我国寒区山岭交通隧道防冻技术综述与研究展望

2021-08-03万建国

隧道建设(中英文) 2021年7期

万建国

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031)

0 引言

根据我国中长期铁路网规划和国家公路网规划可知，我国西部和东北内蒙古寒区还有很多公路和铁路正在或即将建设，如川藏铁路和川藏高速公路等，位于寒区的铁路、公路隧道数量越来越多，防冻技术要求越来越高。虽然我国隧道防冻技术取得了长足进步，但经调查发现，东北、内蒙、甘肃和河北已运营的高纬度寒区隧道122座，有冻害的隧道51座，占41.8%；四川、青海、西藏和新疆已运营的高海拔寒区隧道34座，有冻害的隧道15座，占44.1%[1]。可见，寒区隧道冻害是一个普遍存在的问题，有些冻害已严重危及隧道结构和运营安全，甚至导致一些隧道冬季无法使用。为消除冻害，每年投入了高昂养护维修和处治费用，然而效果往往不尽人意。本文通过回顾典型寒区山岭交通隧道当地气象条件、冻害现象及冻害处治措施，展现我国寒区山岭交通隧道防冻技术的发展历程；在此基础上，分析寒区山岭交通隧道围岩与混凝土冻害发生的机制、冻害发展途径，总结我国季节性冻土和多年冻土地区山岭交通隧道冻害防治的原则和防治措施，展望山岭交通隧道防冻技术发展方向，以期为寒区山岭交通隧道建设提供参考。

1 我国寒区山岭交通隧道防冻技术发展历程

我国隧道防冻技术主要是从新中国成立后开始逐步发展起来的。新中国成立前，晚清、民国和东北日俄占领时期虽然修建了一些寒区山岭交通隧道(如滨州铁路兴安岭隧道)，但总体考虑防冻较少，导致隧道建成后不久就出现了严重冻害，严重影响了隧道结构和运营的安全。

自20世纪50年代开始，我国在东北兴安岭多年冻土地区修建了一些铁路隧道，如牙林铁路岭顶隧道，嫩林铁路翠岭隧道，西罗奇岭1、2号隧道和白卡尔隧道等。由于对冻土特性和低温冻害认识不足，修建隧道期间屡遭挫折，出现了边修边结冰，即使凿通后，仍需不分昼夜连续凿冰(如岭顶隧道)才能维持通车，以致人们对在冻土区修建隧道产生了恐惧。后来线路越岭时干脆采用爬山绕行也不愿修建隧道[2]。所幸隧道人并没有灰心，在边修建、边破坏、边摸索的艰难条件下坚持不懈，逐渐探索出一些解决隧道冻害的处治措施，如防寒水沟、泄水洞、深埋渗水沟、保温水管、保温出水口等，这些措施极大缓解了隧道冻害，取得了一定效果。

20世纪60—90年代，我国在西北寒区修建了一些铁路和公路隧道，如天山公路玉希莫勒盖隧道和南疆铁路奎先隧道等。这些隧道建成后出现了较严重的冻害，甚至出现了因冻害而导致隧道报废的情况。1998年，穿越祁连山脉东段的G227线大坂山隧道顺利建成，标志着我国寒区隧道修建技术取得了较大进步。这些技术主要有防寒泄水洞、泄水横洞、竖向泄水孔、隔风保温门、防雪棚、隧道结构保温层等。

进入21世纪，青藏铁路风火山和昆仑山隧道的建成进一步拓展了隧道防冻技术。之前的防冻理念是采取措施防止地下水冻结，而这2座隧道全部位于多年冻土区，防冻技术则是以“保冻”为根本目标，即采取措施保证隧道建设期与运营期地下水始终处于冻结状态，防止融化。

20世纪末和21世纪初，我国修建了川西高海拔季节性冻土寒区的鹧鸪山隧道、雀儿山隧道、巴朗山隧道和西藏扎墨公路嘎隆拉隧道，形成了对地下水封堵、快速疏排、排水系统防冻、衬砌结构保温隔热等较为成熟有效的防冻技术，这些技术对季节性冻土寒区隧道的防冻技术做了重要补充，对川西高海拔寒区和藏区隧道建设提供了有效的技术保障。

近年来，随着我国高铁建设的快速发展，逐步形成了一套适合我国的高纬度和高海拔寒区高铁隧道防冻技术，丰富了我国隧道防冻技术。

1.1 1949年前建成的寒区山岭交通隧道

1949年前我国建成的寒区山岭交通隧道很少，主要为东北地区俄罗斯和日本修建的铁路隧道。尽管这些隧道位于寒区，但限于当时技术水平，采取的防冻措施较少。其中，较为典型的是由俄罗斯主持修建的滨州铁路兴安岭隧道。

兴安岭隧道为双线隧道，长3 077.2 m，海拔1 100 m，位于高纬度严寒兴安岭地区。隧址区最冷月平均气温-21.3 ℃，极限最低气温-57 ℃，结冰期7个月以上，最大冻结深度为3.2 m。隧道始建于1901年，1903年建成，隧道衬砌为石膏石灰砂浆浆砌片石、粗凿石或毛方石，洞内设中心排水沟和侧沟，洞口设防寒帘。

隧道建成后，每年2、3季度(洞外温度10～25 ℃，洞内温度8 ℃)洞内会出现滴漏水；1、4季度(洞外温度-52～-35 ℃，距洞口1 km处洞内温度0 ℃)会出现结冰，形成拱墙挂冰、隧底流水结冰。冻害致使排水系统失效，衬砌松动、变形、风化、剥落，胶凝材料强度失效，结构强度降低。每年均需要投入大量人力刨冰。曾经因为洞顶挂冰脱落发生了砸伤火车司机的安全事故。

为解决冻害，保障行车安全，20世纪90年代初在兴安岭隧道旁新建了1座隧道；且在2015—2017年电气化改造时对拱墙新出现的渗漏水进行了处治[3]，大大减少了冻害。

1.2 1949—1999年建成的寒区山岭交通隧道

截至1994年，我国在严寒地区修建了70多座铁路隧道。由于气候影响和隧道防排水处理不当，不少隧道出现了冬季结冰、衬砌胀裂等病害，例如： 20世纪60年代建成的东北牙林铁路岭顶隧道和六七十年代建成的嫩林铁路白卡尔隧道，严重威胁了行车安全。

1.2.1 牙林铁路岭顶隧道

牙林铁路岭顶隧道是我国第1座修建在多年冻土区的隧道，位于大兴安岭西坡区，长936.8 m，年均气温-6.71 ℃(1966年)，最低气温-50 ℃，负温天数占全年天数的58%。隧道出口端位于多年冻土区，季节融化层最大深度约为9 m，围岩为凝灰质角砾岩、安山岩。

修建时，隧道采用普通水沟及衬砌背后注浆堵水的排水措施，未采用防寒排水系统。1961年9月隧道建成，拱墙开始渗漏水，同年11月出现冻害，拱墙挂冰，最大冰柱直径达1 m，隧底积冰厚0.3～1.3 m[4]。边墙衬砌出现众多环向裂纹。

为减轻冻害，隧道边墙背后增设竖向碎石盲沟+竖向泄水孔+支导洞+泄水洞+洞外暗沟+保温出水口等排水措施，排水系统示意如图1所示。泄水洞距隧底5.5 m，长720 m，洞外暗沟连接泄水洞出口，长128 m。地下水汇集至隧道边墙外侧竖向碎石盲沟内，盲沟通过竖向泄水孔和支导洞与泄水洞相连[5]。经此处理后，泄水洞地段隧道冻害完全消除。

1.2.2 嫩林铁路隧道

嫩林铁路位于我国东北大兴安岭东南坡与北坡，全长680 km，气候恶劣，极端最低气温-48～-52 ℃，最冷月平均气温-32 ℃以下，年平均气温-2.5～3.0 ℃。每年9月至翌年5月为冻结期，冻结深度为3.8～5.0 m。嫩林铁路全线建有14座隧道，主要有朝阳1号隧道、西罗奇岭2号隧道、白卡尔隧道、孟克山隧道、翠岭2号隧道等。

嫩林线隧道主要采取了中心深埋水沟、双侧保温水沟、防寒泄水洞3种防冻措施，有的隧道防冻措施较成功，有的仍出现了较严重的冻害。

朝阳1号隧道(长420 m)是我国第1座在隧底下设深埋水沟排水的隧道，运营多年隧道未出现渗漏水，冬季无挂冰现象，衬砌完好无损。

西罗奇岭2号隧道(长1 160 m)采用泄水洞和保温水沟排水。开通运营后，衬砌背后积水结冰冻胀，造成衬砌开裂、破碎，甚至衬砌拱顶坍塌中断行车；同时，隧道内阴暗潮湿环境使得保温水沟的保温材料难以保持良好状态，运营不到10年就大修。隧道出现冻害的原因是修建时未施作衬砌背后竖向和横向排水盲沟及与泄水洞连接的排水系统。完善排水系统后，隧道冻害得到了缓解。

翠岭2号隧道设置了泄水洞排水，但运营7年后，衬砌背后出现了大量结冰、拱墙挂冰现象。原因是泄水洞位置处多年平均地温为-3.0 ℃，泄水洞内空气多年最低温度为-2.5 ℃，流入泄水洞内的地下水温仅为0.4 ℃，加之水量较小(73 m3/d)，流速较低，导致泄水洞内每年均会结冰，且夏季不能融化，7年后结冰塞满堵死泄水洞，并蔓延至隧道内，导致衬砌背后结冰冻胀、拱墙挂冰。后定期清理泄水洞积冰，隧道冻害得到大大缓解。因此，泄水洞位置处多年平均地温低于0 ℃且水量较小时应考虑防冻措施。

1.2.3 天山公路隧道

G217线北疆独山子至库车段公路(天山公路)翻越天山山脉时修建了3座公路隧道，分别为哈希勒根隧道(340 m)、玉希莫勒盖隧道(1 110 m)和铁力买提隧道(1 895 m)。其中，哈希勒根隧道海拔3 400 m，是我国当时海拔最高的公路隧道；铁力买提隧道是我国当时最长的公路隧道。

玉希莫勒盖隧道位于高海拔季节性冻土区，历史最低气温-50 ℃，最冷月平均气温-17 ℃，年平均气温1.2 ℃，最大季节性冻土深度为2.5 m，年平均降雨量1 000 mm。隧址区围岩较破碎，处于山体汇水区域，地表与地下水较发育。限于当时技术条件，修建时未考虑防冻问题。隧道于1983年8月建成，9月出现路面结冰、洞顶挂冰现象，导致车辆无法通行。多年来，反复冻融破坏，拱顶出现冰锥，边墙出现冰溜，衬砌开裂、破碎和剥落，底板冒水结冰，衬砌结构破坏非常严重，最终隧道形成冰塞而报废，公路改为翻山通过。

2008年5月，在报废隧道附近修建了长1 943 m的新玉希莫勒盖隧道，用时近6年(每年5个月施工期)。为解决隧道冻害，主要采用了二次衬砌表面设保温层+墙脚外侧纵向排水盲沟+仰拱底深埋中心排水盲沟+竖向排水孔+排水横洞+防寒泄水洞(长2 091 m)+保温出水口的防冻措施。新玉希莫勒盖隧道防排水系统示意见图2[6]。新隧道建成后，冻害总体较轻，但在冬季隧道局部渗漏水段仍存在挂冰现象，路面出现冰柱、冰锥现象。

图2 新玉希莫勒盖隧道防排水系统示意图

1.2.4 南疆铁路奎先隧道

南疆铁路奎先隧道修建于20世纪七八十年代，其穿越天山中部分水岭，长6 154.16 m，洞口标高2 982 m，设有5 716 m平行导坑。隧道围岩为花岗岩、片麻岩、片岩，基岩裂隙和地下水发育，出口约700 m处为多年冻土层。隧址区年平均气温-3.8 ℃，年极端最低气温-33 ℃，最冷月平均气温-15.8 ℃，有7个月平均气温在0 ℃以下。

隧道两端洞口各设500 m保温水沟，并延伸至洞外，利用距出口570 m处的3#横通道将正洞水引入平行导坑，在平行导坑内设中央保温水沟并延伸至洞外25 m。

隧道通车后的当年冬季，平行导坑水沟冻结1 250 m，隧道水沟冻结2 870 m，道床积冰厚25 cm，中断行车3 d。原因是洞外未施作防寒出水口，导致结冰从出水口蔓延至隧道和平行导坑内，洞内水沟的保温材料遇水后导热系数大大增加，保温效果降低。为防止冻害，1980年，将隧道和平行导坑内的长3 859 m(隧道1 820 m，平行导坑1 299 m，多年冻土段740 m)防寒保温水沟的保温材料更换为沥青玻璃棉，局部段加大沟底纵坡以提高水流速度，洞外采用保温出水口以减少地下水沿途散热；1984年，清理保温水沟时，更换了导热系数更低的保温材料； 1985年，在保温水沟内增设了24组电加热器主动防冻，水沟防冻取得了较好的效果。

1.2.5 新建兴安岭隧道

20世纪90年代初，在既有兴安岭隧道旁新建了1座下行单线隧道，与既有兴安岭隧道形成双洞单线隧道。下行隧道长3 100 m，全隧采用中心深埋泄水洞排水，泄水洞底部距轨面3.50～4.96 m。2015年进行病害整治时，在渗漏水严重地段增设了边墙背后竖向碎石盲沟(100 cm×30 cm)+避车洞底排水竖井+横向排水管。为了增强防水防寒效果，采取了碎石盲沟与衬砌间设防水板+聚氨酯保温板+避车洞设保温门+竖井顶设简易井盖的措施[3]。新建兴安岭隧道排水系统示意见图3。

1.2.6 大坂山公路隧道

大坂山公路隧道位于G227线青海大坂山越岭段，修建于20世纪90年代中后期，长1 530 m，设计标高3 792.75 m，为当时亚洲最高海拔的公路隧道。隧址区属内陆高寒季风气候，年平均气温-3.1 ℃，最冷月平均气温-25.6 ℃，极端最低气温-34 ℃，最大积雪厚200 cm，年降雨量841.4 mm，平均风速1.2～2.5 m/s，最大风速20 m/s。隧道处于多年冻土与季节性冻土接触带，季节性冻土冻融深度为2.5～4.5 m。

图3 新建兴安岭隧道排水系统示意图

为防止冻害，大坂山隧道采取了富水段注浆堵水+边墙脚外侧和仰拱底设深埋中心排水盲沟+竖向泄水钻孔+泄水横洞+泄水洞+保温出水口+隔风保温门+二次衬砌表面设复合保温层(PU泡沫塑料保温层+玻璃钢结构)+防雪保温棚等防寒保温措施，取得了良好的防冻效果。大坂山隧道防排水系统示意见图4[7]。

图4 大坂山隧道防排水系统示意图

经过10多年运营，隧道出现了较严重的渗漏水、挂冰和衬砌裂损及保温层破损现象。2008年，通过采用加密加长泄水横洞+增设竖向横向泄水孔+完善洞口排水系统+凿槽埋管引排+封堵裂缝措施进行了渗漏水整治，将原有的保温层换成FL保温材料+纤维板，推拉保温门更换为自动卷帘保温门[8]。经过整治，取得了较好的防冻效果。

1.3 2000年以后建成的寒区山岭交通隧道

1.3.1 青藏铁路隧道

分别建成于2002年和2003年的青藏铁路风火山隧道和昆仑山隧道为典型的高寒高海拔多年冻土区隧道。风火山隧道长1 338 m，最高海拔4 905 m，年平均气温-6.11 ℃，极端最低气温-37.7 ℃；昆仑山隧道长1 686 m，最高海拔4 666 m，年平均气温-5.2 ℃，极端最低气温-23.6 ℃。2座隧道穿越多年冻土区，地层冰的体积分数为10%～50%。

2座隧道的防冻措施主要为在初期支护和二次衬砌间设置隔热保温层(防水层+隔热层+防水保护层)，以减少二次衬砌和围岩热交换。地下水以堵为主，以排为辅，洞内采用双侧保温水沟，侧沟采用双层盖板，上下层盖板间设PU聚氨酯泡沫保温材料。

风火山隧道防排水系统示意见图5[9]。洞内水通过洞口的保温管和保温出水口排出，出水口选在背风向阳处。

图5 风火山隧道防排水系统示意图

施工期间开挖揭示，昆仑山隧道并非全部穿越多年冻土层，如地表冲沟浅埋段位于季节性融化层，埋深较浅段的隧道周边融化圈和地面季节性融化层贯通，扩展了季节性融化层；另外，因施工扰动使冻土上限下移，进而扩大了季节性融化层。针对这些段落的地下水进行了严密注浆封堵。自2006年7月开通至今，隧道运营状况良好。

1.3.2 四川西部高海拔寒区隧道

进入21世纪后，四川西部高海拔寒区建成了一批公路隧道和铁路隧道。公路隧道主要有鹧鸪山隧道、巴朗山隧道、雀儿山隧道等，铁路隧道主要有成兰铁路隧道群。不同于西北、东北高纬度寒区，川西高海拔隧址区一般日照丰富，多属季节性冻胀冻融，一年中夏季和冬季温差大，昼夜温差大，洞外气候受地形地貌、日照、植被、风向和雨雪影响大，很多长大越岭隧道进出口气候差异较大。

1.3.2.1 鹧鸪山隧道

G317线(川藏公路北线)鹧鸪山隧道长4 423 m，洞身最高海拔3 356 m，左侧30 m设贯通平行导坑，于2004年建成通车。隧址区属北温带，历年平均气温3.3～3.8 ℃，每年9月至次年4月为冬季，平均气温-5～-15 ℃，最冷月历年平均气温-6.9 ℃，极端最低气温-31.1 ℃。冻结最大深度为1.01 m，最大积雪厚47 cm，属季节性冻胀冻融区。2000—2005年，针对G317线鹧鸪山隧道工程，建设各方开展了一系列综合防冻技术研究，形成了保温、排水、堵水及结构抗冻胀的隧道综合防冻技术。隧道主要采取了如下防冻技术[10]：

1)采取措施阻隔地下水流向隧道冻融圈，如隧道出口浅埋富水冰川泥石流堆积体段采用地表钢花管注浆、高压旋喷、地下盲沟等措施阻隔冻融圈外的地下水流入。

2)加强防冻段隧道与平行导坑防水措施，尤其加强施工缝与变形缝防水。

3)加快防冻段隧道与平行导坑排水，加密排水盲沟、缩短排水距离，防止出现积水。

4)防冻段隧道与平行导坑采用埋于冻结线下的保温中心沟排水，洞外采用保温出水口排水。

5)通过风流在平行导坑及隧道中部吸热、在隧道防冻段散热的方式提高防冻段温度，减轻冻害。

6)连续2年监测隧道贯通前后洞内外温度，二次衬砌表面、背面及一定深度范围内的岩温，结合理论分析、数值模拟确定隧道防冻长度[11]。

7)防冻段隧道和平行导坑衬砌表面敷设保温隔热层(见图6)。通过理论分析、模拟计算和现场试验，选聚酚醛泡沫作为主要保温隔热材料[12]。

图6 敷设保温隔热层后的隧道

采取以上防冻措施后，鹧鸪山隧道运营期间渗漏水较少，冻害较轻，无明显冻害现象。但对保温隔热层维修时发现，隧道二次衬砌表面局部分布有细微浅表裂纹，说明局部仍存在冻害现象，且对结构混凝土造成了一定损伤。

1.3.2.2 巴朗山隧道

S303线巴郎山隧道长7 950 m，平行导坑长7 955 m，洞口海拔3 850 m。隧道于2016年建成通车。隧址区年平均气温在5 ℃以下，进口最冷月平均气温-11.8～-12.5 ℃，出口最冷月平均气温-6.6～-7.3 ℃，极端最低温度-32 ℃。冬季长达6个月(11月—次年4月)，平均积雪100 d以上，最大冻结深度为1.2 m，属季节性冻胀冻融区。

巴朗山隧道在借鉴G317线鹧鸪山隧道防冻技术的基础上，还采取了如下措施：

1)在隧道进出口各建一个气象观测站，现场实测1年的风向、风速、大气压力、空气温度和空气湿度等气象参数[13]，为隧道通风、防冻提供了较为准确的基础资料。

2)采用通风-渗流-温度场耦合理论数值分析、室内模型试验和现场测试，掌握了隧址区施工前的岩体初始温度场、施工后地下水的渗流场、自然通风条件下洞内温度场及围岩温度场规律[14]，确定了隧道与平行导坑的防冻长度，并采取了将中心水沟置于仰拱下的措施。

3)采用二维瞬态传热理论，计算极端最低气温下距洞口10 m处的围岩最大冻结深度和衬砌内表面保温层厚度。

采取以上防冻措施后，除隧道洞口附近路面存在局部暗冰外，尚未发现其他明显冻害。

1.3.3 西藏高原嘎隆拉隧道

嘎隆拉隧道是西藏波密扎木至墨脱公路穿越嘎隆拉雪山而修建的三级越岭公路隧道，全长3 310 m，进口标高3 775 m，出口标高3 645 m，自进口向出口单向下坡，坡度4.1%，2010年建成通车。

隧址区位于青藏高原寒冷气流和印度洋暖湿气流交接处，嘎隆拉山脉阻挡了二者交汇融合。隧道进口受高原寒冷气流的影响，属半湿润季风气候；出口受印度洋暖湿气流的控制，属亚热带湿润气候。进出口气候差异大。

隧道进口穿越现代海洋性冰川地层，一年冰冻期8个月，多年平均气温1.1 ℃，最冷月(1月)平均气温-7.6 ℃，最热月(7月)平均气温9.0 ℃；极端最高气温23.6 ℃，极端最低气温-27.7 ℃；昼夜温差大，温度垂直变化明显，海拔每升高100 m气温下降0.74 ℃。冰冻层平均厚5～6 m，最厚15 m，属季节性冻胀冻融区。

隧道出口多年平均气温18 ℃，最冷月(1月)平均气温8.4 ℃，属温和区。年降雨量约2 260 mm，5—9月为雨季，11月至次年1月为旱季，降水稀少，以降雪为主。

为防冻害，嘎隆拉隧道主要采取了以下措施[15]：

1)通过考虑风流影响的温度-渗流-应力-损伤(THMD)耦合模型，模拟施工前隧址区岩温场、施工后隧道结构与围岩温度场以及不同季节的冻胀力，确定隧道防冻长度和结构强度。

2)隧道洞口设2道保温门，加强防冻段防排水措施，加密变形缝。

3)防冻段隧道表面设保温隔热层。

4)隧道进口防冻段中心排水沟设于仰拱下。

5)隧道出口下设168 m斜向泄水洞，将洞内中心沟水引至洞外自然沟排出，泄水洞与洞内中心沟之间采用竖向集水井连接。

1.3.4 寒区高铁隧道

近年来，随着高速铁路建设向高纬度和高海拔寒区延伸，我国寒区高铁隧道的防冻技术得到了进一步发展。

1.3.4.1 高纬度寒区高铁隧道

通过调查我国东北高纬度寒区哈达高铁、京沈客专等9条高铁隧道发现，隧址区最冷月平均气温为-23.4～-4.8 ℃，最大冻结深度为1.00～2.46 m。采取的措施有加强防冻段结构、增设保温层、围岩注浆堵水、深埋中心沟、保温中心沟和保温侧沟等，具体如下[16]：

1)将最冷月平均气温低于-15 ℃地区的隧道洞口1 000 m段(如哈佳客运专线、哈牡铁路等)、最冷月平均气温-5～-15 ℃地区的隧道洞口500～800 m段(如京沈、沈丹、吉图珲、张呼客运专线等)、浅埋偏压断层破碎带(如丹大铁路、张呼客运专线沈丹客运专线)设为抗冻设防段，二次衬砌采用钢筋混凝土结构，衬砌混凝土抗冻性指标不低于 F300，考虑冻胀力时加强了环向和纵向钢筋。

2)最冷月平均气温低于-15 ℃地区的隧道抗冻设防段或洞口段二次衬砌与初期支护之间设置了厚4～5 cm保温板，如吉图珲客运专线和哈佳铁路等。

3)最冷月平均气温低于-15 ℃地区的隧道抗冻设防段多采用了拱墙或全环围岩注浆的方式减少地下水，最冷月平均气温-5～-15 ℃地区的隧道抗冻设防段多根据地下水赋存状态确定注浆堵水措施。

4)对于最冷月平均气温-5～-15 ℃地区的隧道，当长度小于2 km时一般全部设置中心深埋水沟；长度大于2 km的隧道洞口端800～1 000 m段设中心深埋水沟。最冷月平均气温低于-15 ℃地区的多数隧道全段设置中心深埋水沟，少数隧道在洞口1 000～2 000 m处设置中心深埋水沟，中心深埋水沟埋置于冻结深度以下。设在仰拱结构内的中心水沟和侧沟均采取了保温措施。

1.3.4.2 高海拔寒区高铁隧道——祁连山隧道

2014年建成的兰新高铁祁连山隧道长9 490 m，位于青海门源县青藏高原季节性冻土区，最大冻结深度为2.3 m。年平均气温4.8 ℃，隧道进口最冷月平均气温-23 ℃，极端最低气温-37.9 ℃，冬季长达7个月。轨面最大高程3 574 m。隧道主要采取了如下防冻措施[17]：

1)衬砌结构。进出口1 000 m范围内为防冻段，采用了内置式保温防冻胀衬砌结构，结构形式为初期支护+模筑混凝土+防水板+厚5 cm保温层+防水板+二次衬砌，采用了“胶粘+纵向钢丝悬挂+环向安装钢架支顶法无钉铺设防水保温层”工艺施工复合防水保温层。

2)泄水洞。隧道进出口分别设长1 800 m和1 500 m的防寒泄水洞，除进口端泄水洞自隧道左侧斜向伸入正洞(距洞口300 m)下方外，其余段均沿隧道中线布置。泄水洞纵坡与隧道相同，净空尺寸为2.2 m×2.5 m(宽×高)，泄水洞纵向每隔250 m设1处泄水洞横通道+竖向泄水管(竖向连接中心水沟与侧沟)引排正洞沟水。为防自身结冰，泄水洞内还增设了径向泄水孔(用来排出隧底围岩水)+支导洞+保温检查井+保温出水口。

3)保温中心水沟。对隧道两端洞口段中心水沟和检查井采取保温措施，长度同泄水洞，中心水沟保温措施为钢筋混凝土排水管外裹6 cm厚聚乙烯泡沫保温层+沥青防潮层+铝皮保护层，检查井保温措施为双层盖板，中间夹20 cm厚聚氨酯保温板，下层盖板采用沥青油浸制木板。

4)保温侧沟。隧道进出口1 000 m范围内排水侧沟采用双层盖板夹聚氨酯泡沫保温。因出口侧沟水量较大，施工期间在左右侧沟内各设2根伴热电缆辅助加热，洞口600 m内采用自动温控，其余400 m采用人工控制，在联调联试期间敷设完成。

运营后发现，局部保温衬砌拱墙、侧沟壁与道床板施工缝、道床板间和道床板内存在渗漏水、冬季挂(结)冰及泄水洞口结冰现象，严重影响隧道运营安全，为此补充了如下措施。

1)渗漏水处径向5 m范围内采用围岩注浆堵水+侧沟与道床施工缝针管注浆堵水+墙脚泄水孔泄水+修复横向排水盲管+中心沟泄水孔引排措施。

2)延长低端洞口泄水洞(500 m)+泄水洞口增设阳光采暖保温棚。

3)根据运营期间现场监控及工务段联合排查发现，伴热电缆末端外1 500 m范围的侧沟有5～15 cm厚结冰，局部段结冰涌出盖板，为此延长伴热电缆至结冰终点。

采取以上措施后，达到了较好的防冻效果，保证了行车安全。

2 隧道冻害研究内容与现状

从以上典型寒区隧道来看，冻害主要表现为洞内结(挂)冰、隧道围岩与结构冻损、地基冻胀融沉等。冻害产生的原因十分复杂。苑郁林等[18]研究认为，隧道产生冻害需具备能够使孔隙水冻结的负温场、足够的水供给和围岩冻融敏感性3个条件。其中，每个条件受多因素影响与控制，分述如下：

1)能够使孔隙水冻结的负温场。隧道内是否产生负温场受洞外气象因素、运营因素和围岩地温影响。其中，洞外气象因素主要包括大气温度、自然风向与风速；运营因素包括公路交通组织(交通量、交通组成与行车方向)、铁路行车组织(行车密度、速度与方向)和运营通风(自然通风和机械通风)。

2)足够的水分供给与迁移。由岩土与混凝土的冻害机制可知，围岩和混凝土发生冻害伴随着水分迁移，水分迁移不仅会增加结冰水体积和水冰相变产生的膨胀力，而且会损伤岩土和混凝土微观结构，导致冻害更严重。因此，要减少或阻隔地下水迁移至隧道周边。

3)围岩冻融敏感性。冻融敏感性是指围岩冻胀幅度和融化后的弱化幅度。冻融敏感性与岩性、结构、强度和完整性等因素相关。一般含水土层、砂砾中微小颗粒含量越高，其冻融敏感性越强，例如：粉土、砂砾冻融敏感性较碎石高；岩石中一般裂隙水占岩石体积越小，冻融敏感性越低，尤其是坚硬岩石冻融敏感性极低。

隧道是否发生冻害需综合以上3个条件判断，缺一不可。因此，国内隧道冻害研究主要集中在隧道温度场时空分布规律、围岩与隧道结构冻害损伤机制和冻害传导途径3个方面。

2.1 隧道温度场时空分布规律研究与现状

目前，国内隧道温度场时空分布规律研究主要集中在洞内空气、隧道结构与围岩2个部分，研究方法主要采用现场测试和理论分析为主。

2.1.1 现场测试研究

国内一批研究者先后在东北、西北、华北、川西高原和青藏高原等寒区多座铁路隧道与公路隧道进行了现场温度测试。测试多在运营通车后进行，测试时间一般为1～2年，测试内容主要包括洞内外空气温度、衬砌结构温度与围岩温度。根据实测数据拟合出的洞内外温度随时间、隧道纵向、径向的主要变化规律总结如下。

1)洞外气温、围岩地温、自然风、洞内风流、列车密度和隧道埋深等因素都影响着寒区隧道洞内的温度场。运营期间的铁路隧道洞内温度场受列车运行影响较大。卢炜[19]通过实测哈大高铁中长隧道(长2 440 m)昼夜温度发现，白天运行密度大、夜间停运的寒区高铁隧道冬季温度场与普通铁路有很大差异，列车高速运行时隧道内外温差缩小，停运后洞内气温会逐渐回升，隧道内温度呈周期性循环变化。高焱等[20]计算发现列车行车速度、行车频率与隧道抗冻设防长度呈线性分布关系。但杨波等[21]通过实测吉珲客专拉法山特长隧道(长10 035 m)、石门长隧道(6 263 m)的洞内温度发现，列车运行对隧道内空气温度影响不大。列车对隧道内温度场的影响之所以出现显著不同，是因为列车活塞风引入洞外冷空气的长度及分布范围不同。根据李炎[22]研究并经大量计算表明： ①当双线铁路隧道长度为2.5～20.0 km且不考虑自然风时，单列普速列车通过时活塞风引入冷空气的长度为隧道长度的15%～30%；上下行列车同时进出洞时，引入的冷空气长度很小(几乎可忽略不计)；上下行列车间隔进出洞时，引入的冷空气长度位于二者之间，行车密度越大，时间间隔越小，列车活塞风引入的冷空气长度越小(主要分布在洞口一小段范围)。考虑自然风时，自然顺风方向端洞口引入冷空气的长度较自然反风端洞口大。②对单线隧道而言，单列普速列车通过时引入冷空气的长度为隧道长度的18%～36%，双向行车的单线隧道引入冷空气的分布规律同双线隧道；单向行车的单线隧道内活塞风方向不变，将持续引入冷空气，不考虑自然风时，通行3～6趟列车，隧道内空气将全部换成冷空气，因此，行车密度高的单向行车单线隧道洞身可能出现负温。天窗时段的铁路隧道和没有机械通风的公路隧道内温度场受自然风影响大，尤其是冬季持续主导风向与隧道轴线夹角越小，自然风越大，隧道越短，影响越剧烈。

2)洞门附近洞内温度场受外界温度影响大，洞外温度越低且洞内外空气交换越多，影响到的隧道纵向长度越大。

3)在分析归纳总结多座隧道温度测试结果的基础上，吴紫汪等[23]、陈建勋[24]、陈宏伟等[17]均认为冬季多数寒区隧道洞内纵向温度场多呈抛物线或V形分布，其开口方向和开口大小受气象、围岩温度与运营因素控制。洞内温度多呈“冬暖夏凉”，即洞身冬季温度一般较洞口高，夏季较洞口低；且进风端洞口低温段长度较出风端长。

4)季节性冻土区隧道结构与围岩温度沿径向逐渐升高，呈指数或线性变化，径向冻结深度从洞口向洞身逐渐减小。多年冻土区隧道暖季的径向温度一般逐渐降低，离结构越远，温度越低。

2.1.2 理论分析研究

我国寒区隧道温度场理论计算分析发展较快，从解析法发展到数值分析法，从一维、二维发展到三维，从单介质发展到多介质耦合分析。

20世纪末，赖远明等[25]建立了考虑相变温度场和渗流场耦合控制的微分方程，并应用Galerkin法导出有限元计算公式，用量纲量为1的量和摄动技术求出了寒区圆形截面隧道温度场分布；且一些学者对设置保温层前后的隧道衬砌结构与围岩温度场进行了现场试验和数值计算比较分析。

在岩土工程温度场、渗流场、应力场(THM)耦合研究成为国际岩石力学热点后，国内学者也开始积极投入到寒区隧道THM研究中，并取得了较大进展，例如岩土介质多场耦合理论、耦合数学模型、数值模拟计算等。其中，张学富等[26]建立了寒区隧道空气与围岩对流换热和围岩热传导耦合三维模型，并编制计算软件对风火山隧道的空气与围岩对流换热和围岩热传导耦合进行了三维分析，得出了隧道内温度场分布规律。谭贤君等[27]推导出非饱和岩土THM耦合作用下的力学平衡方程、质量守恒方程与能量守恒方程，并将该模型用于分析竖井开挖支护过程中；同时，推导出考虑通风影响的寒区隧道围岩温度场模型及其控制方程，在此基础上，研究了西藏嘎隆拉隧道通风条件下围岩温度场的变化规律及防寒保温措施。

2.2 围岩与隧道结构冻害损伤机制研究与现状

2.2.1 围岩冻害损伤机制研究

隧道围岩分为土体和岩体2类，它们在冻融条件下损伤机制显著不同。

2.2.1.1 土体冻害损伤机制

土体是由固体颗粒、水和气体3个部分组成的散体多孔三相物质，固体颗粒构成土的骨架，水与空气充填于土骨架间的孔隙中。当土体内水温低于0 ℃后，土中部分水结冰，水变冰体积膨胀9%，对周围土颗粒产生挤压，破坏土颗粒之间的胶结，使土颗粒发生位移甚至破碎变形，孔隙形态随之改变。更重要的是，冻融循环过程还伴随有水分迁移，水分迁移使冻融循环对土结构性损伤破坏变得更加复杂和严重。不同的含水率、孔隙率和固体颗粒物性质、未冻水含量、水分迁移量及其重分布对土体冻害损伤程度也不同。

对于季节性冻土区隧道，当周边土体疏松(冰体周边约束不强)、地下水不发育时，水变冰膨胀产生的膨胀力主要作用于土粒结构上，作用在隧道结构上的冻胀力较小，土体强度因结冰增加了土体颗粒间的连接力而增加，围岩自稳能力增强。当隧道周边地下水发育、土体较完整(冰水体周边约束较强)时，初期阶段土体结构强度较高，能“抵御”水冰相变产生的部分膨胀力，作用在隧道结构上的冻胀力较小；但随着时间推移，越来越多水分迁移到隧道周边土体内，随着冻融次数增多，土体结构完整性逐渐遭到破坏，自身强度越来越低，“抵御”能力越来越弱，最终作用在隧道结构上的冻胀力会越来越大。当土体内温度继续降低，土中0 ℃等温线逐渐向围岩深部扩展，隧道周边0 ℃以下土层越来越厚，形成隧道冻结圈层。

2.2.1.2 岩体冻害损伤机制

本质上，岩石是一种包含固体骨架、孔隙和水的多孔混合介质，所有岩体含有宏观(节理、裂隙、结构面)、细观(孔隙、微裂隙)和微观(缺陷)初始损伤。

与土体冻害损伤机制相比，目前关于岩体冻害损伤机制的研究相对较少。岩石冻害损伤是一个涉及力学、物理学和化学作用并伴随水相变化、迁移和热量传输的复杂的温度-水-力耦合过程。从微观与细观上来看，岩体冻害损伤就是岩体内部微观缺陷、细观微裂缝与孔隙在冻害作用下逐渐形成的宏观裂缝的过程。邓红卫等[28]认为岩体与土的根本区别就是岩体中含有裂隙，影响岩体冻胀特性的主要因素是裂隙冰。水分在岩体裂隙中冻结成冰从而产生冻胀力，当冻胀力超过裂隙扩展阈值时会驱动岩体裂隙扩展，甚至导致整个岩体冻裂破坏；当温度回升时，岩石裂隙冰融化，引起冻胀力降低和水分迁移。这种冻融循环往复致使岩石强度和刚度无法抵抗内部应力变化，岩体局部损伤区域会扩张连通形成更大裂缝，导致岩石开裂或剥落。其中，裂隙岩体中水分迁移机制、冻胀力值及其萌生消散机制、裂隙冻融开裂扩展机制和岩体多次冻融强度损失及稳定性评价等是岩体冻害损伤研究的关键问题。刘泉声等[29]在这几个方面进行了系统归纳分析，并对裂隙岩体冻融损伤研究中亟待解决的热点和难点问题进行了探讨。阎锡东等[30]基于断裂力学理论建立了单条微裂隙下冻融损伤弹塑性本构模型，并通过试验进行了验证。谭贤君等[31]建立了考虑冻胀压力和冻融循环对岩体劣化损伤影响的岩体THMD(温度-渗流-应力-损伤)耦合模型，并对嘎隆拉隧道围岩不同冻融循环次数后冻胀力的变化规律、隧道结构变形与受力特征进行了分析。同一时期，部分学者还先后研究了不同岩性岩体细观结构冻害损伤、冻融损伤识别方法与手段及研究等。

从宏观上看，针对隧道岩土冻胀力，目前国内存在3种假说： 1)岩石圈层整体冻胀冻融说(冻胀理论模型见图7)。这种假说认为在隧道周边有一岩石冻结圈，冻结圈中岩石孔隙充满地下水，当岩石圈中水结冰后将整体膨胀，从而对隧道衬砌产生冻胀力。2)局部存水冻胀说(冻胀理论模型见图8)。这种假说认为冻胀力主要由衬砌背后积水结冰膨胀引起，由于开挖面不平整、初期支护不平顺以及防水板铺设等原因，使得衬砌背后存在局部空腔积水，一旦这些空腔积水结冰膨胀即产生冻胀力。3)含水风化层冻胀说(冻胀理论模型见图9)。这种假说源自日本，认为衬砌周边围岩均有一层厚薄不一的富水风化层(边墙处风化层含水量更高)，冬季严寒时，风化层中的水结冰膨胀而产生膨胀力。

图7 岩石圈冻胀理论模型

图8 局部存水冻胀理论模型

其实这3种假说本质相同，与隧道周边地下水赋存状态息息相关。当地下水主要以裂隙水、孔隙水形态均匀赋存于隧道周边围岩内时，此时更符合冻融岩石圈整体冻胀说或含水风化层冻胀说；当地下水以空腔水、股状水或层状水赋存于隧道周边时，此时更符合局部存水冻胀说。

图9 含水风化层冻胀理论模型

2.2.2 隧道结构冻害损伤机制研究现状

隧道结构混凝土中的水以4种形式存在，第1种是不可冻结的结晶水，第2种是存在于胶凝孔(孔径15×10-10～20×10-10m)的不可冻吸附水，第3种是部分可冻的毛细孔水(孔径≥400×10-10m)，第4种是固体颗粒间的可冻游离水。

根据混凝土含水性质的不同，国内一般将混凝土冻胀分为微观冻胀、细观冻胀和宏观冻胀3类。微观冻胀是指混凝土内部毛细孔含水结冰冻胀；细观冻胀是指混凝土内部颗粒间游离水及渗漏通道含水结冰冻胀；宏观冻胀是指隧道结构背后富水岩土和空腔水结冰膨胀冻胀。

到目前为止，混凝土冻融破坏理论主要有水离析层理论、膨胀压理论、渗透压理论、充水系数理论、临界饱水值理论和孔结构理论6种。其中，公认度较高的仍是美国T.C.Powers提出的膨胀压理论和渗透压理论 ,即混凝土在冻融过程中遭受的破坏力主要来自于膨胀压力和渗透压力。

膨胀压力理论是指温度降至0 ℃以下时，混凝土内部的毛细孔水、游离水结冰膨胀产生膨胀压力，挤压周边混凝土骨架结构并产生拉力，导致脆弱骨架结构首先遭到破坏；当冰变水体积缩小后，出现新空腔，这部分新空腔将继续被空腔外部水补给填满，下一次水变冰又膨胀，进一步破坏混凝土骨架结构。如此反复冻胀热融，混凝土逐渐变得疏松酥脆并产生裂纹，随着裂纹不断扩大，混凝土强度不断降低，最终导致结构变形开裂、剥落、失稳破坏。

渗透压力理论是由混凝土内冰与未冻水间表面张力差异(有说自由能差、化学势差或蒸气压差)引起凝胶孔吸附水迁移至毛细孔、毛细孔内未冻水迁移至冰体，这种水分在混凝土微观结构中迁移和重分布引起的渗透压力会损伤混凝土微观结构。混凝土常年处在冻融循环中，这种损伤会不断积累并逐步扩大，使混凝土内部孔隙及裂缝逐渐增大、扩展并互相连通，从而使混凝土产生由表向里的裂纹、剥蚀, 进而造成混凝土破坏。

根据各类冻融作用机制假说，国内学者从多角度提出了混凝土不同冻融损伤本构模型，例如：蔡昊以动弹模量损失为主要指标建立了疲劳损伤模型；王立久[32]引入混凝土冻融角和极限冻融循环次数，并以抗冻因子为指标建立了抗冻预测模型；关虓等[33]提出了考虑塑性应变及损伤阈值的混凝土冻融损伤本构方程等。目前，用数值模拟与试验结合方式研究混凝土冻融损伤和本构关系已成为研究混凝土冻融损伤破坏的基本理念。

2.3 隧道冻害传导途径

根据热量交换途径，隧道冻害的传导途径主要有2种： 1)由表向里垂直途径； 2)由外向内水平途径。

由表向里垂直途径是指大气低温通过岩土由地表垂直向下传导至隧道位置处，这种冻害途径一般位于季节性冻土区和多年冻土季节融化区。当隧道埋深超过季节冻结线后，这种垂直途径传导的冻害就消失了。通过由表向里垂直途径产生冻害的隧道长度一般较短，且多集中在浅埋段。

由外向内水平途径主要是指洞外寒冷空气进入洞内进行热交换，改变洞内环境温度所致。其冻害传导是由外向里沿水平方向进行的，由洞口逐渐向洞身发展，在横断面上，由隧道空间内部向周边结构和岩土发展。交通隧道是两端和大气相通的开放管状构筑物，必然存在洞外空气进入洞内进行热交换的现象，因此，寒区隧道都存在由外向内水平途径产生的冻害，且由外向内水平途径是冻害的主要传导途径。以下内容重点针对水平途径产生的冻害。

3 隧道冻害防治技术研究现状

3.1 隧道冻害防治技术原则

由冻害产生的机制可知，产生冻害的根本原因是水冰频繁相变所致，而导致水冰相变的温度和水是冻害产生的根本要素，二者缺一不可。因此，冻害防治技术的主要原则就是减少地下水和控制洞内温度，以防止水冰频繁相变。

1)减少地下水。无法做到隧道周边围岩无水，但可通过工程措施减少地下水，例如：选择地下水不发育的地段设隧道或设泄水洞疏水、注浆堵水、加快排水等措施。

2)控制洞内温度。控制洞内温度是防治冻害的主要途径。当隧道位于多年冻土区时，防冻技术原则就是保护隧道周边围岩环境温度低于0 ℃，使地下水始终处于冻结状态，即“保冻”，此时需采取措施防止洞外热空气进入洞内把热量传递给洞内介质(空气和隧道结构)。当隧道位于季节性冻土区时，防冻技术原则就是采取措施减少热交换，防止洞内水结冰，一是采取保温隔热措施(如保温水沟、保温出水口、保温防寒门、保温隔热层等)防止水温降到0 ℃以下；二是采用加热措施(如太阳能、地热能、电能等)把洞内外各类热源输送到冻害段，防止水温降到0 ℃以下。

3.2 防冻计算分析

隧道防冻计算分析是一个十分复杂的集固、液、气(岩土、冰水、空气)3项介质含相变的温度场、渗流场和应力场耦合问题。从隧道横断面上分析，其是岩土与隧道结构、地下冰水和洞内空气3项介质之间的多场耦合问题；从隧道纵断面上分析，是隧道内空气纵向流动过程中与隧道结构、洞内流动地下水热交换的过程，也是固、液、气3项介质温度耦合问题，可按如下方法和步骤进行计算分析。

1)宜根据最冷月平均气温、年平均气温、海拔等因素进行冻害分区与分级，再根据分区分级采取防冻措施。

2)完整收集与冻害有关的基础资料，包括隧道洞口气象条件(必要时建立气象观测站收集)、地温资料、岩土力学与热学参数、冻胀热融指标、同地区隧道冻害防治资料、通风与行车资料等。

3)根据气象资料、岩土热学参数和钻孔实测温度等，拟合洞外温度场变化规律，并采用耦合理论计算分析隧道山体初始温度场。

4)根据气象资料与运营工况计算隧道通风，包括正常行车工况、夜间天窗(铁路)或小交通量(公路)工况时洞内风流方向与大小。通风计算需考虑自然风、活塞风、机械风等。

5)利用THM耦合理论，建立各通风工况条件下隧道内空气、围岩和渗流热传导耦合三维计算模型，计算分析各通风工况条件下隧道温度场分布变化规律，确定洞内最低温度和防冻范围。

6)根据洞内温度场计算保温层厚度及长度，再与实测值校核。

3.3 冻害防治措施现状

我国寒区隧道冻害防治技术发展至今，目前已有了多种防治措施，这些措施归纳起来可分为主动措施和被动措施。主动措施就是人工增加隧道结构、围岩、洞内空气和地下水的热量；被动措施就是减少隧道结构、围岩、洞内空气和地下水的热量损失。季节性冻土地区隧道既可选择主动措施，也可选择被动措施；多年冻土区隧道以被动措施为主，洞内排水系统可选择主动措施。

3.3.1 主动防冻措施

根据加热对象不同，主动防冻措施可分为加热空气、加热地下水和加热隧道结构3类，热源可选太阳能、地热能、电能和风能等。对于长大隧道应优先利用洞身地热(热空气与热水)资源，通过通风与排水将其引至隧道冻害段。

1)加热空气。可通过管道将暖空调、蒸汽锅炉等加热设备产生的热源输入洞内，或利用隧道通风使高温端洞口热空气流向低温端洞口，以提高冻害段空气温度。例如：嘎隆拉隧道的进口为寒区，出口为温和区，即可通过运营通风使出口端热空气流向进口端，以加热进口端冷空气，提高隧道围岩温度。

2)加热地下水。可用电加热器、蒸汽、暖气等加热沟(管)水，或引洞外或洞内高温地下水至冻害段以加热洞内沟(管)水。

3)加热隧道结构。利用地热泵与管网将洞外或洞身高温地下水引至冻害段，或在保温隔热层和衬砌后敷设加热电缆(见图10)，以加热隧道结构。

3.3.2 被动防冻措施

3.3.2.1 选冻害轻的位置设隧道

将冻土厚度、长度作为隧道位置方案比选的重要内容之一，优先选择无冻害岩土段设隧道。无法避免时，选择冻土薄、穿越冻土距离短的路线方案。另外，隧道全部位于多年稳定冻土区优于穿越多年不稳定冻土区和季节性冻土区。

寒区隧道洞口宜选在地下水不发育、水位低、温度高、纵坡陡、少雪阳面坡，避免选在地下水发育、水位高、温度低、坡面平缓、多雪阴面坡；多年冻土区的隧道洞口应避开冰丘、冰锥、融冻泥流、热融沉陷与滑塌等不良地质区。为防雪崩，洞口应避开厚层积雪陡坡。

(a)

(b)

3.3.2.2 采用利于防冻的隧道线形

为减少洞内外热交换，寒区隧道轴线应与冬季主导风向大角度相交或垂直，尽量避免与冬季主导风向平行或小角度相交，避免出现“冬季穿堂风”。无法避免时，洞口段宜设平曲线加大洞口轴线与风向的夹角。

寒区长大隧道宜设成人字坡，利于洞身高地温地下水流向两端低温洞口，适当加大洞口纵坡利于地下水快速排出，减少洞内地下水热量损失。

3.3.2.3 加强冻害段隧道防排水

处于多年稳定冻土区的隧道水量较少，排水系统主要用来排隧道周边融化圈(保冻效果不好时)渗出的少量孔隙水和裂隙水。处于季节性冻土或多年不稳定冻土的隧道要加强冻害段防水与排水措施，可采取的主要措施如下。

1)减少围岩赋水和流经冻害段的水。根据地形地质条件和富水情况，可选用洞内径向围岩注浆堵水、地表注浆堵水、地表明沟截排水、地下盲沟、泄水孔或泄水洞提前引排水等措施，让地表水和地下水远离隧道冻害段。为减少非冻害段隧道地下水流经冻害段的水量，可在冻害段末端设集水盲井，将非冻害段沟水汇入冻害段深埋水沟或泄水洞排出。

2)加强排水。为防积水，隧道冻害段周边和洞内的水需加速排出，可通过加密环向和横向排水盲(沟)管、加大排水盲(沟)管断面和排水纵坡以及缩短水流路径(如环向盲(沟)管直接和隧底中心排水沟相接)的方式加快排水，减少水流在流动过程中的热量损失。

3)加强防水。加强冻害段防水层的防水能力，减少或防止地下水透过防水层或混凝土缝隙进入隧道。选择具有良好抗冻性和耐久性的防水材料，必要时可设双层防水，二次衬砌可增设施工缝、温度伸缩缝。施工缝、温度伸缩缝应全断面贯通，并应加强混凝土施工缝和温度伸缩缝的防水措施，例如：增设可维护注浆管、正面喷涂渗透性防水涂料等；混凝土防水等级宜不低于P10。

4)防止排水通道结冰。因排水通道结冰而导致隧道发生冻害危及行车安全的事例很多，因此，防止排水通道结冰是冻害防治的重要内容之一。为防止排水通道冻冰，季节性冻土区隧道可选浅埋保温水沟、埋置于冻结线下的深埋水沟(冻结深度<2.5 m)或泄水洞(冻结深度≥2.5 m)排水。当深埋水沟和泄水洞不能置于冻结线以下时，对于深埋水沟和泄水洞应采取全断面保温防冻措施，泄水洞的配套排水设施(如竖向碎石盲(沟)管、泄水孔、泄水支洞等)也需要保温防冻。洞外宜采用暗(保温)沟排水，出水口选在距线路一定距离的地势开阔、高差大且朝阳避风处，并设保温出水口。另外，可利用敷设于衬砌表面的保温隔热层对衬砌背后排水盲(沟)管进行间接保温，必要时可直接对排水盲(沟)管(如伴热电缆采暖沟)保温或加热。

3.3.2.4 加强冻害段隧道结构

1)洞口工程。受积雪或风吹雪影响严重的凹型地形洞口可采用防雪明洞、防雪棚洞或防雪棚。当洞门墙后地层冻胀等级在Ⅱ级及以上时，宜选用不冻胀材料进行换填，不冻胀材料可选砂性土、砂砾、碎(砾)石、粉煤灰等。

2)地基基础。为防止位于冻胀融沉地层的地基变形开裂，季节性冻土区隧道基础应置于设计冻深0.25 m以下，多年冻土区隧道基础置于设计冻深1 m以下，否则需对地基进行处理。

3)结构型式与材料。位于冻害段的隧道结构宜采用曲墙带仰拱的复合型式，二次衬砌宜采用钢筋混凝土结构；衬砌混凝土应具备抗裂、防渗、抗冻、低温早强等性能，强度等级不宜低于C30。

4)保温隔热。为达到隧道结构和围岩中液态水不结冰或围岩中固态冰不融化，可通过敷设保温隔热层来减少其与洞内环境的热交换。保温隔热层敷设位置有2种： ①敷设在二次衬砌表面防止隧道结构和围岩中液态水结冰冻胀； ②敷设在初期支护和二次衬砌之间防止围岩中固态冰热融，示意如图11所示。根据洞内气温、隧道与围岩地温以及冻结深度，可在拱墙敷设或全环(含仰拱)敷设保温隔热层。对于发生了严重冻害的运营隧道，在处理好防排水的基础上，衬砌表面可增设带保温层的钢筋混凝土(波纹钢板)套衬。保温隔热层厚度通过计算确定，应选轻质、疏松、多孔(最好为闭孔型)、导热系数小、防火、防水与耐腐蚀性好的保温隔热材料。隧道中常用的保温隔热材料分为无机保温材料和有机保温材料。无机保温材料主要有矿渣棉、岩棉、玻璃棉和硅酸铝纤维板等；有机保温材料主要有聚氨酯、聚苯乙烯、聚乙烯和酚醛泡沫板等。

(a) 在二次衬砌表面敷设

(b) 在初期支护和二次衬砌之间敷热

5)洞口设隔风防寒保温门。对于交通量小的隧道可在两端洞口设自动保温隔风门，以减少洞内外热交换，夜间无车通行时关闭保温门，减少洞外冷空气进入洞内。保温隔风门可选风幕门、卷帘门、水平推拉门，门应具备自动感应控制、手动控制和远程控制功能。

4 防冻技术展望

虽然我国隧道防冻技术取得了较大进展，但在通风与气候变暖对隧道防冻的影响、冻害机制与防冻计算理论、短周期冻融、防冻材料、清洁能源利用、冻害检测与监测以及维修养护等方面仍需进一步深入研究。

4.1 隧道内温度场规律研究

前期冻害研究多以短时间实测洞内空气围岩温度变化规律为基础进行THM耦合理论数值计算分析，未考虑或较少考虑通风影响，未建立基于全时段通风工况条件下的洞内温度场耦合模型，模拟计算得到的温度场局限性较大，难以确定最不利温度场工况。对于寒区隧道，应通过解析计算、数值模拟分析和现场实测，掌握不同季节、每天不同时段和不同交通条件(单双向行车、行车密度与速度)下洞内风流规律，再根据风流规律耦合分析出各通风工况下洞内温度场，据此判定洞内温度场最不利工况，进而确定防冻范围和措施。

4.2 冻害发生机制和防冻计算理论研究

国内学者虽然对冻害发生机制进行了较深入研究，也掌握了一些冻害发生机制，但应用到实际工程时往往存在较大差异，需要进一步从微观和细观角度研究冻害产生的机制。例如：不同岩性岩体冻害损伤本构模型、水冰相变过程、未冻水迁移规律、力学与化学耦合过程、冻融损伤识别方法与手段、冻融损伤定量评价、冻胀力的产生与发展及计算取值等仍需进一步深入研究。

目前国内隧道防冻措施多根据工程类比法设计，虽然对于部分隧道利用耦合理论进行了计算分析，但需进一步把更多冻害影响因素(如地热、时间)考虑在内，使理论分析更符合现场实际。

4.3 短周期冻融研究

现阶段隧道冻融设计研究多以年或季为周期进行，即1年或1季度发生1次冻融，但部分寒区隧道洞内正负温交替转换很快，几天甚至1 d交换1次，如白天为正温、夜间变为负温。这种短周期正负温交替同样可能会产生冻融，例如：伍毅敏等[34]通过长期监测山西某隧道温度时发现二次衬砌1年内发生了1次季节性冻结和5次短周期冻融，远大于传统1年1次的冻融频率。这种短周期冻融同样会造成衬砌混凝土与围岩结构损伤，且正负温交替引起的短周期冻融循环累积的损伤对隧道衬砌和围岩的破坏更大。因此，有必要对短周期正负温交替是否会产生冻融、产生冻融的条件与特征及对隧道结构和围岩的损伤程度进行深入研究。