高寒山区大断面隧道衬砌冻胀机理及处置措施研究

乔树勋

【摘要】我国青海等高寒地区的隧道工程冻害严重，因冻害引起的隧道渗漏等灾害事故频发。青海某寒区富水隧道2012年6月贯通后历经一个完整冬季出现严重的冻结、冻胀和挂冰现象。隧道冻结、挂冰和冻胀主要集中在隧道出口100m范围内。根据该隧道的挂冰和冻胀情况，对隧道冻害挂冰开裂机理进行了分析，确定了隧道渗漏开裂的主要诱因，在此基础上确定了该隧道冻害防治的技术措施，指导了该隧道的施工，取得了良好的效果，为类似工程施工提供了借鉴经验。

【关键词】隧道工程；冻胀开裂；冻害机理；处置措施

据统计，地球上多年冻土、季节冻土和瞬时冻土区的面积约占陆地面积的50%，主要分布在俄罗斯、加拿大、中国和美国的阿拉斯加及北欧等地，而中国的冻土面积仅次于加拿大和前苏联，排行世界第三位，多年冻土和季节性冻土占据了我国大部分的面积，主要分布在我国东北、西北、西藏、内蒙古和新疆等地区。自建国以来，我国修建了一些寒区隧道，夏天刚竣工，冬天就出现不同程度的冻害，例如：拱顶出现冰锥，边墙出现冰溜，衬砌开裂、酥碎和剥落，底板冒水结冰等，这些病害大大弱化了隧道的使用功能，严重影响了行车的安全，需要花费大量的人力、物力和财力进行维修和养护，才能勉强通车运营，而有的甚至于被报废，给国家带来巨大的损失和资金浪费。我国在冻土区上修建的隧道数量越来越多，从对已经运营的寒区公路隧道进行调查时发现，寒区隧道中有80%以上都存在各种各样冻害现象，其中：60%是发生渗漏，约24.5%出现衬砌混凝土剥落、开裂、滑塌、沉降等问题[1-5]。我国青海某寒区富水隧道2012年6月中旬贯通，2013年3月发现隧道贯通历经一个完整冬季出现严重的冻结、冻胀和挂冰现象。其中，隧道DK277+376～+576段洞内中心水沟、检查井以及衬砌背后盲沟结冰，仰拱充填冻胀开裂，隧道衬砌出现不同程度的挂冰。对某寒区富水隧道进行的巡查后发现，隧道冻结、挂冰和冻胀主要集中在隧道出口DK277+455～+540段，挂冰、冻结段长约85m。其中，DK277+565综合洞室处冻结、DK277+538处环向冻胀挂冰3处、DK277+541处环向4处挂冰、DK277+500处冻胀挂冰严重、DK277+462处左右拱腰处挂冰严重。根据该隧道的挂冰和冻胀情况，决定对该隧道冻胀段进行拆除后注浆封水重新施做衬砌。论文就该隧道二次衬砌挂冰冻胀段的爆破拆除重建施工技术进行讨论，编制了相应的施工技术，指导了该工程的施工，取得了良好的效果。

1、 工程概况

1.1 工程概述

我国青海某隧道位于青海门源县的俄博山低山区，平均海拔约2700m，最高海拔约3100m。隧道起讫里程DK275+588～DK277+868，全长2280m，为双线隧道。隧道进口位于头塘河北岸陡坡，洞身进口区地形起伏较大，自然坡度20°～40°，分布有少量“V”型沟谷，山坡及山脊上大多植被茂密；出口位于大通河南侧山坡。全隧道位于20‰单面下坡上，除进口端149m位于曲线上外，余均位于直线上。

1.2 隧道地质条件、水文条件

某寒区富水隧道隧址范围内岩性主要为砂岩、页岩、泥岩等。某寒区富水隧道范围内冲沟发育，多为季节性流水，雨水及春融期水量较大。地下水主要为潜水和基岩裂隙水。潜水赋存于第四系碎石类土中，受大气降水和地表水补给。基岩裂隙水赋存于下第三系和侏罗系地层中，以及不同岩性接触带上，受大气降水和地表水补给。隧道所在区域属大陆性气候，冬季干旱少降水，夏季温暖多雨，每年5～10月为降水期，其中以7～8月最多，山区降水以雪、冰雹为主，而盆地河谷地区以雨水为主。根据西宁市大通县气象站多年资料，年平均气温5.1℃，极端最高气温35.6℃，极端最低气温-33.1℃，年平均降雨量521mm，年平均蒸发量为1269.6mm。海北州门源县多年资料，年平均气温1.8℃，极端最高气温31.7℃，极端最低气温-34.5℃，年平均降雨量530mm，年平均蒸发量为1083.9mm。此外，每年10月至翌年4月为结冻期和风季，盛吹西北风。

1.3 某寒区富水隧道膨胀岩地段冻胀挂冰情况

根据新建铁路兰州至乌鲁木齐第二双线施工图某寒区富水隧道DK277+376至 DK277+868段隧道围岩为泥岩和砂岩；泥岩成岩较差，泥质胶结；砂岩为粉细砂质结构，厚层状构造，泥质胶结。其中，隧道DK277+376～+576段浅埋，最小埋深20m。某寒区富水隧道2012年6月中旬贯通，2013年3月上场后发现隧道贯通历经一个完整冬季出现严重的冻结、冻胀和挂冰现象。其中，隧道DK277+376～+576段洞内中心水沟、检查井以及衬砌背后盲沟结冰，仰拱充填冻胀开裂，隧道衬砌出现不同程度的挂冰。隧道该段典型冻结、冻胀和挂冰图片见下。 对某寒区富水隧道进行的巡查后发现，隧道冻结、挂冰和冻胀主要集中在隧道出口DK277+455～+540段，挂冰、冻结段长约85m。其中，DK277+565综合洞室处冻结、DK277+538处环向冻胀挂冰3处、DK277+541处环向4处挂冰、DK277+500处冻胀挂冰严重、DK277+462处左右拱腰处挂冰严重。根据新建铁路兰州至乌鲁木齐第二双线施工图，隧道DK277+455～+536段81m衬砌类型为Ⅴc-2；隧道DK277+536～+540段4m衬砌类型为Ⅴb-2。该段隧道设计参数见表1所示。

（a）隧道综合洞室处冻结 （b）隧道环向挂冰 （c）隧道冻胀开裂情况

图1 隧道典型环形冻胀、挂冰图片

表1. 隧道冻结、冻胀和挂冰段围岩类别及设计参数

起讫里程 围岩

类别 混凝土强度 厚度（mm） 钢筋规格/间距/层数 钢架规格/间距 备注

初支 二襯 初支 二衬

边墙 拱部 仰拱

填充 结构混凝土

DK277+416～DK277+536 Ⅴc-2 C30 C35 300 550 550 1250 650 22/20/2 I22a/50 里程DK277+455～+540

DK277+536～DK277+576 Ⅴb-2 C30 C35 280 500 500 1250 600 22/20/2 I20a/60

2、 寒区富水隧道冻胀挂冰机理分析

2.1 已有寒区隧道冻胀挂冰原因分析

我国在冻土区上修建的隧道数量越来越多，从对已经运营的寒区公路隧道进行调查时发现，寒区隧道中有80%以上都存在各种各样冻害现象，其中：60%是发生渗漏，约24.5%出现衬砌混凝土剥落、开裂、滑塌、沉降等问题。自建国以来，我国修建了一些寒区隧道，夏天刚竣工，冬天就出现不同程度的冻害，例如：拱顶出现冰锥，边墙出现冰溜，衬砌开裂、酥碎和剥落，底板冒水结冰等，这些病害大大弱化了隧道的使用功能，严重影响了行车的安全，需要花费大量的人力、物力和财力进行维修和养护，才能勉强通车运营，而有的甚至于被报废（与玉希莫勒盖隧道相距约100m的老玉希莫勒盖隧道已成冰窖、弃用），给国家带来巨大的损失和资金浪费。我国最早建设的寒区隧道—牙林线岭顶隧道，全长936.8m，年平均气温为-6.71℃度，隧道出口端位于多年冻土，季节融化最大深度为9m左右，围岩为凝灰质角砾岩。设计时采用了普通水沟及衬砌背后注浆。主体工程于1961年9月建成，同年11月发现了隧道病害现象，其表现为[2-7]：（1）隧道内部普遍漏水，冻胀后拱部挂冰、底部形成冰笋，边墙上出现直径达1m的大冰柱，隧底积冰厚度达0.3～1.3m；（2）边墙衬砌产生环向裂缝，大多数裂缝位于衬砌工作缝处，宽由发丝至3mm不等。通过对寒区隧道冻害现象的调研，寒区隧道主要冻害现象分为五类：（1）隧道衬砌漏水、挂冰；（2）隧道衬砌开裂、酥碎、剥落；（3）隧道洞门墙开裂；（4）隧道底部冒水、积水、冻胀；（5）隧道洞口处热融滑塌。

2.2 青海某寒区富水隧道浅埋洞段冻胀挂冰原因分析

某寒区富水隧道DK277+455～+540段二衬施工时间为2011年4月-6月，隧道于2012年6月中旬贯通。在隧道贯通后经历一个冬季，在该段出现严重的冻结、冻胀和挂冰现象。根据对某寒区富水隧道整个洞段冻胀挂冰情况及隧道地质、地貌和开挖情况分析认为导致隧道该段严重冻胀、挂冰原因如下：

（1）根据设计院提供“隧道设计图”，某寒区富水隧道隧址主要岩性为砂巖、页岩和泥岩等，其中隧道DK277+376至 DK277+868段隧道围岩为具有膨胀性。该段膨胀性泥岩具有吸水膨胀性的特点，且泥岩是典型的流变性岩石，随着时间的推移，其吸水量增加，变形将急剧增加。在隧道贯通后经历冬季降雪水补给，导致隧道支护结构承受附加膨胀压力。

（2）隧道DK277+376～+576段浅埋，最小埋深20m；该段地表地貌见图2所示，受隧道开挖卸荷影响，该段扰动松动，造成地下水下渗通道。在经历冬季降雪后，地表雪水沿松动土层下渗，导致该段泥岩含水量急剧增加，膨胀变形和膨胀压力增大。

图2. 某寒区富水隧道漏水段洞顶地形地貌

（3）隧道DK277+376～+576段靠近小里程段为砂岩夹泥岩和砂岩夹页岩的不同岩性接触带，是典型的富水渗水构造。隧道该段上覆地层中巨厚层的第四系碎石类土层为典型的含水地层，是该地区潜水的主要地层。该地段岩性接触带和上覆碎石土富水构造和富水地层为该段连续冻胀提供了充足的水量，在冻胀导致泄水孔堵塞后，隧道衬砌将承受约0.2MPa的水压力，并进一步加剧了泥岩的膨胀。

（4）隧道隧址青海门源县气候特殊，根据门源县气象局近3年温度监测记录（门源县气象局近3年最冷月温度监测记录见表2所示），该地区连续三年最冷1月的平均气温均低于-20.0度，为典型的严寒地区。隧道贯通后形成的风洞效应使得隧道内温度降低于隧道外气温，隧道DK277+455～+540D段浅埋富水条件及低于-20.0的严寒温度导致该洞段富水地层的严重冻胀，冻胀压力及泥岩的膨胀压力导致隧道衬砌的冻结、冻胀开裂并出现严重挂冰。

表2. 门源县气象局近3年最冷月温度监测记录

日期 最高 最低 日期 最高 最低 日期 最高 最低 备注

2011-1-1 -0.81 -16.7 2012-1-1 -0.08 -20.7 2013-1-1 -0.15 -20.1

2011-1-2 -0.48 -17.7 2012-1-2 -0.6 -12.9 2013-1-2 -0.69 -19.6

2011-1-3 -0.07 -18.3 2012-1-3 -0.53 -22.5 2013-1-3 -0.36 -22.6

2011-1-4 0.025 -19 2012-1-4 -0.49 -23.8 2013-1-4 -0.27 -19.7

2011-1-5 0.006 -13.7 2012-1-5 -0.34 -24 2013-1-5 -0.21 -19.3

2011-1-6 -0.48 -13.7 2012-1-6 -0.17 -22.2 2013-1-6 -0.42 -17.7

2011-1-7 0.008 -17.4 2012-1-7 -0.4 -18.8 2013-1-7 -0.35 -20.3

2011-1-8 -0.36 -14.8 2012-1-8 -0.4 -22 2013-1-8 -0.59 -22.4

2011-1-9 -0.63 -14.3 2012-1-9 -0.31 -18 2013-1-9 -0.5 -24.2

2011-1-10 -0.86 -21 2012-1-10 -0.42 -20 2013-1-10 -0.27 -24

2011-1-11 -0.92 -26.1 2012-1-11 -0.51 -22.2 2013-1-11 -0.28 -24.8

2011-1-12 -0.44 -24.7 2012-1-12 -0.41 -22.4 2013-1-12 -0.05 -24.7

2011-1-13 -0.43 -22.8 2012-1-13 -0.66 -19.6 2013-1-13 -0.18 -23.3

2011-1-14 -0.46 -21.5 2012-1-14 -0.76 -18.7 2013-1-14 0.015 -19

2011-1-15 -0.78 -27.5 2012-1-15 -0.58 -25 2013-1-15 -0.22 -20.8

2011-1-16 -0.49 -26.3 2012-1-16 -0.34 -22.6 2013-1-16 -0.22 -21.4

2011-1-17 -0.65 -26 2012-1-17 -0.51 -13.6 2013-1-17 -0.22 -22.3

2011-1-18 -0.19 -23 2012-1-18 -0.49 -17.1 2013-1-18 -0.1 -19.7

2011-1-19 -0.61 -19.9 2012-1-19 -0.78 -20 2013-1-19 0.029 -13.7

2011-1-20 -0.4 -24.5 2012-1-20 -0.83 -19.9 2013-1-20 0.033 -10.2

2011-1-21 -0.34 -23.1 2012-1-21 -0.95 -23.2 2013-1-21 -0.3 -18.9

2011-1-22 -0.14 -22.9 2012-1-22 -0.83 -21.2 2013-1-22 -0.17 -16.9

2011-1-23 -0.44 -23.4 2012-1-23 -0.48 -24.5 2013-1-23 -0.02 -20.9

2011-1-24 -0.24 -22.3 2012-1-24 -0.82 -24.5 2013-1-24 0.017 -21.4

2011-1-25 -0.26 -16.9 2012-1-25 -0.37 -24.4 2013-1-25 0.013 -21.8

2011-1-26 -0.08 -16 2012-1-26 0.013 -21.5 2013-1-26 0.017 -20.2

2011-1-27 -0.49 -13.5 2012-1-27 -0.17 -19.5 2013-1-27 0.019 -20

2011-1-28 -0.83 -19.8 2012-1-28 -0.12 -18.3 2013-1-28 0.023 -19.8

2011-1-29 -0.45 -26.1 2012-1-29 -0.2 -13.8 2013-1-29 -0.4 -17.2

2011-1-30 -0.27 -23.7 2012-1-30 0.008 -21.1 2013-1-30 0.04 -20

2011-1-31 0.003 -22.8 2012-1-31 0.014 -21.1 2013-1-31 0.048 -16.5

3、 寒区富水隧道冻胀结冰处治措施

3.1 寒区浅埋隧道段冻胀挂冰整体处置技术

根据对某寒区富水隧道经历一个冬季后的冻结、冻胀、挂冰和开裂进行的详细调查和分析，结合高海波严寒地区隧道建设经验，建议俄博山高海拔、严寒区隧道冻胀结冰处治措施如下：

（1）鉴于某寒区富水隧道DK277+455～+540段浅埋、富水、具膨胀性，为解决隧道该段地表水的下渗、岩性不整合接触带的水下泄以及隧道上覆碎石土中潜水对隧道的影响，建议对该段进行如下处治：对地表该段进行防水处理，以阻断该“V”沟雪水的下渗；对隧道浅埋段赋存于碎石土中的潜水进行降水封堵，以减少该段衬砌承受的水压力；结合对碎石土注浆封堵，对膨胀性泥岩进行注浆加固，以消减该段泥岩膨胀压力对衬砌影响；对隧道周边进行钢管桩高压注浆封堵，隔断岩性接触带及基岩裂隙水下渗，截断地下水的下渗，防治隧道的冻胀。

（2）根据现场调查，对某富水寒区隧道DK277+455～+540段浅埋、富水、具膨胀性中的DK277+456～+468段、DK277+496～+508段、DK277+528～+540段共三段衬砌实施洞内二次衬砌的爆破拆除。

（3）为解决俄博山高海拔、嚴寒区隧道的冻胀问题，建议尽快实施泄水洞排水方案，对隧道地质变化段及隧道结冰段增加泄水横洞排水。

3.2 冻胀挂冰段的爆破拆除处理

某富水寒区隧道DK277+455～+540段爆破拆除采用“倒塌+切割”的控制爆破技术；考虑到该三段均为钢筋砼结果，施工中采取“浅打眼、短开挖、多循环、多大眼、少装药”的原则[8-10]。拆除施工技术原则及设计要求如下：

（1）拆除按1-2m一段进行，由小里程向大里程推进，首先进行DK277+456～+468段拆除；在该段两侧沿施工缝进行切割打孔作业，挂防护网；

（2）根据文献[6]对国道213线某隧道的钢筋混凝土的拆除经验，顶部混凝土最小抵抗线W取隧道衬砌厚度的一半，爆破采用微震爆破技术。孔距a取1.2-1.5W，排距b取（0.6-0.8）a。为之，建议排距35-45cm，孔深100-150cm，最小抵抗线取钢筋混凝土厚度的一半；边墙底部采用失稳倒塌，参考中铁一局曹俊鑫等人文献，其参数如下：最小拆除高度、孔网参数选择和装药结构计算按：钢筋混凝土主筋为16 Mn钢直径?22混凝土中钢筋数量为5根/m；钢筋允许应力=218×102MPa，钢筋的断面积按F=31799 4 cm2计算，最小拆除高度定为2m，由此，安全爆破拆除高度取2 m。孔网参数下部采用0.4 m×0.4 m，抵抗线取0.4 m，单耗按0.65～1.30 kg/m3，孔深按厚度的80 %计算，堵塞长度>0.3 m。微差时间加大为30-60ms。

3.3 泄水洞方案

洞口位于正洞出口DK277+900右侧（面向洞口）40m处，泄水洞底面高程2875.85。至DK277+840处时与正洞水平净距5m，而后与正洞平行设置。长度暂定为XDK277+900～XDK276+350左右，L-1550m。泄水洞纵断面洞口至XDK277+840段为4%上坡，自XDK277+840向进口方向与线路纵坡一致，即2%上坡。因泄水洞未放置在正洞正下方，III级围岩可以优化为喷锚衬砌结构。泄水洞内均需设置径向泄水孔。

4、 结语

随着我国交通事业的快速发展，特别是西部大开发和振兴东北经济政策的进一步落实，我国西部高海拔寒冷地区和北部的高纬度寒冷地区的隧道工程的增容和改扩建工程量大面广。在我国的东北、青海、新疆等高寒山区的富水隧道建设中，隧道冻害开裂事故频发，隧道衬砌出现诸如拱顶出现冰锥，边墙出现冰溜，衬砌开裂、酥碎和剥落，底板冒水结冰等，这些病害大大弱化了隧道的使用功能，严重影响了行车的安全，需要花费大量的人力、物力和财力进行维修和养护，给国家带来巨大的损失和资金浪费。我国青海等高寒地区的隧道工程冻害严重，因冻害引起的隧道渗漏等灾害事故频发。青海某寒区富水隧道2012年6月贯通后历经一个完整冬季出现严重的冻结、冻胀和挂冰现象。隧道冻结、挂冰和冻胀主要集中在隧道出口100m范围内。根据该隧道的挂冰和冻胀情况，对隧道冻害挂冰开裂机理进行了分析，确定了隧道渗漏开裂的主要诱因，在此基础上确定了该隧道冻害防治的技术措施，指导了该隧道的施工，取得了良好的效果，为类似工程施工提供了借鉴经验。

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