厉彦军

摘要：在我国大多数的寒冷地区，尤其是多年的冻土地区建设隧道时易发生冻害现象，这对隧道工程的使用期限与行车安全产生较大的危害。下面将围绕隧道冻害这一隧道病害，从冻害种类、冻害发生的原因以及隧道冻害的防治措施这三个方面总结。

关键字：隧道，冻害，原因，防治

隧道冻害是指寒冷季节地区的隧道内水泥和围岩积水冻结，引起隧道拱部挂冰、边墙结冰、衬砌胀裂等现象。我国北方及高海拔地区由于冬季气候寒冷，隧道冻害已经成为一种普遍的病害。

1、冻害的种类

1.1冰柱、挂冰、冰塞

隧道中渗漏的地下水通过混凝土裂缝渗出，在渗出处受低温影响积成冰柱，其中以施工缝处较多，如不清理，挂冰随时间越积越大，甚至累积十至几十厘米厚，挂冰过大时会侵入限界，危及行车安全。冰塞子是由于隧道排水设施保温不好引起结冰堵塞排水沟的现象。隧道排水不畅，结冰堵塞排水管，衬砌积水或围岩中的水结冰而膨胀对它产生破坏。

1.2衬砌发生冰楔

硬质围岩衬砌背后积水冻胀或者由于围岩受冻膨胀对衬砌产生推力，产生冰冻压力（称为冰劈作用）。隧道施工过程中预留的施工缝和变形缝积水后受冷膨胀，经多次冻融循环，裂缝不断扩大，最终使衬砌开裂、酥松、剥落。

1.3围岩冻胀破坏

修筑在不良地质地段的围岩及破碎花岗岩、砂岩地段的隧道，若围岩及结构含水量较大时，在寒冷气候下会发生冻胀破坏，主要有：

1）衬砌上拱变形与开裂。衬砌上拱受冻害影响时，受重力和冻胀力作用，拱顶下沉，衬砌开裂，严重时发生错牙，影响稳定。冻融时又有回复，多次循环可导致衬砌剥落，对结构安全不利。

2）隧道边墙变形严重。隧道边墙后设有竖向和横向的排水沟，可将墙后的水收集排出，如果排水不畅，积水成冰，产生冻胀压力，作用在边墙上使边墙变形，作用在拱脚使衬砌向建筑界限位移，衬砌变形。

2、冻害的成因

2.1寒冷气温的作用

隧道所在地区气温低于0℃或正负交替过于频繁，反复冻融加快结构的破坏。

2.2季节冻结圈的形成

季节冻结圈是沿衬砌周围最大冻结深度连成一个圈。衬砌周围超挖，回填时填料透水性差，回填密实度不够，产生积水，容易形成冻结圈。

2.3岩性对冻胀的影响

在冻胀性岩层中修建的隧道容易发生冻害。在冻胀性岩层中修建隧道，围岩会对衬砌产生很大的冻胀附加应力，衬砌拱部与洞墙有较大的压应力，叠加上受到的冻胀作用，拱和边墙的混凝土容易受到破坏。

在隧道的季节冻结圈内如果是非冻胀土，不会产生冻胀力，隧道结构不会冻胀作用。冻结圈内冻土的分布情况决定发生冻害的部位，如果隧道围岩是均匀分布的冻胀性土，则发生冻胀时沿衬砌外围对称均匀分布；如果是成层状分布的冻胀性土，就可能出现冻胀部位不对称和非均匀分布。

围岩空隙率对冻害也有较大的影响，一方面如果围岩呈现碎块状，地表水经空隙渗透流进衬砌。另一方面，水分填充到岩体的空隙中，受冷就会产生冻胀力，孔隙率越大，围岩中水分越多，冻胀力相应地变大。

2.4隧道设计和施工的影响

隧道在设计和施工时主要在设计阶段，对防冻问题没有考虑或考虑不周，造成衬砌稳定性及防水能力不足、洞内排水设施保温不好、排水设计不合理、接缝处强度低，加上施工单位未按施工规范认真施工等，产生隧道病害最主要原因是水的渗漏，隧道发生冻害很大原因就在于没有做好防排水设施，没有及时有效地把围岩及衬砌中的水排出洞外。某些地区施工地质条件对防水技术实施有一定的限制，在施工过程中，在隧道运营阶段随着时间推移伸缩缝和施工缝渐漸发展成缝隙，使水进入衬砌内部。选用隧道混凝土时，标号过低，抗渗性差，水渗入混凝土内部，产生水害，气温降低后，积水结冰就会产生一系列的冻害。

隧道冻害严影响隧道的正常使用，影响铁路、公路隧道的安全运营，有关部门每年都投人大量的人、财、物进行整治，所以我们要加强对冻害的研究。

3、隧道冻害的防治

3.1综合治水

隧道冻害的形成最主要的原因就是水和低温，这二者共同作用是产生冻害的直接原因，因此冻害的治理最关键的还是要解决好水的治理。如果能将衬砌、围岩和隧道中的积水及时排到洞外，没有积水温度再低也不会出现冰冻和冻胀力等，因此治水是防治冻害的最基本措施，它的主要内容包括下面两点：

1）对有冻害的地段增设或改进防、排水设施，使衬砌后无积水。提高排水设施的防冻保温，防止因气温过低导致管道堵塞。常用的排水设施有双侧保温水沟、中心深埋水沟、防寒泄水洞等。

2）提高衬砌抗渗抗冻能力。在混凝土拌合物中加入引气剂，在混凝土内部产生大量密闭、稳定的小气泡，从而提高混凝土的抗渗能力，减少内部含水量，还能提高混凝土抵抗变形的能力。

3.2更换土壤

更换土壤实质就是把冻胀性土改造为非冻胀性土，把冻结范围内的围岩更换或改造，从而使水不能留在围岩之中，在寒冷季节由于土和围岩的排水性较好，没有过多的积水从而不会发生冻胀。理论换土厚度为：允许保留总冻胀量不大于允许值的冻胀土时，可取为冻深的0.8至0.9倍；若充分发挥排水设施的作用时，可降冻深的0.7倍。

3.3保温防冻

保温防陈就是通过控制温度、使围岩中的水分达不到冰点，以达到防治冻害的目的，采一层保温层，防止衬砌周围用的类型主要是在隧道内加筑保温层：在消除隧道渗、漏水的基础上，隧道衬砌的内缘加筑形成季节冻结圈。现在常采用的保温材料有：加气混凝土、浮石混凝土、泡沫混凝土等。保温衬层的四周应设防潮层，避免保温层受潮失效，还能保护衬砌混凝土干燥，还可通过加设加热设施提温度，使水无法达到结冰温度。

3.4设置弹性层

弹性层可以缓冲和减弱水体结冰后对结构变形的影响，采用弹性垫层是一种简单，易于实施的冻害防治措施，极大地降低冻融对隧道结构的破坏。

3.5围岩注浆措施

在隧道地下水丰富区段以及常年都有地下水补给的地段多采用局部注浆的方法。浆液材料凝固后充满围岩的空隙，防止水通过裂缝流进衬砌和隧道，同时保护围岩稳定，减弱冻胀对围岩整体性的破坏。围岩注浆措施对于围岩中含水裂隙层和富水的破碎带效果明显，可以起到防止围岩渗水、提高堵水、增强隧道围岩稳定性、强度和削弱冻胀力对围岩破坏的作用。

5、总结

冻害对隧道建设的危害已经受到设计、施工、运营等多方的重视，对于冻害的防治，应在隧道设计阶段充分考虑各种因素的影响，施工认真负责，运营阶段坚持预防为主、防治结合的理念，实现安全和经济的双重效益。

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