季冻地区隧道工程冻害与防治技术措施探讨

焦兴华

（辽宁省交通工程质量与安全监督局 沈阳市 110005）

季冻地区隧道工程冻害与防治技术措施探讨

焦兴华

（辽宁省交通工程质量与安全监督局 沈阳市 110005）

在季冻地区受气候的影响，隧道极易产生衬砌的开裂、剥落、挂冰和路面结冰的冻害，严重影响行车安全和使用寿命。从隧道冻害产生的原因及表现形式的多角度分析，提出了隧道冻害的防治及治理措施，对于指导工程设计、施工有着重要参考价值。

隧道工程；冻害；保温防冻

1　引言

寒冷地区修建隧道，比一般地区面临更多的复杂的技术问题，由于冬季排水沟冻结而致排水不畅，造成隧道渗漏水、路面结冰、衬砌混凝土开裂等病害，影响行车安全，同时也给隧道衬砌结构稳定带来了一定的隐患。日本、美国、法国、俄罗斯等国寒冷地区隧道冻害比较严重，仅日本北海道地区的302座大型公路隧道中冻害严重的高达104座。近几年辽宁省通车的东部山区高速公路隧道不同程度地出现渗漏水或冰塞病害。为了使隧道能顺利通行，运营管理单位投入了很大的精力对其进行整治，结果仍无法根除病害，因此，如何防治隧道工程冻害是我们亟待解决的问题。

2　冻害表现形式及产生的原因分析

在寒冷地区，隧道冻害严重地影响工程使用的安全性及寿命。多年来国内外工程实践调查表明，隧道冻害表现形式及原因分析如下：

2.1冻害表现形式

（1）隧道边墙及拱部出现冰柱、挂冰现象（图1）；

（3）在隧道路面形成冰坡，使行车滑溜（图3）；

（4）隧道中央排水沟出口积水、结冰（图4）。

（5）衬砌背后冻结，造成衬砌变形，反复冻融循环，引起结构失稳。

2.2冻害形成原因分析

（1）隧道内部温度变化情况。通过隧道内部温度现场测试来看，隧道冬季温度从隧道外向隧道内逐渐升高，且洞口段50～100m范围内温度变化最为明显，详见图5。隧道渗漏水及冻害主要发生在距隧道洞口1000m以内范围的施工缝等防水薄弱地带，发生时间主要是在冻结和消融过程。

（2）隧道冻害产生的机理。隧址区内山体水系丰富，山体水沿着岩隙进入隧道衬砌结构，再通过环向导水盲管进入纵向导水盲管，在检查井处汇集，当冬季气温较低时积水结冰，在水及冻胀压力作用下，从二衬接缝、电缆沟及检查井处溢出，反复作用，外溢至路面结冰。冻害产生机理详见图6。

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（3）隧道冻害产生的原因

在隧道施工过程中，“重主体、轻附属”的观念依然存在，地下水处理始终是薄弱环节，在施工管理上没有得到足够的重视，更重要的是缺乏有效的检测手段和方法。造成隧道产生冻害主要原因就是温度和水两项主要因素，具体表现在以下几个方面：

①冬季气温较低，隧道围岩内部热量逐渐散失，当内部温度过低时，隧道衬砌表面含水裂缝、排水出口极易冻结，造成排水系统失效，形成冻害。

②隧道所在山体水系发育，岩系水丰富，在岩石裂隙或有大量涌水部位没有进行有效的引排，引起细粒流失，造成衬砌背后空洞，给隧道内部排水造成极大压力。

③隧道排水不畅，排水系统坡度较小，单向排水距离过长，易造成地下水流速缓慢，不能迅速将水排出洞外。

④防排水系统埋设深度不足，将防排水系统设置深度在冻结深度范围内，低温时极易受冻结冰。

⑤防水卷材等防水材料质量不高，防水卷材拉伸强度、厚度、延伸率不足，焊接性不好，在施工过程中极易造成防水卷材刺破，并且焊接质量难以保证，造成衬砌结构内部含水量过大。

⑥因施工工艺的原因，隧道工程为隐蔽工程，个别施工单位责任心较差，监理监管不到位，在施工过程中存在诸多隐患，如施工过程中纵横向导水管连接不当或未连接，工作缝处止水带（条）安装不当或缺失，中心水沟、检查井等底部高程不满足设计要求等，都是造成隧道出现冻害的重要因素。

3　季冻区隧道冻害的预防措施

季冻地区隧道较一般地区隧道承受着更大的温度应力，在温度骤降时应力集中，会造成衬砌结构裂缝，形成渗漏水通道，在低温作用下产生冰冻灾害，因此，在隧道设计、施工过程中要充分考虑到隧道的保温防冻和防排水效果。

3.1隧道保温防冻设计原则

寒冷地区隧道保温防冻设计应本着科学、安全、环保、节能的原则，灵活选择保温防冻措施，隧道保温设计应使隧道不发生冻害，保温防冻要遵循如下原则：

（1）隧道衬砌、路面等结构物在低温时不被破坏；

（2）隧道排水系统不被冻结，保证地下水能正常排泄；

（3）保证隧道内部不能出现渗水或路面积水而发生衬砌挂冰、路面结冰而影响行车安全。

3.2加强防排水措施

由于隧道冻害是由于水的冻结造成的，减少隧道围岩渗水量，加快隧道围岩排水是减少冻害的重要方法，采用防、排、堵、截等多道防线，综合治理，将地表水与岩隙水排出洞外，主要包括围岩注浆堵水、加强防水、设置排水导洞等方法。

3.3采用保温防冻设计

寒冷地区隧道保温防冻工程是一项系统工程，为了使寒区隧道达到保温防冻的作用，国内外研究了许多种保温防冻技术措施，不同的技术措施适用于不同的条件，保温防冻效果也不同。目前常见的方法主要有隔热保温法和加热保温法。

（1）隔热保温法又叫被动保温法，就是在导水管、排水沟、衬砌表面或初期支护与二衬之间设置隔热层，使围岩的热量在冬季不散发出去，并保持隔热层内部在零度以上，从而防止冻害的发生。

（2）加热保温法又叫主动保温法，是在隧道衬砌或水管中添加加热设施，如加热器或往隧道内吹热风等办法。加热保温法是防止隧道冻结的有效办法，也是治理隧道冻结的救急措施，已被很多国家广泛应用。在很多国家都是将两种方法综合使用，达到预期效果。

4　隧道冻害的治理措施

隧道冻害以防冻、疏通的原则进行处理，采取确保防排水系统功能完好的技术处理方案。

（1）对于检查井和电缆沟积冰的病害，应采取以防排水系统不受冻，确保防排水系统功能完好的技术处理方案。

①对于检查井与电缆槽连通的情况，可以进行封堵，避免检查井里的水进入电缆槽。

②采用混凝土或优质防冻材料封堵检查井，隔绝检查井内水与冷空气接触，做好防冻保温措施。

③加大隧道进出口段导水管和中央排水沟的埋深、出水口坡度等措施，提高排水系统抗冻能力。

④如果有不利于排水、防冻的因素，必要时考虑采用在一定范围的中心水沟内设置电热带的措施。

（2）对隧道边墙及拱部接缝处渗漏水类病害，慎用封堵措施，采取以疏导为主的技术处理方案。

①渗水严重部位，应采用深切排水槽至防水板埋排水管，并确保排水管不受冻的措施，防止此类病害的进一步扩展和蔓延；

②少量渗水部位，可采用注浆封堵办法进行封闭处理。

（3）对于冻结深度较深的隧道，建议采用保温防冻设计对其进行治理，如采取电加热、增加暖气供暖、安装防冻门等方式进行处置，根据具体情况灵活采取保温防冻方案，保证隧道运营安全。

5　结论与建议

开展隧道保温防冻技术措施的研究具有重大的工程实际意义和广阔的应用前景。由于保温防冻技术的复杂性，治理后隧道防冻效果也并不理想。因此，建议在隧道设计、施工过程中要认真考虑隧址区地质、气候等环境因素，精心设计、精心施工，在保证主体结构工程质量的前提下，对排水工程质量要重视起来，加大各施工环节的管理力度，发现问题及时处理，避免或减轻冻害的发生概率。

［1］ 李传涛.冻胀力对寒区隧道衬砌结构影响及其防治措施［J］.西部探矿工程，2005（9）.

［2］ 关宝树.隧道力学概论［M］.成都：西南交通大学出版社，1993.

［3］ 崔凌秋，吕康成，王潮海，崔威武.寒冷地区隧道渗漏与冻害综合防治技术探讨［J］.现代隧道技术，2005（5）.

［4］ 孙文昊.寒区特长公路隧道抗防冻对策研究［D］.成都：西南交通大学，2005.

Discussion on Freezing Damage of Tunnel Engineering in Seasonally Frozen Region and Prevention Technique Measures

JIAO Xing-hua
（Liaoning Province Communications Engineering Quality&Safety Supervision Bureau，Shenyang 110005，China）

Influenced by the climate in seasonally frozen region，freezing damages like lining crack，peeling，hanging ice and icy pavement of tunnel seriously influence the driving safety and service life.Through multi-angle analysis on reasons of freezing damages and pattern of manifestation of tunnel，prevention and treatment measures for freezing damages of tunnel are put forward，so as to provide important reference value for guidance of engineering design and construction.

Tunnel engineering；Freezing damage；Heat preservation and freeze-proofing

U457+.5

B

1673-6052（2016）03-0126-04

10.15996/j.cnki.bfjt.2016.03.037