寒区隧道衬砌周边冻胀力及防治措施研究

刘 萌 周有禄

(1.甘肃建筑职业技术学院，兰州 730050； 2.中铁西北科学研究院有限公司，兰州 730000)

我国寒区面积约417.4×104km2，占国土面积的43.5%，其中多年冻土面积约215×104km2，占国土面积的22.3%[1-2]。寒区分布有丰富的自然资源，为了有效开发和利用自然资源，需在寒区修建铁路和公路，而在建设过程中必然会遇到隧道。

在冰冻期内，寒区隧道出现了不同程度的病害(冻胀开裂、结冰等)，冻胀病害对衬砌结构造成影响，降低隧道使用寿命，而滴水形成浮冰对铁路运行构成极大安全威胁[3]。尤其在气温极低的高寒地区，冻害问题更是突出，严重威胁行车安全[4-5]。

目前，国内外学者对隧道建设进行大量研究，但对于高寒地区的隧道防冻害技术研究相对较少[6]。为研究高寒地区高标准铁路隧道建设中的冻胀及防治措施等问题，基于有限元软件构建寒区隧道冻胀模型，探讨围岩性质、含水率和衬砌弹性模量对冻胀力的影响，提出高寒地区隧道冻害防治原则，对冻害等级进行划分，并提出防治措施建设，为高寒地区的隧道建设提供参考。

1 工程概况

元山隧道位于军马一场西南方向的祁连山中高山区，平均海拔在3 000 m以上，最高海拔为3 292 m。隧道工程区主要为石炭系上统砂岩，山坡坡面分布有第四系粉土、细角砾土、粗角砾土等。地下水赋存类型主要为第四系孔隙潜水、基岩裂隙水和构造裂隙水，与隧道关系较密切的为基岩裂隙水和构造裂隙水。具有春季多雪多风，夏季凉爽多雨，秋季温和暂短，冬季寒冷漫长的气候特点[7]。

2 数值分析

2.1 数学模型

隧道截面纵向的变形可以看作为零，故隧道的温度和应力场耦合计算可简化为平面应变问题，隧道有限元模型如图1所示。平面应变问题的边界取3～5倍开挖洞径，左右边界取56 m，下边界取56 m，左右方向约束水平自由度，底面约束竖向自由度，隧道顶面为自由面。地层采用PLANE 13号耦合单元，利用其线性膨胀系数、比热及导热系数来考虑温度与应力场的耦合作用；二次衬砌采用BEAM 3号梁单元模拟；地层与衬砌之间采用LINK10号杆单元连接，单元KEYOPT(3)设置为1，仅考虑受压状态。

图1 有限元模型

数值模拟参数由围岩级别、含水率和衬砌弹性模量确定，其中隧道埋深为50 m，围岩级别选择为Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ级围岩，含水率分别选择10%、20%和30%，弹性模量分别选8 GPa、16 GPa和32 GPa，共9种工况。

材料参数取值见表1和表2。

表1 物理力学参数

表2 热力学参数

2.2 衬砌冻胀力分析

数值分析的冻胀力定义：冻结前后围岩与结构接触压力的差值(提取LINK10的轴向压应力)，以符号σd表示。根据数值分析结果，提取各条件下衬砌6个典型位置的冻胀力值(如图2所示)，据此确定各影响因素下冻胀力的变化规律。

3 结果分析

3.1 围岩性质对衬砌冻胀力的影响

图3反映了围岩等级对衬砌周围冻胀力的影响，由图3可知，不同围岩环境下衬砌周边的冻胀力分布形状类似，冻胀力最大处在墙脚附近，冻胀力最小处在仰拱中心，出现这种现象的原因可能是结构应力集中和外荷载作用下衬砌的不均匀变形导致。此外，围岩性质越差，衬砌周边冻胀力越小，但各位置的减幅不同(见表3)：围岩从Ⅳ级到Ⅴ级时，仰拱中心处(6号点)减幅最大，从0.571 MPa减至0.432 MPa；围岩从Ⅴ级到Ⅵ级时，拱脚处(3号点)减幅最大，从1.161 MPa减至0.003 MPa；对于最大冻胀力(4号点)，围岩从Ⅳ-Ⅴ-Ⅵ级变化时，冻胀力变化为1.944-1.672-0.230 MPa。

图2 典型位置冻胀力位置示意

图3 围岩等级对衬砌周边冻胀力的影响(单位：MPa)

表3 各监测点冻胀力随围岩等级的增幅

3.2 含水率对衬砌冻胀力的影响

当气温降低时，隧道围岩中的水将会变成冰，导致体积膨胀，是围岩-衬砌接触面产生冻胀的主要原因[8]。一般而言，在相同条件下含水率越高的裂隙，其冻结过程中冻胀力就越大。在不同含水率下，Ⅳ围岩中衬砌周边的冻胀力如图4所示。由图4可知，当隧道围岩含水率的不断增加时，作用在衬砌上的冻胀力不断增大。各监测点处冻胀力的增幅见表4所示。

表4 各监测点冻胀力随含水率的增幅

当含水率由10%增至20%时，拱顶处(1号点)的增幅最大，冻胀力从1.034 MPa增至2.117 MPa，当含水率由20%增至30%时，墙脚处(5号点)的冻胀力增幅最大，从2.675 MPa增至4.085 MPa；对于最大冻胀力(4号点)，含水率从10%-20%-30%变化时，冻胀力变化为1.672-3.433-5.193 MPa。上述现场表明，寒区隧道的冻胀力对水分特别敏感，在隧道设计和施工阶段，宜做好防排水措施，减少围岩中的水分，达到降低冻胀力，提高运营期寒区隧道可靠性的目的。

图4 含水率对衬砌周边冻胀力的影响(单位：MPa)

3.3 衬砌弹性模量对衬砌冻胀力的影响

图5为衬砌弹性模量对衬砌周边冻胀力的影响，由图5可知，当二次衬砌的弹性模量越大时，作用在二次衬砌上的冻胀力就越强，这跟含水率高低对衬砌冻胀力的影响类似，但同样各监测点处的增幅不同(见表5)：当弹性模量从8 GPa增至16 GPa时，拱脚处(3号点)的增幅最大，冻胀力从0.455 MPa增至0.662 MPa，增幅达31.27%，当弹性模量从16 GPa增至32 GPa时，仰拱中心处(6号点)的冻胀力增幅最大，从0.239 MPa增至0.300 MPa；对于最大冻胀力(4号点)，弹性模量从8-16-32 GPa变化时，变化为0.878-1.148-1.269 MPa。冻胀力对衬砌作用的大小跟其周围约束程度密切相关。在相同条件下，衬砌对围岩的约束变形越强，其对衬砌的冻胀力就越大，反之则越小。从混凝土的力学性能可知，约束力的大小和混凝土应变相关，即混凝土弹性模量越大，其抵抗变形的能力越强，约束力越大[9]。当衬砌周围的围岩发生冻胀时，衬砌能够发生一定的变形，可以一定程度上减少冻胀力[10]。上述现象说明，容易产生冻胀现象的隧道，在承载力和变形条件允许的情况下，可以通过降低衬砌的刚度，适当增加混凝土变形来降低冻胀力对衬砌的作用，达到保护隧道的目的。

图5 衬砌弹性模量对衬砌周边冻胀力的影响

表5 各监测点冻胀力随弹性模量的增幅

4 隧道冻害的防治措施

4.1 围岩注浆

针对隧道内围岩存在含水裂隙以及破碎带围岩层[11]。通过注浆能够增大围岩强度，增强破碎带围岩的整体性，不但起到堵水防水作用，而且还降低了围岩在冻结过程中冻胀力作用。

当水头压力不大时，应在除了仰拱以外的其他所有断面围岩进行注浆，若围岩水头压力较大时，应考虑隧道全断面围岩注浆[12]。注浆深度应大于隧道围岩的冻结深度，注浆施工应在保温隔热层施工前进行，防止注浆中损坏保温隔热材料，注浆时间一般应在最大融深时进行，高寒地区的一般在每年的8月、9月。

4.2 防排水

高寒区隧道防、排水措施对降低隧道冻害程度起着至关重要的作用，成功的防水、排水措施能够使隧道围岩发生冻胀时衬砌结构不破坏，排水设施不冻结[13]。

高寒区隧道建设存在3种情况：①隧道之上均为多年冻土层；②是隧道之上有零星多年冻土分布；③是隧道范围均为非多年冻土。

高寒地区隧道围岩大多不同程度含水，一般情况下，需设纵向导水盲沟，在边墙之内设集水盲井和排水沟或泄水洞[14]。这些措施能否发挥其功能，取决于这些排水设置能否真正构成畅通无阻集排水系统。这就要求排水设施布设位置与深度要合理，最好布设在最大冻结深度范围之外。若配合保温、加热等措施，也可以适当减小埋深。

4.3 隔热保温材料

高寒区隧道工程中常采用保温隔热材料来减少冻结深度和消减冻胀力作用。其中，喷涂发泡保温材料既能够很好的起隔热保温作用，而且能够隔断水源[15]。当在初衬和二次衬砌中间设置保温材料时还能起到缓冲作用，从而减低围岩冻胀力对衬砌的作用和初衬的变形对二次衬砌的作用。

根据以上分析，提出高寒区隧道冻害防治综合措施如下。

①在隧道进出口段落设置加强配筋的抗冻混凝土；②在隧道洞口围岩和衬砌之间设置保温隔热处理的隔热层；③通过围岩预注浆及二次注浆措施填充围岩裂隙减少水分存储空间；④加强隧道进出口段防排水措施，将排水设施增加埋设深度和防寒措施，有必要时可在洞口附近增设加热措施。

4.4 寒区隧道冻害设防等级及措施建议

根据以上分析，在高寒区修建隧道，从衬砌冻胀力及洞内结冰情况考虑，提出高寒区隧道冻害等级及相应设防措施(见表6)。

表6 寒区隧道冻害等级及相应设防措施

5 结论

(1)受隧道结构应力集中和外荷载作用下衬砌不均匀变形的影响，衬砌周边的冻胀力分布明显不均匀，墙脚附近冻胀力最大，仰拱中心冻胀力最小。

(2)围岩性质越差，衬砌周边冻胀力越小，但各位置的减幅不同；围岩从Ⅳ变化至Ⅵ级时，最大冻胀力从1.944 MPa减少至0.502 MPa。

(3)隧道衬砌结构所受冻胀力最大时，该处围岩中的含水率较高，但随含水率增加，各处的冻胀力增幅有所不同；当含水率从10%增加至30%时，最大冻胀力从1.672 MPa增至5.193 MPa。

(4)衬砌弹性模量越大，作用在衬砌上的冻胀力越强，但各位置处的增幅不同；弹性模量从8 GPa增至32 GPa变化时，最大冻胀力从0.878 MPa增至1.269 MPa。

(5)冻胀力与外界的约束程度密切相关，寒区隧道在做好防水的同时，在变形允许的条件下，宜适当降低衬砌结构的弹性模型，以减少作用在衬砌上的冻胀力。

(6)提出高寒区隧道冻害防治综合措施及原则，即采取多道防护、加强综合整治的措施；采取注浆、防排水、隔热保温技术并重的原则。