高寒地区公路隧道衬砌冻胀病害处理技术

2023-09-21陈鑫

交通科技与管理 2023年17期

陈鑫

（中交公路规划设计院有限公司,北京 100010）

0 引言

多年冻土和季节性冻土在我国分布较广，约占国土总面积的40%以上。在冻土地区修建的公路隧道容易出现冻胀病害，尤其是高寒区。如果对隧道冻胀病害的产生机理分析不当或选择的防冻胀技术不合理，可能导致隧道在施工、运营期间出现衬砌开裂、仰拱隆起等病害，危及行车安全，严重的可能造成巨大的经济损失和人员伤亡。近年来，国内外学者利用现场监测、室内模型试验、数值模拟等手段研究了高寒区隧道衬砌的病害，但由于衬砌冻胀机理复杂，仍没有统一的成果来指导高寒区隧道设计[1]。因此，进一步探讨高寒地区公路隧道衬砌冻胀病害机理和处理技术具有重要的工程价值。

1 高寒区隧道衬砌冻胀机理分析

1.1 高寒区隧道分类

高寒区的最大特征是海拔高、气温低，其中最冷月是1 月份，平均气温在-10~-30 ℃；最暖月在7 月份，平均气温大于10 ℃，但大于10 ℃的月份不超过5 个月。在高寒区建设隧道难度较大，要先对隧道分类，有针对性地采取措施。但是，目前尚无统一的分类标准。大量工程实践表明，水对高寒区隧道的影响最大，衬砌病害与水密切相关，故该文按地下水赋存与补给条件将高寒区隧道划分为5 类，不同隧道的冻胀特征见表1[2]。

表1 高寒区隧道分类

1.2 隧道围岩冻胀影响因素

在高寒地区，隧道衬砌是否发生冻胀及冻胀严重程度主要取决于水、围岩特性、衬砌刚度等，具体阐述如下：①水。水是隧道围岩发生冻胀的决定性因素，含水量越高，冻胀等级越高，冻胀病害越严重。②围岩特性。围岩渗透系数是不均匀、各向异性的，衬砌产生的冻胀力也是不均匀、各向异性的。同时，围岩结构面在冻结期间会张开，吸收部分冻胀能力，减轻衬砌冻胀病害；此外，围岩的岩土性质也强烈地影响着冻胀类别和强度，在相同含水量下，砂性土冻胀强度较黏土低。③衬砌刚度。一般情况下，衬砌刚度越大，抗变形能力越强，在开挖和运营期间承担的冻胀力也越大。

1.3 隧道衬砌冻胀理论

（1）热传导理论。要计算高寒区隧道衬砌冻胀力，就要先了解外界温度与衬砌之间的热传导规律。根据热传导第二定律“如果两个物体之间有温度差，热量就会从一个物体传导至另一个物体，且热量总是从温度最高点传导至最低点，最终达到某一稳定温度。在热量传递过程中，隧道衬砌的温度T是随空间和时间不断变化的，可以用函数T=T（x、y、z、t）表示。需注意，当函数T对时间t的导数为0 时，隧道衬砌所处的温度场为稳态温度场。

（2）冻胀力计算。高山区隧道在开挖结束后，周围会产生“冻结圈”。在计算隧道衬砌冻胀力时，需先根据经验初步判定冻结圈范围，再改变冻结圈温度，使围岩裂隙中的水冻结为冰。水冻结成冰后作用在衬砌上的冻胀力δ可按式（1）计算[3]：

式中，E——衬砌弹性模量（MPa）；n——围岩空隙率（%）；α——水冻结成冰的体积膨胀系数，可取9%；e——围岩与衬砌弹性模量的比值；u1、u2——分别为围岩和衬砌泊松比；p、q、m1、m2——均为计算参数，取决于衬砌内径、衬砌外径、冻结圈深度等参数。

2 高寒地区隧道冻胀力计算

2.1 工程概况

该隧道设计标准为双向六车道，限界高度5.5 m，净宽16.0 m，开挖断面约130 m2，左线起讫桩号为ZK15+200~ZK16+350（长1 150 m），右洞起讫桩号为YK15+202~YK16+355（长1 153 m），属长隧道。隧道衬砌采用复合式衬砌，并在初支和二衬之间设置防、排水层。根据隧道的详细勘察资料，隧道围岩以砂岩、泥质砂岩等为主，围岩等级均为Ⅴ级。同时，水、冰、混凝土衬砌、围岩、存水区域土体的密度分别取1.0 g/cm3、0.9 g/cm3、2.25 g/cm3、1.90 g/cm3、2.05 g/cm3，比热容分别取4.2 W/(kg·K)、2.1 kJ/(kg·K)、0.95 kJ/(kg·K)、1.35 kJ/(kg·K)、1.60 kJ/(kg·K)。

此外，项目所处区域属于高原山地气候，全年平均气温1 ℃，且寒冷天气持续时间长。一月份温度最低，平均气温为-15 ℃；七月份温度最高，平均气温为10 ℃。

2.2 计算模型建立

（1）基本假定。高寒区隧道衬砌冻胀力影响因素多，不可能全部考虑。为了提高计算效率，拟对隧道作出以下简化：第一，将隧道围岩和衬砌视作均质、连续、各向同性的弹塑性材料；第二，不考虑地下水对围岩和衬砌性能的劣化；第三，冰与土颗粒是不可压缩的，且水冻结成冰期间不考虑水蒸气迁移。

（2）几何尺寸。由“圣维南原理”定理可知，隧道衬砌的冻结圈范围是有限的。结合相关研究成果，高寒区隧道的左、右边界取3~5 倍隧道净宽，上、下边界取3~5 倍隧道净高，上边界与实际地形一致。基于上述原则，隧道计算模型的尺寸取25 m×30 m，如图1 所示。

图1 高寒区隧道计算模型

（3）模拟单元。高寒区隧道的围岩可用实体单元模拟，初期支护和二次衬砌可用板单元模拟。在选定模拟单元后，还要对模型进行网格划分。一般情况下，网格尺寸越小，网格数量越多，衬砌冻胀力计算结果越准确。但是，网格尺寸也不宜过小，否则可能导致软件计算不收敛。该隧道模型网格划分尺寸取0.5 m，共划分了8 656 个单元，9 318 个节点[4]。

（4）温度边界条件。根据“附面层理论”，当地层深度达到某一临界值时，环境对地层温度的影响基本可忽略。参考相关研究成果，用正弦函数表达温度边界条件，见式（2）：

式中，Td——气温均值（℃）；A——气温振幅（℃）；wd——角频率（℃/d）；φ——初相（°）。

2.3 冻胀力计算

在Midas/GTS 软件中，隧道衬砌冻胀力可定义为水冻结前后围岩与衬砌结构接触压力的差值。为了研究高寒地区隧道衬砌冻胀力的变化规律，在拱顶、拱腰、拱底分别设置应力监测点，编号为1#监测点、2#监测点、3#监测点。

（1）不同含水率下的隧道衬砌冻胀力。当隧道所处外界环境气温降低至零度以下，围岩中分布的裂隙水会冻结成冰，使得体积膨胀，在围岩－衬砌接触面产生冻胀力。该文利用Midas/GTS 软件计算了含水率为10%、15%、20%、25%、30%时不同监测点的冻胀力，计算结果见表2。

表2 隧道不同监测点冻胀力

由表1 可知：随着含水率的增加，隧道衬砌不同监测点的冻胀力也不断增加，含水率与冻胀力之间基本呈线性正相关关系。含水率每增加5%，1#监测点、2#监测点、3#监测点的冻胀力平均增加0.50 MPa、0.58 MPa、0.55 MPa。同时，在含水率相同的条件下，拱顶的冻胀力最小，拱脚的冻胀力最大，拱腰的冻胀力在拱顶和拱脚之间。上述现象表明[5]：高寒区隧道衬砌的冻胀力对水分较敏感，在设计时要加强防排水，以降低围岩含水率，减小衬砌所承受的冻胀力。

（2）不同衬砌刚度下的隧道衬砌冻胀力。在围岩含水率为20%的条件下，利用Midas/GTS 软件分别计算了隧道衬砌弹性模量为8 GPa、12 GPa、16 GPa、20 GPa、24 GPa 时，1#监测点的冻胀力，计算结果见图2。

图2 冻胀力-弹模关系图

图2 计算结果表明：隧道衬砌1#监测点的冻胀力随弹性模量的增加而增大，但增加速率逐渐变缓。当隧道衬砌弹性模量＜20 GPa，其冻胀力呈骤增趋势；当隧道衬砌弹性模量超过20 GPa 后，冻胀力变化不明显。此外，隧道衬砌弹性模量从8 GPa 增加至24 GPa，冻胀力从1.72 MPa 增加至2.50 MPa，增加幅度为45.3%。因此，高寒区隧道衬砌设计时可在满足承载力和变形的前提下，二次衬砌背后可填充弹模较低的弹性材料，可减小作用在衬砌上的冻胀力。

3 高寒地区隧道防冻胀技术

大量工程实践表明，高寒区隧道衬砌防冻胀措施在设计时应遵循“因地制宜、综合治理”的原则，做好防排水（以排为主，防排结合）、衬砌保温。

3.1 防排水技术

（1）防水措施。为了防止地下水渗入隧道衬砌中，首先要通过在混凝土中加膨胀剂、提高混凝土密实度等方法来提高衬砌的防渗等级。对于高寒区公路隧道，其衬砌防渗等级不宜小于P10；其次，在初支和二衬之间应铺防排水板。防水板卷材一定要能耐低温，否则在寒冷天气下材料性能容易衰减，导致其失去防水功能；最后，在施工缝、沉降缝等位置安装耐低温止水条带[6]。

（2）排水措施。相对于普通隧道，高寒区隧道的排水设计难度大，要确保排水沟及出水口在低温条件下不冻结，具体措施如下：在隧道二次衬砌背后设置环向渗水软管，墙脚外侧设置纵向排水盲管，以便于将隧道周边地下水引至仰拱下的纵向深埋中心排水沟，如图3所示。

图3 拱底深埋水沟示意

此外，当最冷月平均气温低于-25 ℃时，还可在隧道的正下方设置防寒泄水洞来排出地下水。防寒泄水洞在施工时要超前主洞掌子面50~100 m，也可作为超前地质预报的补充手段。

3.2 保温技术

传统的隧道衬砌保温措施多采用钉挂保温板的方法，会在衬砌表面钻孔打眼，会降低隧道结构的强度和稳定性，且保温板存在拼接缝隙，保温效果差。为了解决这一问题，国内很多高寒区隧道保温开始采用无机纤维保温喷涂技术，即利用专用设备将材料喷涂在隧道衬砌表面（与衬砌100%贴合），不会损伤隧道衬砌结构，具体施工流程为喷涂基面处理→基底预喷→喷涂施工→表面整形→表面粘贴玻璃纤维布。