高原隧道冻土施工措施探讨

何声军

【摘 要】随着我国经济建设的发展，西部大开发政策的实施，交通基础设施建设的需求在不断增长，尤其是我国藏区高原铁路、公路建设的兴起，高海拔寒冷地区冻土隧道的建设技术问题日益受到工程界的关注和重视。基于此，本文就高原隧道冻土施工措施进行分析与研究。

【关键词】高原隧道；冻土；施工措施

一、冻土的定义及分布

冻土是指零或零摄氏度以下，并含有冰的各种岩石和土壤。根据岩土冻结状态保持时间的长短，冻土可分为多年冻土、深季节冻土、季节冻土和瞬时冻土。冻结状态持续时间几年到上千年的土均是多年冻土；冻结状态持续时间从数月到几年且冻深大于一米的均是深季节冻土；冻结状态保持半月至数月的土是季节冻土；冻结状态保持几小时至半月的土均是瞬时冻土。

地球上多年冻土的分布面积约占陆地面积的 23 %，主要分布在中国、俄罗斯、美国的阿拉斯加和加拿大等地，其中我国的多年冻土分布面积约 206.8×104km2，仅次于原苏联（1 000×104km2）和加拿大（390×104～490×104 km2），约为美国多年冻土面积（140×104km2）的 1.5 倍。

我国是世界上的第三冻土大国，约占世界多年冻土面积的 10 %，约占我国国土面积的 21.5%，同时我国的多年冻土主要分布在中、低纬度的号称“世界第三级”的青藏高原，我国季节性冻土面積为 513.7×105km2，约占全国国土面积的53.5 %。

多年冻土主要分布在青藏高原、帕米尔、西部高山（包括祁连山、阿尔金山、天山、西准噶尔山地和阿尔泰山等）、东北大小兴安岭、松嫩平原北部以及东部地区的一些高山顶部。深季节性冻土主要分布于东北三省、新疆北部、宁夏、甘肃、内蒙古、川西和青海等地。季节冻土遍布在不连续多年冻土的外围地区，主要分布于北纬 30°以北的地区，其南界大致从云南省挖苦河（25°14′ N，97°52′ E）向东北方向沿着横断山脉和喀拉山脉的坡脚，经大巴山南麓向东南绕过四川盆地后，又从湖南省的咱果附近（29° N，109°25′ E）向东北方向延伸，直至江苏省连云港附近（34°34′ N）。此外，在大别山、莱阳山和玉山顶部也有零星分布。瞬时冻土的南界大致与北回归线（22° N）相一致。此界限以南，除山地外，一般无冻土。

二、冻土地质特性

（一）冻土的热稳定性

冻土，顾名思义，是冻结状态下的岩土体。冻土处于负温状态，其得以保存的条件与温度息息相关，具有温度敏感的特性。随着温度的变化，冻土中冰的含量和冰水之比也会发生变化，从而其他各种性质也会发生变化。

对于松散土，其冻结温度取决于土的矿物成分、水分和盐分。在其他条件相同的情况下，冻结温度随含水量的增加而升高，随含盐量的增大而降低。

冻土的热稳定性是指任何一种冻土的热状态对外界条件变化响应的敏感程度。前苏联学者的研究表明：冻土的热稳定性可以用外界条件影响下多年冻土的融化速率定量表示，并且主要与冻土的温度及含水量有关，前者决定了冻土的热容量，后者则决定了冻土的相变热。

（二）冻土上限附近的水分迁移及其工程性质变化

对于粘性土，在冻土上限附近，冻结成冰的过程，会产生冻结吸力，使结合水膜变薄，土水势降低，导致未冻区的水分向正冻区迁移，以抵消冻结抽吸力，补偿减薄了的结合水膜和降低了的土水势。

在水分迁移的同时，会发生不等量的盐分迁移，在从融化状态到冻结状态的过程中，粘性土的含水量和含盐量趋于增大，良透水层的含水及含盐量则趋于减小；在温度升高时，土的未冻结含水量趋于增大。在有排水条件的情况下，土的含水量和含盐量趋于减小。但在排水不良的情况下，如果土的上层已经融化而下层仍处于冻结状态，强烈的蒸发作用将把盐分进一步引至土表，从而会进一步加剧土的盐泽化。经过多年的反复冻融和蒸发，土的含盐量逐渐增大，在一定的条件下可以转化为弱冻胀土或岩冻胀土。

按照水分迁移规律可将正冻土体分为 3 个区，未冻区、冻结前缘区和已冻区，如图 1。

图1 正冻土分区图

1.未冻区：该区中只有土、水、气而没有水，土中水分场的分布由该区段土体内的土水势决定；

2.冻结前缘区：众多的试验研究表明，尽管这一区域很小，但冻土中的水分迁移主要受该区的控制，此区为水分迁移最为剧烈的部分，因此也是冻土中水分迁移计算的核心；

3. 已冻区：此区中土体已经完全冻结，土体内结构相对比较稳定，尽管水分迁移仍然存在，但导水性很差，因此水分迁移量也很小。

（三）冻土热物理特性

冻土与一般融土的本质区别是冻土处于冻结状态，其物理特性与温度变化密切相关，尤其是冻土的三相之一水，既有液态的，也有固态的，在一定的温度调节下最容易发生相变，从而导致冻土的物理力学性质发生变化。

冻土的基本物理力学指标包括导热系数、热容量和倒温系数。不同的冻土其比热、导热系数、到温系数是不同的。冰的比热是液态水的一半，在其他条件相同时，土冻结后的比热总是小于它在融化时的比热。只有在土的含水量极小或者土的绝大部分保持液态时，土在冻结状态和融化状态的比热才没有显著的变化。冰的导热系数是液态水的 4 倍，因此，在其他条件相同时，冻土的导热系数一般都大于融土，只有在土非常松弛和非常干燥，土的组成颗粒非常小或者含盐量很大的时候，因冻结后冰晶极少，它在冻结前后的导热率才不会有实质上的区别。

三、高原隧道施工要点分析

（一）隧道爆破时的扰动对冻土环境的影响

在隧道施工时由于强制性的开挖干扰了地位，严重的对高原冻土产生了热侵蚀，不仅有效的改变了冻土的环境及冻土的性质，而且还改变了隧道工程的施工环境，当隧道工程在施工时穿过较厚的岩层时，爆破所引起的波动是不会影响高原冻土环境的，在隧道工程施工环境较差的情况下，如洞身位于浅埋区段，为了防止在施工中由于爆破方法不合理引起较大的坍塌事故，对冻土环境造成大范围的破坏，这时必须重视爆破对隧洞工程洞口围岩的扰动。所以，隧洞工程洞口施工应该有效的减少对冻土环境中水热状态的扰动，并应该认真考虑两洞口可能出现的热融滑塌及冻胀而对隧道工程工程造成的严重影响。

（二）高原隧道施工的通风方法

隧道施工通常采用的通风方法有：抽出式、压入式通风、压出式通风、压气引射器通风、机械通风、水力引射器通风、引射器通风、扩散、自然通风、利用辅助坑道通风和混合式通风等方式。过去的高原冻土隧道工程施工通风方法，对距离较短的高原冻土隧道工程通常采用独头压入式通风方式；而采用无轨运输的高原冻土隧道工程施工污染较严重，高原冻土隧道工程通风方案如果采用压入式通风方式，虽然这种通风方式具备较强的可操作性和较简单的施工组织管理等优点，但在高原冻土隧道工程中需要风机提供的风量过大，且通风机整体能耗较高、总功率过大，整体漏风率过高，独头通风距离过长，能源浪费严重，受斜井断面净空间限制的影响，难以为高原冻土隧道工程中每个工作面布置，条大直径通风管+方案可优化可调整的空间较小，可靠性偏差，斜井井身内风管维护保养不方便等缺点。

（三）高原高寒地区隧道混凝土的抗冻融破坏施工

现浇衬砌混凝土和初期支护喷混凝土在低温下进行隧道工程施工冻结分为：运输、拌制、施工过程中受冻和养护期间受冻。高原隧道工程养護阶段是混凝土具有一定的初始强度后的冻结，更容易发生水分迁移，破坏程度大于前者。高原冻土隧道工程养护期间，冻结因受高原冻土隧道工程混凝土内外温度平衡过程的影响，其表面的冻结程度大于内部，解冻时对冻伤几乎无恢复性。拌制、运输、施工过程中的冻结是混凝土不具备初始强度的时候，虽然高原冻土隧道工程内外冻伤基本一致，且解冻后混凝土强度有一定的恢复性，但是仍然损失较大。在运营期间，高原冻土隧道工程衬砌混凝土主要是衬砌背后的地下水。在低温条件下隧道工程中冻结膨胀产生应力，会破坏高原冻土隧道工程中混凝土毛细孔及混凝土中的游离水；在高原低温情况下，冻结膨胀以及反复冻融破坏，混凝土强度会随着高原冻土隧道工程中混凝土的凝结力的降低而降低，严重则会破坏高原冻土隧道工程的混凝土。

结束语

冻土并非高寒地区所特有的土地状态，冻土在世界各地都有，只是由于某些局域性的地质条件和环境在气候转换上相较其它地区缓慢很多，看上去有着百年如一日的特点，所以冻土会受到环境的影响，在坚固性与冻结度上有所差异，所以，文章就高原冻土隧道的施工措施进行分析与研究，保证其施工质量，促进其快速发展。

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