张镇国，伍毅敏，张庆宁

(1.中铁二十二局一公司， 北京 100040；2.中南大学 土木工程学院， 湖南 长沙 410075)



经时视角下山岭隧道水害冻害若干问题的实证研究

张镇国1，伍毅敏2，张庆宁2

(1.中铁二十二局一公司， 北京 100040；2.中南大学 土木工程学院， 湖南 长沙 410075)

摘要:针对防水防冻技术措施的实际工作状态，采取实验方法对其中几个关键问题进行研究，结果表明：受压状态下复合防水层土工布的横向导水性能很低，并会逐年淤塞丧失功能，各类排水管的外包土工布和滤水层也存在明显的淤塞问题，这一现象导致了隧道排水系统逐步失效，形成并加剧隧道渗漏；冬季寒区隧道洞口段和洞身段衬砌的平均温度差异不大，温度振幅和正负温交替次数差异显著，短周期冻融循环的累积损伤才是引起隧道衬砌冻害的根本原因，而不是负温冻结本身；对于寒区隧道层间聚氨酯保温板，考虑初支二衬的相互挤压、防水板破损导致浸水以及多频次短周期冻融循环作用，其内部结构破坏和热力学性能劣化将逐年发展，威胁结构长期安全。上述实证结论值得引起隧道水害冻害研究和设计者重视，可为进一步的量化研究提供参考。

关键词：隧道工程；防水防冻；经时特征；实证研究

渗漏水是隧道工程最常见的病害，调查资料显示有超过七成的隧道存在渗漏水现象[1-2]。在高纬度或高海拔地区，渗漏水又与冻害互为因果，进一步加剧了对工程的危害[3-4]。为了解决隧道水害冻害问题，近年来，国内外开展了大量的科学研究工作，开发了不少新技术和新材料，取得了一定的进展[5-8]。然而，由于问题的复杂性，隧道工程的水害冻害问题并没有得到实质性的改观，特别是防水防冻的长期效果很不理想[9-13]。为了揭示隧道水害冻害形成和逐年发展的根本原因，笔者近年来就隧道水害冻害研究中的若干问题开展了实证和实测工作，发现了一些不同于以往认识的现象，汇总于此供同仁借鉴参考，以期推动水害冻害研究工作取得实质性突破。

1复合防水层土工布的横向导水性能问题

复合防水层由防水板和土工布组成，在矿山法隧道中专门起防排水作用。其中防水板通常为PVC和EVA等高分子材料，主要起防水隔水作用；土工布通常为无纺织物，起到保护防水板和横向疏导渗水的作用。对于防水板施工后是否保持完好这一问题，工程界已早有认识，而对于防水板在长期运营的挤压搓揉作用下的完好性问题，一些研究者也已经通过实验方法进行了揭示[14-15]，这些问题都应引起防水防冻研究的高度重视。而对于土工布的横向导水能力，目前尚未有专门的研究，相关规范也未作具体要求，在工程设计时仅对单位面积的重量提出要求。土工布如果不能发挥横向导水作用，初期支护渗出的水将不能通过横向渗透进入环向排水盲管或向下渗入拱脚纵向排水管，从而导致隧道排水系统不出水，或者隧道拱脚不渗水而拱部渗水等问题，这在实际工程中十分常见。

为了测试土工布的横向导水能力，笔者专门研制了一种复合防水层横向渗透能力测试装置，如图1所示，其主体结构包括安平支座、下承载板、不锈钢丝杆、上承载板、锁定螺母、测力千斤顶、垫块托板和注水密封件和流量表。实验时，垫块试件模拟二次衬砌，压块试件模拟初期支护，复合防水层置于垫块和压块之间，采用测力千斤顶模拟初期支护与二次衬砌之间的接触压力，通过压块试件中心的注水孔向复合防水层注水。

(a)结构设计图；(b)三维效果图　　1-安平支座，2-下承载板，3-不锈钢丝杆，4-上承载板，5-锁定螺母，6-测力千斤顶，7-垫块托板，8-注水密封件，9-流量表，10-垫块试件，11-复合防水层，12-压块试件图1　复合防水层横向渗透性能测试装置Fig.1 Permeable performance testing device of composite waterproofing layers

通过试验发现以下现象(限于篇幅，详细数据参考其他文章，下同)：

1)随着压块和垫块之间接触压力的增大，复合防水层的横向透水能力逐步下降。对于分开浇筑互不耦合的压块和垫块，当接触应力达到2.72MPa时，横向透水能力极小(几乎不透水)；对于整体浇筑互相耦合的压块和垫块，当接触应力达到0.68MPa时，横向透水能力极小。后者的耦合程度与实际工程较为接近，由此可见挤压状态下复合防水层的横向透水能力极低，除非有不紧密接触带或防水板褶皱，否则渗水在初支和二衬间很难形成有效的渗流，这使得排水系统不能起作用。

2)粗糙接触面的横向透水能力高于平滑接触面，即使在压力作用下仍具有较好的透水能力，但与此同时，粗糙接触面对防水板的损伤却极为明显。从保护防水层角度看，应尽量使初期支护表面光滑平整，而从保持初支二衬之间的透水性角度看，则应保持其表面粗糙。在防水层完整性及长期性能不能保证的情况下，宁可取其后者。

3)在接触压力作用下，压块试件的中心孔内的水位可以始终保持在3～5cm的高度，即复合防水层的横向透水存在一个启动水头。当积水水头低于启动水头时，渗水不能在初支和二衬之间的形成渗流。这意味着对于有地下水的隧道，初支和二衬之间的积水是永远存在的。因此，只要二次衬砌存在防水薄弱点，渗漏将不可避免，而对于寒区隧道，衬背积水冻胀也必然存在。

4)随着渗水次数的增加，特别是含泥沙的水的渗透，复合防水层的横向透水能力可以快速下降，最终完全丧失透水能力。这一特征很好的解释了为什么多数隧道是在修建几年以后开始发生排水失效和渗漏问题。

2管路外包土工布及滤水层的长期透水性能问题

山岭隧道排水系统主要由环向排水盲管、纵向排水管、横向排水管和中央排水管组成。除横向排水管只起到横向连通作用之外，其余管路都兼起汇水和排水作用。为了达到这一目的，纵向排水管和中央排水管都必须在管路上半断面开孔汇水，同时为了防止泥沙进入，又在管路外包土工布、上覆级配碎石滤水。采用这一方案，土工布和滤水层的实际透水能力对排水系统有决定性影响。

为了测试管路外包土工布和滤水层的长期透水性，制作如图2所示模型箱，将工程中常用的直径为100mmPVC管打孔后装入模型箱，外包土工布并填入级配碎石进行透水性模拟实验。在试验中分别考虑了级配碎石、级配碎石加砂、级配碎石加黏土等3种工况，分别模拟理想状态和泥沙淤塞状态。每种工况按照泥沙掺入量又分成若干等级。

(a)模型箱示意;(b)管路汇水照片图2　管路外包土工布和滤水层透水性试验Fig.2 Water permeability test for out wrapped geotextile and filtering layer

通过试验发现，当级配碎石洁净无泥沙进入时，排水管流出的水较清澈，流量较大，从排水管内可以看到管内透水孔透水流畅，大多数透水孔水流呈柱状射线涌出。而当级配碎石中填充砂子时，则只有少量透水孔水流呈柱状射线，明显少于洁净级配碎石工况时呈柱状射线孔的数目，大部分透水孔水流沿排水管管壁向下流淌。而级配碎石中填充粘土后，流水呈线状的透水孔数目极少，并且水柱较细且呈抛物线形，这些孔同样分布在排水管上游边缘处，其他绝大多数透水孔渗水贴管壁缓慢流动。

结合某工程中央排水管的设计参数，通过相似比的推演，获得其中央排水管在洁净级配碎石条件下每米管路的汇水能力为1 694.5cm3/s，被黏土严重淤塞时将下降至400.00cm3/s，而该隧道实际所需排水能力为一般期1 175.93cm3/s，暴雨期2 298.61cm3/s。可见在强降雨条件下，隧道排水管路不能及时将渗水汇集排走，引起隧道内渗水问题：对于隧道拱脚纵向排水管，由于汇水排水不及时，导致水在衬砌背后拱脚位置积蓄，然后通过衬砌的水平纵向施工缝渗出；对于路底中央排水管，由于汇水排水不及时，导致路基和路面结构层积水，在车辆荷载反复作用下产生泵吸效应，出现路底脱空，进而引起断板、翻浆冒泥等病害。

3寒区隧道洞身衬砌的温度均值及波动问题

寒区隧道洞内温度分布是揭示隧道冻害机理、构建冻害设防标准的根本依据。长期以来，对寒区隧道温度场的研究都主要关注宏观特征，大多从年度周期的角度来考察寒区隧道冻融循环。在此背景下，往往认为冻胀力的静力效应是引起隧道衬砌结构冻害损伤的主要原因，并据此提出以月平均最低气温、岩土最大冻深和冻结指数等宏观指标作为设防依据。而静力损伤实际上很难解释冻害的逐年渐进发展特征，因为如果冻胀力的静力作用可以使隧道结构破坏，那么在第1个或前几个冻结期就将发生结构损伤，而且这种损伤应该较为普遍，但实际情况并非如此。因此，需要从经时发展的角度对冻害机理开展进一步的分析。

要获得寒区隧道负温作用的累积效果，势必需要将温度波动的考察周期缩短。为了获得隧道洞内温度的短周期波动特征，笔者研制了一种低温智能温度记录仪，开展了寒区隧道洞内温度的长期连续实测。该温度记录仪采用专用低温锂电池，通过应用休眠唤醒技术，可以在极端寒冷且无外电源条件下，自动监测和记录4～6个月的低温数据。应用该温度记录仪对山西大同鸿福隧道进行了2a的连续实测，获得了以下结果。

1)隧道洞身段衬砌平均温度与洞口段差异不大，洞身段在冬季处于负温是常态现象，平均温度的差异不足以支撑洞口段冻害比洞身段严重的工程现象。如图3所示，衬表平均温度由进风口到出风口单调变化(除接近出风口的极短区段外)，洞外负温可以长距离的影响至洞内，没有观测到一些文献认为的“冬季洞口温度低、洞中温度高，近似抛物线或倒V字型的温度分布”现象。究其原因，在通风条件下，洞外负温空气可以快速贯通整个隧道，以所测鸿福隧道为例，隧道全长2 300m，风速仅按3m/s计算，负温空气13min即可流通至出口。而洞身段处于负温这一现象，较好地解释了隧道洞身段也存在排水系统冻结的现象，也说明在长隧道中部同样需要对排水管路进行保温防冻。

图3　实测衬表日平均温度沿隧道纵向的变化曲线Fig.3 Varying curve of daily average lining surface temperature measured in-situ versus tunnel longitudinal depth

2)隧道洞身段与洞口段的温度差异主要在于温度波动幅度，以及由此引起的正负温交替次数。监测数据显示，寒区隧道洞口段的温度日较差(日最高温度与最低温度的差值)显著大于洞身段，隧道衬砌温度变化范围为洞口大、洞身小的喇叭形。由于平均温度相差不大而洞口段振幅较大，使得隧道洞口段的正负温交替次数显著大于隧道洞身段。以鸿福隧道为例，进风口气温日较差多数可达12-15 ℃，进洞以后快速下降，进洞100m可降至2-4 ℃左右。正负温交替次数则由洞外的104次，快速降至20～30次。寒区隧道衬砌温度的短周期波动特征及其累积效应，既能够解释寒区隧道冻害的经时累积特征，又可以解释隧道洞口段和洞身段冻害严重程度的差异，有必要开展进一步的深入研究。

4层间聚氨酯保温板的挤压吸水冻融问题

目前，我国寒区隧道设防主要采用保温隔热方法，对隧道衬砌结构大多采用铺设保温层的方法进行保温。按照保温层的铺设位置可以分为衬砌表面铺设和初支二衬层间铺设两类，其中层间保温层应用更为广泛，目前我国多数寒区高速铁路隧道都采用层间铺设聚氨酯板的保温方案。聚氨酯板具有导热系数低、吸水性低、阻燃性好、耐老化等特点，广泛应用于北方地区各种管路的保温。而将其应用于隧道衬砌保温，主要目的是利用其较低的导热系数，阻隔衬砌结构和冷空气的热量交换，防止衬背围岩冻结。但是，层间保温板是否能够达到预期保温目的，还必须考虑以下几点：一是由于初支二衬的相互挤压作用，聚氨酯多孔结构可能受到破坏，其吸水性可能发生变化；二是保护聚氨酯保温层的防水板存在很大的破损风险，加大了其浸水概率；三是隧道内短周期冻融循环，可能加剧挤压吸水后聚氨酯保温层的性能退化。

为了掌握层间聚氨酯保温板挤压吸水冻融造成的影响，笔者对其进行了室内模型试验，主要开展了聚氨酯板的自由吸水冻融试验、饱和吸水冻融试验、约束饱和吸水冻融试验，并与聚氨酯板的单纯压缩和单纯吸水试验结果进行对比。通过试验发现以下结果。

1)反复冻胀挤压作用下聚氨酯内部多孔结构发生破坏。以饱和吸水冻融循环为例，10～50次冻融循环后试件的切片显微扫描显示(如图4)：10循环试块内部气孔较为稳定，20循环试块开始出现较多小气泡，30循环试块中小气泡合成为多个大气泡，40循环和50循环中出现水中染色剂颜色且50循环中被染色区域增大。这一结果表明，对于层间聚氨酯保温板，由于初支二衬的相互挤压，以及存水环境中的短周期冻融循环，其内部结构将发生破坏，势必影响其吸水和保温特性。

(a)10次冻融循环;(b)50次冻融循环图4　不同冻融循环数下试块中心部位切片显微扫描照片Fig.4 Micro scanning photo of slice from specimen center experienced different freezing and thawing cycles

2)反复冻胀挤压作用下聚氨酯材料的吸水率和变形率显著增大。无约束条件下，经过10次饱和吸水冻融循环，聚氨酯保温板的平均吸水率可达48.39%(质量比，下同)。而在约束条件下，聚氨酯保温板与饱和吸水冻融循环次数呈线性增长关系，经过50个冻融循环后试块最大吸水率达868%。

因此，对于寒区隧道中使用的层间聚氨酯保温板，一旦防水板失效，就可能随着衬砌温度的短周期正负波动而发生吸水冻融循环，吸水、冻融、层间挤压三者相互作用，将明显加速保温板的失效，由此引起的冻害和层间脱空，给寒区隧道埋下巨大隐患。

5结论

1)复合防水层的土工布导水性能不佳，有必要在复合防水层与初期支护之间增加密集排水通道；排水管路外包土工布和滤水层存在淤塞问题，需要改变设计方案。

2)寒区隧道洞内冻害主要由短周期冻融循环引起，采取最低月平均气温或冻深作为设防依据不甚科学，建议采用隧址区年度正负温交替次数。

3)寒区隧道层间设置保温板存在很大的技术风险，失效后不可更换，建议在工程实践中不予采用。

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* 收稿日期：2015-09-01

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51008308，51478473)；中铁二十二局科技项目(12-220102A)

通讯作者：伍毅敏(1980-)，男，江西赣州人，副教授，博士，从事隧道与地下工程教学科研工作；E-mail:wuyimin531@163.com

中图分类号：TU91

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2016)06-1129-06

Empirical researches on time-varying characteristic of water and frozen disease in mountain tunnel

ZHANG Zhenguo1，WU Yimin2，ZHANG Qingning2

(1.The1stEngineeringCo.,LtdofChinaRailway22ndBureauGroup,Beijing100040,China;2.SchoolofCivilEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410075,China)

Abstract:Based on actual working state of waterproof and anti-freezing measures, this paper studies several key issues with experiment methods. Results show that: Geotextile in composite waterproof layer whose radial hydraulic conductivity is very small under the compression state, and it will get blocked year by year until the loss of its function. In addition, obvious blocking problems also exist in out wrapped geotextile and filtering layers of varied drainage pipes. This phenomenon leads to progressive failure of tunnel drainage system, as well as formation and intensifying of tunnel leakage. In winter, average temperature has little difference in the external and the internal part of tunnel, while the difference of temperature amplitude and alternation frequency between positive and negative temperature is obvious. Cumulative damage of freezing and thawing cycle with short period is the primary cause of tunnel lining's freezing damage, rather than freeze itself under negative temperature. For the polyurethane sandwich panel installed at interlayer of cold region tunnel, its internal structure damage and thermodynamic performance degradation will develop year by year taking extrusion between initial and second lining, seepage induced by waterproof board damage and frequent freezing and thawing cycle with short period into account, which threats structure's long-term security. The above conclusions should be brought to researcher and designer who focus on water and freezing disease of tunnel and can also provide a reference for further quantitative research.

Key words:tunnel engineering; water and frozen disease; time-varying characteristic; empirical research