陳 鑫

（中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司,北京 100010）

0 引言

多年凍土和季節(jié)性凍土在我國(guó)分布較廣，約占國(guó)土總面積的40%以上。在凍土地區(qū)修建的公路隧道容易出現(xiàn)凍脹病害，尤其是高寒區(qū)。如果對(duì)隧道凍脹病害的產(chǎn)生機(jī)理分析不當(dāng)或選擇的防凍脹技術(shù)不合理，可能導(dǎo)致隧道在施工、運(yùn)營(yíng)期間出現(xiàn)襯砌開裂、仰拱隆起等病害，危及行車安全，嚴(yán)重的可能造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、室內(nèi)模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬等手段研究了高寒區(qū)隧道襯砌的病害，但由于襯砌凍脹機(jī)理復(fù)雜，仍沒有統(tǒng)一的成果來(lái)指導(dǎo)高寒區(qū)隧道設(shè)計(jì)[1]。因此，進(jìn)一步探討高寒地區(qū)公路隧道襯砌凍脹病害機(jī)理和處理技術(shù)具有重要的工程價(jià)值。

1 高寒區(qū)隧道襯砌凍脹機(jī)理分析

1.1 高寒區(qū)隧道分類

高寒區(qū)的最大特征是海拔高、氣溫低，其中最冷月是1 月份，平均氣溫在-10~-30 ℃；最暖月在7 月份，平均氣溫大于10 ℃，但大于10 ℃的月份不超過5 個(gè)月。在高寒區(qū)建設(shè)隧道難度較大，要先對(duì)隧道分類，有針對(duì)性地采取措施。但是，目前尚無(wú)統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)。大量工程實(shí)踐表明，水對(duì)高寒區(qū)隧道的影響最大，襯砌病害與水密切相關(guān)，故該文按地下水賦存與補(bǔ)給條件將高寒區(qū)隧道劃分為5 類，不同隧道的凍脹特征見表1[2]。

表1 高寒區(qū)隧道分類

1.2 隧道圍巖凍脹影響因素

在高寒地區(qū)，隧道襯砌是否發(fā)生凍脹及凍脹嚴(yán)重程度主要取決于水、圍巖特性、襯砌剛度等，具體闡述如下：①水。水是隧道圍巖發(fā)生凍脹的決定性因素，含水量越高，凍脹等級(jí)越高，凍脹病害越嚴(yán)重。②圍巖特性。圍巖滲透系數(shù)是不均勻、各向異性的，襯砌產(chǎn)生的凍脹力也是不均勻、各向異性的。同時(shí)，圍巖結(jié)構(gòu)面在凍結(jié)期間會(huì)張開，吸收部分凍脹能力，減輕襯砌凍脹病害；此外，圍巖的巖土性質(zhì)也強(qiáng)烈地影響著凍脹類別和強(qiáng)度，在相同含水量下，砂性土凍脹強(qiáng)度較黏土低。③襯砌剛度。一般情況下，襯砌剛度越大，抗變形能力越強(qiáng)，在開挖和運(yùn)營(yíng)期間承擔(dān)的凍脹力也越大。

1.3 隧道襯砌凍脹理論

（1）熱傳導(dǎo)理論。要計(jì)算高寒區(qū)隧道襯砌凍脹力，就要先了解外界溫度與襯砌之間的熱傳導(dǎo)規(guī)律。根據(jù)熱傳導(dǎo)第二定律“如果兩個(gè)物體之間有溫度差，熱量就會(huì)從一個(gè)物體傳導(dǎo)至另一個(gè)物體，且熱量總是從溫度最高點(diǎn)傳導(dǎo)至最低點(diǎn)，最終達(dá)到某一穩(wěn)定溫度。在熱量傳遞過程中，隧道襯砌的溫度T是隨空間和時(shí)間不斷變化的，可以用函數(shù)T=T（x、y、z、t）表示。需注意，當(dāng)函數(shù)T對(duì)時(shí)間t的導(dǎo)數(shù)為0 時(shí)，隧道襯砌所處的溫度場(chǎng)為穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)。

（2）凍脹力計(jì)算。高山區(qū)隧道在開挖結(jié)束后，周圍會(huì)產(chǎn)生“凍結(jié)圈”。在計(jì)算隧道襯砌凍脹力時(shí)，需先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初步判定凍結(jié)圈范圍，再改變凍結(jié)圈溫度，使圍巖裂隙中的水凍結(jié)為冰。水凍結(jié)成冰后作用在襯砌上的凍脹力δ可按式（1）計(jì)算[3]：

式中，E——襯砌彈性模量（MPa）；n——圍巖空隙率（%）；α——水凍結(jié)成冰的體積膨脹系數(shù)，可取9%；e——圍巖與襯砌彈性模量的比值；u1、u2——分別為圍巖和襯砌泊松比；p、q、m1、m2——均為計(jì)算參數(shù)，取決于襯砌內(nèi)徑、襯砌外徑、凍結(jié)圈深度等參數(shù)。

2 高寒地區(qū)隧道凍脹力計(jì)算

2.1 工程概況

該隧道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為雙向六車道，限界高度5.5 m，凈寬16.0 m，開挖斷面約130 m2，左線起訖樁號(hào)為ZK15+200~ZK16+350（長(zhǎng)1 150 m），右洞起訖樁號(hào)為YK15+202~YK16+355（長(zhǎng)1 153 m），屬長(zhǎng)隧道。隧道襯砌采用復(fù)合式襯砌，并在初支和二襯之間設(shè)置防、排水層。根據(jù)隧道的詳細(xì)勘察資料，隧道圍巖以砂巖、泥質(zhì)砂巖等為主，圍巖等級(jí)均為Ⅴ級(jí)。同時(shí)，水、冰、混凝土襯砌、圍巖、存水區(qū)域土體的密度分別取1.0 g/cm3、0.9 g/cm3、2.25 g/cm3、1.90 g/cm3、2.05 g/cm3，比熱容分別取4.2 W/(kg·K)、2.1 kJ/(kg·K)、0.95 kJ/(kg·K)、1.35 kJ/(kg·K)、1.60 kJ/(kg·K)。

此外，項(xiàng)目所處區(qū)域?qū)儆诟咴降貧夂?，全年平均氣? ℃，且寒冷天氣持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。一月份溫度最低，平均氣溫為-15 ℃；七月份溫度最高，平均氣溫為10 ℃。

2.2 計(jì)算模型建立

（1）基本假定。高寒區(qū)隧道襯砌凍脹力影響因素多，不可能全部考慮。為了提高計(jì)算效率，擬對(duì)隧道作出以下簡(jiǎn)化：第一，將隧道圍巖和襯砌視作均質(zhì)、連續(xù)、各向同性的彈塑性材料；第二，不考慮地下水對(duì)圍巖和襯砌性能的劣化；第三，冰與土顆粒是不可壓縮的，且水凍結(jié)成冰期間不考慮水蒸氣遷移。

（2）幾何尺寸。由“圣維南原理”定理可知，隧道襯砌的凍結(jié)圈范圍是有限的。結(jié)合相關(guān)研究成果，高寒區(qū)隧道的左、右邊界取3~5 倍隧道凈寬，上、下邊界取3~5 倍隧道凈高，上邊界與實(shí)際地形一致。基于上述原則，隧道計(jì)算模型的尺寸取25 m×30 m，如圖1 所示。

圖1 高寒區(qū)隧道計(jì)算模型

（3）模擬單元。高寒區(qū)隧道的圍巖可用實(shí)體單元模擬，初期支護(hù)和二次襯砌可用板單元模擬。在選定模擬單元后，還要對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。一般情況下，網(wǎng)格尺寸越小，網(wǎng)格數(shù)量越多，襯砌凍脹力計(jì)算結(jié)果越準(zhǔn)確。但是，網(wǎng)格尺寸也不宜過小，否則可能導(dǎo)致軟件計(jì)算不收斂。該隧道模型網(wǎng)格劃分尺寸取0.5 m，共劃分了8 656 個(gè)單元，9 318 個(gè)節(jié)點(diǎn)[4]。

（4）溫度邊界條件。根據(jù)“附面層理論”，當(dāng)?shù)貙由疃冗_(dá)到某一臨界值時(shí)，環(huán)境對(duì)地層溫度的影響基本可忽略。參考相關(guān)研究成果，用正弦函數(shù)表達(dá)溫度邊界條件，見式（2）：

式中，Td——?dú)鉁鼐担ā妫籄——?dú)鉁卣穹ā妫?；wd——角頻率（℃/d）；φ——初相（°）。

2.3 凍脹力計(jì)算

在Midas/GTS 軟件中，隧道襯砌凍脹力可定義為水凍結(jié)前后圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)接觸壓力的差值。為了研究高寒地區(qū)隧道襯砌凍脹力的變化規(guī)律，在拱頂、拱腰、拱底分別設(shè)置應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)為1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)、2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)、3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

（1）不同含水率下的隧道襯砌凍脹力。當(dāng)隧道所處外界環(huán)境氣溫降低至零度以下，圍巖中分布的裂隙水會(huì)凍結(jié)成冰，使得體積膨脹，在圍巖－襯砌接觸面產(chǎn)生凍脹力。該文利用Midas/GTS 軟件計(jì)算了含水率為10%、15%、20%、25%、30%時(shí)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的凍脹力，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 隧道不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)凍脹力

由表1 可知：隨著含水率的增加，隧道襯砌不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的凍脹力也不斷增加，含水率與凍脹力之間基本呈線性正相關(guān)關(guān)系。含水率每增加5%，1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)、2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)、3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的凍脹力平均增加0.50 MPa、0.58 MPa、0.55 MPa。同時(shí)，在含水率相同的條件下，拱頂?shù)膬雒浟ψ钚?，拱腳的凍脹力最大，拱腰的凍脹力在拱頂和拱腳之間。上述現(xiàn)象表明[5]：高寒區(qū)隧道襯砌的凍脹力對(duì)水分較敏感，在設(shè)計(jì)時(shí)要加強(qiáng)防排水，以降低圍巖含水率，減小襯砌所承受的凍脹力。

（2）不同襯砌剛度下的隧道襯砌凍脹力。在圍巖含水率為20%的條件下，利用Midas/GTS 軟件分別計(jì)算了隧道襯砌彈性模量為8 GPa、12 GPa、16 GPa、20 GPa、24 GPa 時(shí)，1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的凍脹力，計(jì)算結(jié)果見圖2。

圖2 凍脹力-彈模關(guān)系圖

圖2 計(jì)算結(jié)果表明：隧道襯砌1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的凍脹力隨彈性模量的增加而增大，但增加速率逐漸變緩。當(dāng)隧道襯砌彈性模量＜20 GPa，其凍脹力呈驟增趨勢(shì)；當(dāng)隧道襯砌彈性模量超過20 GPa 后，凍脹力變化不明顯。此外，隧道襯砌彈性模量從8 GPa 增加至24 GPa，凍脹力從1.72 MPa 增加至2.50 MPa，增加幅度為45.3%。因此，高寒區(qū)隧道襯砌設(shè)計(jì)時(shí)可在滿足承載力和變形的前提下，二次襯砌背后可填充彈模較低的彈性材料，可減小作用在襯砌上的凍脹力。

3 高寒地區(qū)隧道防凍脹技術(shù)

大量工程實(shí)踐表明，高寒區(qū)隧道襯砌防凍脹措施在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循“因地制宜、綜合治理”的原則，做好防排水（以排為主，防排結(jié)合）、襯砌保溫。

3.1 防排水技術(shù)

（1）防水措施。為了防止地下水滲入隧道襯砌中，首先要通過在混凝土中加膨脹劑、提高混凝土密實(shí)度等方法來(lái)提高襯砌的防滲等級(jí)。對(duì)于高寒區(qū)公路隧道，其襯砌防滲等級(jí)不宜小于P10；其次，在初支和二襯之間應(yīng)鋪防排水板。防水板卷材一定要能耐低溫，否則在寒冷天氣下材料性能容易衰減，導(dǎo)致其失去防水功能；最后，在施工縫、沉降縫等位置安裝耐低溫止水條帶[6]。

（2）排水措施。相對(duì)于普通隧道，高寒區(qū)隧道的排水設(shè)計(jì)難度大，要確保排水溝及出水口在低溫條件下不凍結(jié)，具體措施如下：在隧道二次襯砌背后設(shè)置環(huán)向滲水軟管，墻腳外側(cè)設(shè)置縱向排水盲管，以便于將隧道周邊地下水引至仰拱下的縱向深埋中心排水溝，如圖3所示。

圖3 拱底深埋水溝示意

此外，當(dāng)最冷月平均氣溫低于-25 ℃時(shí)，還可在隧道的正下方設(shè)置防寒泄水洞來(lái)排出地下水。防寒泄水洞在施工時(shí)要超前主洞掌子面50~100 m，也可作為超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的補(bǔ)充手段。

3.2 保溫技術(shù)

傳統(tǒng)的隧道襯砌保溫措施多采用釘掛保溫板的方法，會(huì)在襯砌表面鉆孔打眼，會(huì)降低隧道結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，且保溫板存在拼接縫隙，保溫效果差。為了解決這一問題，國(guó)內(nèi)很多高寒區(qū)隧道保溫開始采用無(wú)機(jī)纖維保溫噴涂技術(shù)，即利用專用設(shè)備將材料噴涂在隧道襯砌表面（與襯砌100%貼合），不會(huì)損傷隧道襯砌結(jié)構(gòu)，具體施工流程為噴涂基面處理→基底預(yù)噴→噴涂施工→表面整形→表面粘貼玻璃纖維布。

4 結(jié)論

該文主要研究了高寒區(qū)隧道分類、圍巖凍脹影響因素和理論，并以某高速公路隧道為研究對(duì)象，計(jì)算了襯砌凍脹力變化規(guī)律，提出了防凍脹措施，得到了以下結(jié)論：

（1）高寒區(qū)隧道無(wú)統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，但其凍脹均與水、圍巖特性、襯砌剛度等因素密切相關(guān)。

（2）隧道產(chǎn)生凍脹的根本原因是外界寒冷空氣與襯砌之間產(chǎn)生了熱傳導(dǎo)。

（3）高寒區(qū)隧道襯砌不同位置的凍脹力隨含水量和剛度的增加而增大，在設(shè)計(jì)時(shí)要加強(qiáng)防排水措施，可在初支和二襯之間填充一定厚度的低模量彈性材料，以減輕作用在二襯上的凍脹力。

（4）為了提高高寒區(qū)隧道襯砌保溫效果，可采用無(wú)機(jī)纖維保溫噴涂技術(shù)。