(gòu)的變化，分析混凝土微觀結(jié)構(gòu)在凍融循環(huán)下的變化，得出結(jié)論：混凝土在凍融循環(huán)過(guò)程中抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的劣化趨勢(shì)大于抗壓強(qiáng)度。由于隧道工程具有隱蔽性，不同位置襯砌混凝土所經(jīng)歷的凍融循環(huán)次數(shù)也不同，Xu[6]研究某寒區(qū)隧道襯砌凍融圈的分布規(guī)律，結(jié)果表明沿隧道縱向襯砌經(jīng)歷的凍融循環(huán)次數(shù)與所處位置和隧道長(zhǎng)度有關(guān)：對(duì)于長(zhǎng)隧道在進(jìn)出口處經(jīng)歷的凍融循環(huán)次數(shù)較多，在隧道內(nèi)中間部位經(jīng)歷的凍融循環(huán)較少；而對(duì)于短隧道則隧道內(nèi)各部位所經(jīng)歷的凍融循環(huán)次數(shù)變化不大。

實(shí)際工程中隧道所處環(huán)境通常都比較復(fù)雜，襯砌混凝土并不只經(jīng)歷單一凍融循環(huán)，還會(huì)經(jīng)歷凍融-碳化、凍融-鹽離子侵蝕、凍融-干濕等耦合作用，多因素耦合作用會(huì)加劇襯砌混凝土的劣化，嚴(yán)重影響襯砌服役性能。

2 多年凍土隧道襯砌病害防治措施

2.1 建立可靠的防排水系統(tǒng)

多年凍土隧道襯砌產(chǎn)生病害的根本原因是水的影響，所以在設(shè)計(jì)及施工階段需結(jié)合隧址區(qū)氣候條件以及地質(zhì)條件建立完善的防排水系統(tǒng)，做到“防水通暢，排水可靠”。

2.1.1 防水措施

（1）襯砌結(jié)構(gòu)可采用復(fù)合式襯砌，在初期支護(hù)和二次襯砌之間設(shè)置防水板、防水卷材及無(wú)紡布等；

（2）二次襯砌材料選用抗?jié)B等級(jí)高的混凝土，一般不低于P10，并加強(qiáng)二次襯砌施工縫、伸縮縫的處理，設(shè)置橡膠止水帶或橡膠止水條；

（3）當(dāng)隧道所處圍巖地下水豐富并且裂隙發(fā)育時(shí)，可對(duì)圍巖進(jìn)行注漿堵水，形成防滲圈，必要時(shí)可對(duì)襯砌背后進(jìn)行壓漿回填，以防止襯砌背后積水，對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生凍脹破壞；

（4）選用新型防水材料，如背貼、分貼、中埋充氣式止水帶，并優(yōu)化鋪設(shè)工藝，避免施工過(guò)程中的破壞。

2.1.2 排水措施

（1）在地下水可能凍結(jié)的地段，宜設(shè)中心埋深水溝。中心埋深水溝溝底應(yīng)位于凍結(jié)線以下。中心埋深水溝達(dá)不到排水防凍要求時(shí)，可設(shè)置防寒泄水洞。但需要在施工時(shí)注意減少對(duì)凍土層的擾動(dòng)，避免形成凍土融化圈。

（2）在多年凍土段設(shè)置保溫水溝，用于排出凍土融化產(chǎn)生的地下水。可選用沿路線走向的縱向人字坡[7]，還可增加縱向坡度以加快排水的速度。

2.2 采取合理的防凍保溫措施

沿隧道軸向不同位置襯砌溫度場(chǎng)具有一定變化，隧道洞口段應(yīng)被視作防凍保溫的重點(diǎn)位置。多年凍土隧道的防凍保溫措施主要有：

（1）在隧道襯砌之間鋪設(shè)隔熱保溫層。對(duì)于多年凍土隧道，鋪設(shè)保溫層是為了阻止熱量侵入圍巖，防止圍巖形成融化圈。

（2）設(shè)置防寒保溫門(mén)。防寒保溫門(mén)主要應(yīng)用在冬季，其可以阻擋寒冷空氣侵入隧道，維持襯砌及圍巖溫度，防止洞內(nèi)頻繁產(chǎn)生正負(fù)溫交替。但防寒保溫門(mén)會(huì)妨礙車(chē)輛正常行駛，故不適用于車(chē)流量大的地段，僅適用于較偏遠(yuǎn)的地區(qū)。

（3）在隧道內(nèi)設(shè)置主動(dòng)加熱系統(tǒng)。可在隧道內(nèi)安設(shè)暖氣管道，適用于極寒地區(qū)，但該方法造價(jià)較高。也可將地源熱泵布設(shè)在隧道襯砌或排水溝之間，利用地?zé)崮芫S持隧道內(nèi)溫度，防止凍害發(fā)生。

2.3 選用合理的襯砌結(jié)構(gòu)

（1）隧道襯砌結(jié)構(gòu)斷面選型應(yīng)選為帶仰拱的近圓形曲墻式，相比直墻式，曲墻式斷面可減少襯砌內(nèi)的應(yīng)力集中。

（2）襯砌結(jié)構(gòu)可選用三層復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，如一次錨噴支護(hù)+二次模筑混凝土+隔熱保溫層，防水層+三次模筑混凝土+隔熱保溫層。施作初期支護(hù)時(shí)，若圍巖表面有大范圍結(jié)冰，噴混凝土可能很難與巖面貼合，此時(shí)可采用模筑襯砌。

根據(jù)具體施工情況可選擇增加襯砌厚度或加大配筋率，以保證襯砌結(jié)構(gòu)的服役性能。

（3）在進(jìn)行襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮凍脹力+圍巖壓力的累加作用，當(dāng)隧道處在凍脹非常嚴(yán)重的地區(qū)時(shí)可在襯砌混凝土中摻入一定量的纖維，如聚乙烯纖維、鋼纖維等，以提高襯砌混凝土的抗凍性。

3 結(jié)束語(yǔ)

總之，未來(lái)我國(guó)會(huì)修建越來(lái)越多的凍土隧道，而關(guān)于隧道襯砌結(jié)構(gòu)的服役性能也會(huì)一直是研究的重點(diǎn)及難點(diǎn)。在多年凍土隧道的設(shè)計(jì)階段應(yīng)結(jié)合地勘報(bào)告對(duì)地下水進(jìn)行防治，并選用合理的襯砌結(jié)構(gòu)、隔熱保溫措施及防排水措施。在隧道施工及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中應(yīng)隨時(shí)關(guān)注襯砌結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，定期檢查襯砌是否產(chǎn)生裂縫、地下水滲漏結(jié)冰，并測(cè)量襯砌混凝土力學(xué)性質(zhì)，判斷其劣化程度，及時(shí)處置已產(chǎn)生的病害。