赵天望，戴长雷，张凯文

(1.黑龙江大学寒区地下水研究所，哈尔滨 150080；2.黑龙江大学水利电力学院，哈尔滨 150080；3.黑龙江大学中俄寒区水文和水利工程联合试验室，哈尔滨 150080)

0 引 言

近年来，中国交通建造的速度快、数量多，也取得了很大的成果。国家为促进交通基础建设的发展，中国的公路隧道工程不断的向边缘地区扩建，其中也包括部分高寒地区。在北方寒冷地区，路隧出现的渗水结冰现象，不仅严重影响行车安全，也减少了路隧工程的使用寿命，增加了运营和养护的成本。如何在设计、施工过程中做出较好的预防，在运营中面对这类病害有效的处理措施，显得越来越重要。为此，本课题开展了路隧涎流形成原因的调查与研究，提高路隧的耐久性和结构承载能力，保障公路隧道的运营安全。

1 涎流冰介绍

涎流冰，又叫“冰锥”、“冰柱”、“冰挂”，是指水碰到温度≤0℃的物体表面时所形成的表面粗糙无光泽或透明玻璃状的冰覆盖层。邹德昊[1]等通过模拟试验得出冰柱初步生长发育过程。冰体多为锥体状，锥尖锋利，垂直向下，一旦坠落伤及行人、车辆，后果不堪设想。隧道渗水问题已成为工程界备受关注的问题[2]，但地处东北地区，气温较低，雨雪较多。其次，季节性冻土与覆盖层等长期处于低温条件下就易出现涎流冰现象。形成这种现象的原因有很多而且复杂，不同因素甚至相互影响。显然，这种现象也暗示着目前寒区路隧的病害防治仍需要深入研究。通过调查和分析，对其原因进行分类，并不断的追踪问题出现的深层次原因，这将有助于各种有效防治措施的制定。

文章根据黑龙江省哈尔滨市某路隧的现场调查情况，针对寒冷地区当前公路隧道施工的现状，分别从结构强度、气候条件、接缝和防排水处理等多个角度分析，研究路隧渗水结冰的机理，提高防治技术。

2 寒冷地区路隧渗水结冰及其成因分析

2.1 寒冷地区常见的路隧渗水结冰的表现形式

黑龙江省哈尔滨市某公路隧道自正式通车以来，经过几年的运营，路面的伸缩缝和施工缝因温差变化大、地基不均匀沉降、设计和施工缺陷等原因，导致隧道底部出现开裂、剥落的现象，隧道底部出现明显开裂、剥落，见图1。路隧建造完成后容易出现渗漏水问题，水流顺着裂缝方向不断延伸，扩大受侵面积，增加渗水量[3]，隧道底部出现大量渗水现象，见图2。

图1 隧道底部出现明显开裂、剥落

图2 隧道底部出现大量渗水现象

中国东北部，属于高寒地区，具有独特的地理环境。较长的低温条件，使得混凝土容易开裂，造成新的渗漏，路隧底部渗水处遇到冷空气出现结冰现象。这不仅对路隧结构本身造成了很大的损害，也给交通安全带来很大的隐患[3]。根据现场观察的情况，在寒冷地区的冬季，路隧的多处施工缝及边坡处出现多处开裂、孔洞。外部的装饰及施工材料严重脱落，并出现多处涎流冰，隧道底部出现大量涎流冰，见图3。

图3 隧道底部出现大量涎流冰

水源是造成渗漏的主要原因之一，路隧渗水的来源一方面是地表水，另一个是地下水汇流[4]。在冬雨季，路面融化的雪水是涎流冰产生的物质基础，顺着结构下部雪水缓慢向下流淌，在隧道中遇到冷空气的产生凝结，形成覆冰，随着时间的增加，冰体继续向下发展形成涎流冰。当涎流冰的体积不断增大，自重达到极限时，在风荷载的作用下冰体发生破坏[5]。又由于涎流冰一般成密集排列，凝结在一起，并且下端成锥形状，高空坠落危险系数较大，严重影响行车安全[6]，隧道里汽车行驶画面，见图4。

图4 隧道里汽车行驶画面

通过实地考察，测定当日温度，对渗水处进行观察。受调查环境所限，不能对冰体进行精确测量。于是通过拍摄照片，记录冰体形态，不同时间涎流冰的形态，见图5。现场统计相同部位在不同环境条件下涎流冰的数量变化，发现在0 ℃以上未见冰体产生，当温度处于0 ℃以下时开始形成涎流冰。随着时间的推移，渗水量变大，冰体也开始发育，使得涎流冰数量增多，不同环境条件下渗水处涎流冰数量变化情况，见表1。

(a)拍摄于2020.11.13

(b)拍摄于2020.11.18

(c)拍摄于2020.12.22

(d)拍摄于2021.04.08

表1 不同环境条件下渗水处涎流冰数量变化情况

在中国公路路隧工程建设的过程中，渗水病害一直是工程界关注的重点，成为了路隧的质量通病之一，又由于寒冷地区的地域特点，导致结冰。这也成为了寒区交通事业发展的一大难题。

2.2 寒冷地区路隧涎流冰的成因分析

2.2.1 从结构本身分析

根据调查可知，目前大部分的公路隧道多采用钢筋混凝土结构，这种结构在长时间的重荷载的重复作用下，容易导致路面梁板反复拉伸，从而降低结构的稳定性。再加上湿度、温度等因素而产生内部应力，导致结构的紧密性变差，形成细微裂缝，当路面地表水、积水、雨水未有效处治或快速蒸发，在汽车的反复碾压下，透过裂缝渗流到路面底部，从而造成渗水现象[7]。另一方面，由于钢筋遇水受侵蚀，易生锈，并与空气反应，产生过多氢氧化铁侵蚀物，从而对周边混凝土产生膨胀应力，使得混凝土进一步开裂。受侵蚀影响，钢筋强度降低且发生变形，导致结构承载力下降。以至于诱发更多的裂缝，加快水分向下渗流。

2.2.2 从气候条件分析

东北地区，冬季较长，雨雪天气较多，且属于高寒季节冰冻区。冬季施工过程中，对混凝土浇注后不采取保温措施，气温处于零下，混凝土吸水饱和，容易发生冻胀。此时混凝土中骨料空隙多，易吸水；混凝土水灰比较大、振捣不密实；再加上前期养护措施不足，导致混凝土受冻，影响结构稳定性，易产生裂缝[8]。

由于北方地区温度较低，当温度<0℃，水结冰而膨胀会破坏混凝土的内部结构而使建筑材料不密实。使得裂缝进一步扩张，最终导致混凝土结构发生破坏。而铺装层裂缝的扩张，会引起渗水问题的发生，这一过程周而复始， 最终造成铺装层发生严重的破坏问题，以至于路隧底部开裂、剥落，并出现渗漏现象。当裂缝处渗水后，水滴向下流，遇到冷空气凝结成冰，然后渗水继续沿着形成的冰体向下延伸，从而形成涎流冰形态。

2.2.3 从接缝和防水处理分析

由于，施工过程中接缝处理方法不当，容易导致伸缩缝、施工缝出现严重渗漏[9]。这种病害在路隧建造中比较普遍，并且危害性比较大，在下雪或者雨季的时候，缝隙间经常出现漏水，遇冷空气凝结成冰，以至于隧道顶部易出现涎流冰现象。冰体发育过程中会造成周围结构产生开裂，形成地下水汇流通道，产生局部水压力使裂缝变宽，为冰体发育创造“空间”。

施工时通常用泄水管和排水管进行排水处理。但是，在施工的过程中经常会出现管道冻坏破损;注浆时造成泄水孔和排水孔堵塞;防排水工程设计不合理、方案不完善等问题，严重影响防水效果。

3 路隧滴水涎流冰的防治措施

3.1 加强防排水措施

对于路隧涎流冰现象主要是由于水的冻结造成的。因此，必须优化路隧工程的排水系统，制定更加合理的防排措施，有效的解决渗漏问题。做到雨季不积水，冬季无积雪。

1)在选择泄水管和排水管时，尽量选择硬度大且抗冻的材料，避免在施工过程中因材料问题造成破损，也防止水类病害的进一步扩展和蔓延[10]。另外，埋设管道的同时在其周围设置防护材料。不仅减少浇注混凝土时造成的破坏。也可防治其在隧道运营过程中受水侵蚀。在泄水管埋设时确定足够的长度，避开道路主体部分，保证水流能够排走。为避免排水管漏水冲刷混凝土，应定期检查维修排水管道。排水口的宽度也不宜设置过小，以防堵塞，影响排水效果。

2)重视接缝处理工作，如伸缩缝、施工缝等部位的施工方法和顺序，提高接缝的平整度以及结构的完整性[11]。通过调查发现，隧道施工过程中接缝处极易在冬季渗水结冰，一方面是因为施工顺序有误，导致路面压实度不足。另一方面，是因为在处理接缝处时混凝土振捣不足导致厚度不够，与其他面层之间出现高低差，从而形成积水缝。冬季易局部结冰，形成冻胀力，引起混凝土强度的损失和破坏。缝隙处经常被认为是冻害最严重、最集中的地方，使得路隧整体结构稳定性降低，所以在施工过程中应高度重视接缝处的施工质量。

3.2 及时养护

在浇注水泥后，由于没有及时进行养护，导致水泥表面水分快速蒸发，造成体积较大收缩。并且混凝土内部水分较多，也导致表面收缩量增大，从而路面产生裂缝，路面上的雨水向下渗流。所以，为提高结构应在混凝土浇注完成后及时实施养护工作，并适当的增加养护时间。此外，还应加强日常防护，渗漏部位要重新维修。出现涎流冰时，应尽早组织人员将其打落，清理干净。由于寒冷地区多雨雪天气，在雨雪后及时清扫，以防路面积水。对于涎流冰出现较多，且不好打理的地方应组织相关部门修补，保证道路交通能够及时运行。

3.3 采取保温措施

在隧道施工层中开设保温层，通过保温设施来提高温度，使得水没办法结冰，防止混凝土产生膨胀应力受到破坏，消除路面渗水对混凝土的收缩[12]。在保温层周边混凝土间掺加防潮材料，保证混凝土的水灰比。这也提高混凝土的密实度。在寒冷地区的冬季，冷空气与路面的热交换是产生冻害的原因之一，使得路隧内部产生应力，造成破坏。所以在选择保温材料的时候，尽量选择隔热防冻的材料。并在施工过程中对保温层的铺设方式、层间厚度及长度做出合理的设计。也可以结合工程概况，在隧道中采用地源热泵、电伴热等增温技术，作为保温方式[13]。

4 结 论

随着交通基础设施不断完善，公路隧道的数量及规模逐渐增加。在交通运输工程建设和国家发展的过程中发挥着重要的作用。它的工程质量和安全性也成为了大众关注的焦点。通过现场调查，分析寒冷地区路隧出现渗水结冰的原因。利用数据与实际现象相结合的方式得出以下结论：

1)渗水是造成结冰的主要原因之一，地面水和地下水的汇流，为冰体发育提供物质基础。由于北方地区多雨雪天气，且低温条件持续时间长，也为成冰过程提供特殊“条件”。

2)隧道涎流冰现象的出现是由于多种因素共同影响的，在制定防治措施的同时，应综合考虑，这样才能将各种措施灵活地运用到实际工程中去。

3)结合寒区公路隧道的特点，对寒区路隧防渗水措施进行分析研究。提出以防排水为主，采取保温措施为辅的综合治理技术，为公路隧道建设提供参考。