公路隧道涎流冰发育过程中的水源及渗流通道分析

2022-04-06赵天望戴长雷邹德昊宋成杰

黑龙江大学工程学报 2022年1期

赵天望，戴长雷,*，邹德昊，宋成杰

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

0 引言

在我国国土面积中约有1/2以上属于寒区，约75%的寒区隧道存在冻害问题[1]，多表现为开裂渗漏、拱顶挂冰、路床结冰等形式。涎流冰现象作为一种较为严重的冻害形式，对隧道的结构强度和稳定性影响较大。造成这类病害的原因有很多，主要包括施工、气候、水文等影响因素。目前，国内学者在隧道冻害方面已经开展了相关研究。严晓东等[2]分别从施工工艺、排水系统、保温处理等多个角度分析，总结高铁隧道渗水结冰的原因，针对寒区隧道衬砌表面挂冰的现状，提出改善措施，以提高高铁隧道运营的安全系数。朱小明等[3]根据甘肃省典型公路隧道的冻害案例，总结这类病害发生的原因以及应对措施。刘立军[4]通过资料收集和试验结果相结合的方式，对寒区隧道冻害形成机理展开分析，针对寒区隧道的保温技术提出改进方法，为寒区隧道施工人员在保温结构处理时提供参考。王道远等[5]依据隧道渗漏结冰问题，分析局部存水冻胀力作用的影响，并提出隧道结构的评价方式，为隧道冰害防治提供借鉴。

隧道涎流冰病害防治是一项困难的工作，任何影响因素的改变都有可能对隧道内部造成破坏。本文以已通车的黎明大道公路隧道为研究对象，对隧道涎流冰发育过程中的水源及渗流通道展开研究，可为类似病害防治提供新思路。

1 工程现状

1.1 公路隧道涎流冰的现场调查

哈尔滨市黎明大道公路隧道，全长1.2 km，隧道内行车速度50 km·h-1，地层以泥岩、砂岩为主，等级为Ⅲ～Ⅳ级，行车道净宽和净高分别7.5 m和5.5 m，隧道埋深6～35 m。所在位置极端最低温度-31 ℃，极端最高温度30 ℃，最大冻结深度1.01 m，隧道内最大风速21 m·s-1。受地理位置影响，该区域长期受流水侵蚀，隧道边墙和内拱出现不同程度的开裂，冬季和春季气温较低时混凝土结构出现冻胀破坏，严重影响隧道的使用功能。

实地调查发现，此隧道通车后，衬砌结构多处外部装饰及施工材料严重脱落，施工缝和预留伸缩缝出现开裂。经历雨雪天气后，裂缝处开始出现渗漏现象，水流顺着缝隙不断蔓延，受侵面积逐渐增大。另外，寒冷条件下通过空气对流，隧道内部与外界进行热交换。外界冷空气进入隧道内会带走很多热量，迅速降低内部的温度场，导致渗水长期维持在低温条件下冻结成冰。随着时间的增加，涎流冰开始大规模发育，严重影响结构的强度和稳定性，也给交通运营带来极大的隐患，见图1。

图1 隧道涎流冰病害

1.2 涎流冰的形成

涎流冰，又称“冰柱”“冰挂”“冰溜子”，隧道涎流冰现象是冻害表现形式之一。主要因为隧道渗漏处的水流受自重作用向下运动，遇到冷空气时形成涎流冰。开始，由于冰柱体积较小，径流速度较大，不足以克服水流的机械能，冰体发育缓慢。随着水源不断向下渗流，涎流冰的长度和体重也持续增加。冰体发育初期面积增速较快，随着时间的增长，冰体发育后期其表面积较小，涎流冰形态逐渐趋于稳定[6]，见图2。

图2 涎流冰发育形态投影

涎流冰的重量和长度是描述冰体形态的重要指标，两者达到一定数值时冰体自由脱落[7]。由于所处环境条件不同，冰体大小存在差异。但总体形态类似锥形，上部的直径大，下部的直径小，尖角向下如同倒挂的利剑，从高处落下时形成的压强较大，容易给行车和人身安全造成伤害，应及时清除。

2 涎流冰发育过程中的水源及渗流通道

2.1 水源

公路隧道涎流冰是隧道冻害类型之一，在一定程度上对结构造成破坏[8]。水为冰体发育提供物质基础，是影响冰体发育的重要因素。通过分析，发现隧道渗漏中的水源主要来自于地表水和地下水的渗流。

2.1.1 地表水

隧道表面的地表水主要是由雨水和融雪水汇流而成。在北方，冬季易在隧道表面产生积雪。当阳光直射或者温度升高时，积雪开始融化。表面的雨水和融雪水汇成的水流一部分被蒸发排走，另外一部分顺着结构表面裂缝发生下渗运动。当遇到强降雨天气，隧道的溶洞和断层区域汇集大量的水，会加重排水系统的排水压力，一旦水流不能及时排出，就会导致隧道发生渗漏[9-10]。

黎明大道公路隧道为双向车道，隧道长度短，衬砌裂缝左、右边墙具有对称性，属于城市隧道类型。纵向裂缝具有明显的季节性，冬季裂缝宽度较大，即使温度升高也很难恢复[11]。裂缝随着时间的推移具有累积性，缝隙的长度、宽度、数量相比之前有所增加，这也符合季节性冻胀开裂的特点，地表水容易在裂缝间产生聚集。地表水入渗在一定程度上影响隧道的稳定性，通常利用隧道拱顶沉降与时间变化曲线来衡量，见图3。为防止隧道沉降引起不稳定，在隧道支护和导坑开挖时应尽量降低对围岩的破坏，提高支护结构的强度，减少地表水的入渗[12]。

图3 隧道拱顶沉降-时间曲线

2.1.2 地下水

隧道施工过程中，通常依据经过区域地下水量的多少，可将隧道所处环境分为富水区和非富水区。在富水区域，如果遇到强降雨时期，地下水位迅速上升，容易呈现高水位状态。由于周围土体和岩层具有一定的孔隙率和渗透性，高水位地方的水流会向四周扩散。不同结构层的透水性影响水分渗流运动的方向，当遇到透水性较大的位置地下水会向外涌出，造成隧道渗漏。

根据冻害分级原理和气候及地下水条件对隧道冻害程度的影响，将气候划分为“温”“冷”“寒”“重寒”“严寒”，将隧道冻害等级划分为无、轻、中、重、严重5个等级。注：0 为Ⅰ级(冻害微)；2、3 为Ⅱ级(冻害轻)；4 为Ⅲ级(冻害中)；5、6 为Ⅳ级(冻害重)；7、8 为Ⅴ级(冻害严重)[13]，见表1。

表1 隧道冻害等级划分

2.2 渗流通道

高寒地区，在公路隧道建造和运营过程中，恶劣的气候环境以及车辆高频率通行带来的风速降低隧道内部的温度场，为涎流冰形成创造特殊条件[14]。结构表面和内部的裂缝为水源提供渗流通道，在拱顶表面或者边墙流出，低温条件下凝结成冰。

2.2.1 地表水的渗流通道

经过多年运营，隧道结构表面发生开裂，出现软弱层，受外荷载和自重作用影响，地表水容易向下渗流。另外，在施工过程中，多利用喷射混凝土作为衬砌的浇筑材料。混凝土材料凝结硬化后具有较大的强度，增加结构的耐久性[15]。但是，与隧道周边的围岩相比，这种材料属于有孔介质材料，具有较大的渗透性，容易吸收水分。当雨雪水汇流成地表水后，如果初期支护混凝土中的软管或排水管排水效果不佳，水流会迅速下渗[16]，在初期支护混凝土中积存，此时支护层的裂缝成为了地表水的渗流通道。

防水层是初期支护混凝土和二次衬砌混凝土之间的防水结构。在运营的过程中，防水层材料受到上部结构和围岩的压力发生损伤，另外由于初次支护和二次衬砌之间有温度波动幅度差，容易发生纵向错动。寒冷地区温度条件恶劣，隧道温度场容易发生变化，导致防水层损伤，加速地表水向下运动。

二次衬砌是在初期支护和防水层施工完成后，对隧道的内部进行再次加固支护的结构层。主要的浇筑材料也是混凝土，跟初期支护中可能发生的渗水现象相似，随着水源的不断下渗，部分水流会沿着施工缝呈纵向延伸，使得隧道底部的装饰板或者施工材料大面积受侵，导致隧道底部多处外部装饰及施工材料严重脱落，施工缝和边侧等位置出现开裂，遇到较大水流时渗流通道会进一步扩大。

2.2.2 地下水的渗流通道

除了天然因素的影响，人为因素也会改变冰体发育过程中的渗水量。在隧道建造过程中，需要对隧道周围的岩体进行开挖处理，当遇到特殊情况时还需要使用爆破方式进行施工。虽然这些施工手段是为了保证隧道工程顺利进行，但也在一定程度上破坏隧道周围岩体的完整度，使得原有的地下水流动方向发生改变。由于人为的破坏，导致一些裂隙岩体中由地下应力场和地下水的渗流场相互作用达到的平衡状态失衡，透过含水缝隙地下水会向外涌出。

对公路隧道工程进行设计时会考虑将地下水排除，多是在施工过程中设置排水管或引水管对高水位的地下水进行排放。但实际上，当隧道处于富水区或者遇到强降雨天气时，一般的排水处理效果并不佳。另外，隧道仰供两侧的排水沟容易发生堵塞，也会造成隧道围岩周边的地下水和地表水无法及时排走[17]。除此以外，北方寒冷地区，雨雪量较大且温度较低，更不利于水分的蒸发和排放。多种原因导致高水位地下水不断向外渗流，在裂隙区域形成聚集，并且侵蚀隧道结构层。经过一段时间，围岩周围的积水变得更多，形成过大的水压，对隧道的衬砌结构产生压力作用，破坏结构的稳定性[18-19]。由于衬砌结构多是使用喷射混凝土，透水性较高，地下水会向结构内汇流，诱发衬砌渗漏问题。水流沿着缝隙不断延伸，扩大水侵面积。遇到冷空气发生凝结，最终形成隧道涎流冰现象。

3 冻胀力作用产生的影响

隧道结构内的裂缝为水源渗流提供通道，而围岩冻胀力作用会引起隧道衬砌开裂，最终导致隧道发生冻害。在低温环境条件下围岩孔隙和裂隙中的水分开始冻结，致使体积发生膨胀，对衬砌结构施加压力。随着水流的不断蔓延，又会有新的水流进入裂隙中。由于压力逐渐增大，最终形成围岩冻胀力，造成原有的缝隙变得更大，破坏二次衬砌结构的密实性。不仅降低结构强度，也使得隧道内部更容易发生冻害。

夏才初等[20]将冻胀力的计算方法主要归纳为衬砌背后积水冻胀模型、冻融整体冻胀模型和含水风化层冻胀模型3种。周敏娟[21]运用ANSYS有限元软件计算隧道衬砌背后的局部存水冻胀力。范磊等[22]根据局部积水冻胀模型, 分析冻胀力的成因和机理，并总结其计算公式。