摘要:简述衬砌混凝土的冰冻破坏、局部存水冻胀破坏、冻胀性围岩冻胀破坏以及既有裂缝裂隙水的冻胀破坏等因素对高寒地区隧道的冻害机理。
关键 词 : 隧道围岩高寒地区冻害机理
中图分类号:U457 文献标识码:A 文章编号:1673一1816(2007)02一0029一04
1 概述
上世纪90年代以前，我国在高寒地区修建的隧道，绝大多数都存在不同程度的冻害问题。我国第一座修建在多年冻土中的隧道是牙林线岭顶隧道，全长936.sm，所在地区年平均气温为-6.71 ℃。隧道出口端位于多年冻土区，季节融化最大深度为gm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1月发现了隧道病害现象，其表现为:
(1) 隧道内部普遍漏水，冻胀后拱部挂冰，隧底形成冰笋，边墙上出现直径大lm的大冰柱，隧底积冰厚度为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。
塔河 ~ 樟岭段的白卡尔隧道和西罗二号隧道在运营七八年后，由于冻害严重，于1974年进行了大修，整治病害。其病害主要由于隧道内特有的阴暗潮湿的环境，用于保温水沟的保温材料很难保持良好的状态，衬砌周围的水排不出，冬季冻胀，衬砌被冻裂剥落掉块，拱部、边墙挂冰，严重威胁行车安全。
兴安岭隧道建于1903年，是由俄罗斯人设计和组织施工的，其衬砌为石膏石灰砂浆浆砌片石、粗凿石或毛方石。该隧道位于高寒地区，最冷月份平均气温为一3℃，最大冻结深度为2.sm，隧道的主要病害是由渗漏水结冰所引起的，冬季危及行车安全，每年都要使用大量人力刨冰。为解决冻害，保证行车安全，使用单位后来对该隧道进行了改建。
造成高寒地区隧道冻害的原因是多方面的，除了衬砌混凝土的冰冻破坏、局部存水冻胀破坏和冻胀性围岩冻胀破坏，还有其它一些原因引起的隧道冻害。高寒地区隧道正是由于各个因素的单独作用或几种因素共同作用发生冻害。
2 混凝土的冰冻破坏
混凝土或钢筋混凝土是隧道衬砌中采用的最普遍的材料，也是维持隧道功能的主要结构体。因此，研究隧道的冻害，首先要考虑混凝土的冻害。混凝土的冻害最常见的表现形式是开裂和剥落。混凝土冻害在硬化过程中可分为以下两种情况:(1) 从混凝土灌注后到凝结硬化初期阶段受到的冻害;(2)硬化后的混凝土因冻融反复作用而受到的冻害。
由于在我国的《混凝土施工规范》中明确要求混凝土在输送和养护过程中混凝土不得受冻，因此，本文对第一种情况刁祠再考虑，文中提到的混凝土冻害均指硬化后混凝土的冻害。在混凝土冻害发生过程中，冰冻循环对水泥石与骨料有着不同的作用，现分述如下。
2.1冰冻对水泥石的破坏作用
混凝土冻结是一个渐进的过程，一方面因为热量是以一定的速率向混凝土内部传递的，另一方面因为尚未结冰的水中碱溶液浓度逐渐增高导致冰点降低。同时还因为冰点随孔隙尺寸而异，毛细管中冰体的表面张力使毛细管处于压力之下，且逐渐扩展到较小的孔隙中[1]。
导致混凝土中水泥石冰冻破坏的压力源有两种。第一种，由于水结冰时体积约膨胀9%，所以大的孔隙中的水结冰时会产生膨胀压力;第二种，水的扩散性产生的渗透压力，根据很多研究成果可以证明这一因素在引起混凝土冻害方面特别重要。
2.2冰冻对骨料的作用
冰冻对骨料的作用会产生混凝土的冻害，其冻害产生原因有两种:一种是由于水泥石受冻破坏而导致混凝土开裂;另一种是冰冻对粗骨料可能造成损坏。由于后者破坏产生需要的条件较多，在这些条件不满足时不会对混凝土造成损坏。因此，混凝土的冻害产生原因以水泥石受冻破坏为主。
3 局部存水冻胀破坏
按照交通部科学研究院西北研究所、铁道部第一设计院和中国科学院兰州冰川冻土研究所于1973年联合编写的《青藏高原多年冻土地区铁路勘测设计细则》中提出的冻土分类和季节融化土的冻胀性评价(见表1) 和冻土的冻胀系数(见表2)，可以看出，并非所有的土都具有冻胀性。通过对己建成的高寒地区隧道的调查显示:在北海道和我国东北地区发生严重冻害的隧道中，80%以上都是岩质隧道，如梯子岭隧道、牙林线岭顶隧道、白卡尔隧道和西罗二号隧道等。这些岩质隧道的围岩大多数都没有冻胀性。由此可见，简单用“隧道衬砌混凝土在围岩的冻胀压力作用下开裂破坏”来解释高寒地区隧道的冻害产生的原因是不准确的。
所谓冻胀系数:是指单位体积原样土在环境温度下土体的冻胀率(即冻胀后的土体的体积减去原样土体体积之差与原样土的体积的比值)。
事实上，修建在非冻胀性围岩中的高寒地区隧道，由于岩石本身无冻胀或者冻胀很小以致可以忽略不计，因此在这类隧道中，衬砌的冻胀压力主要是由衬砌背后积存的水体冻胀引起的。由于岩石隧道开挖面不规则，施工过程中常常没有做到围岩和衬砌结构的紧密贴合，而在衬砌和围岩之间留下局部存水空间。特别是在拱顶部位，由于混凝土浇注工艺方面的原因和混凝土在水化过程中自生体积变形的原因，这种空间是普遍存在的。由于隧道衬砌背后的局部存水冻胀而引起的隧道衬砌上的局部冻胀附加应力是很大的，它足以使衬砌遭到破坏。破坏的形式有以下三种:衬砌内侧混凝土受拉开裂;衬砌外侧混凝土在与冰的接触面边界处受拉开裂;衬砌外侧混凝土在与冰的接触中心附近受压可能破坏。其中第三种情况发生概率较小，故局部存水冻胀破坏主要以前两种形式为主。
4 冻胀性围岩冻胀破坏
在冻胀性围岩中修建的高寒地区隧道更容易发生冻害现象，这是因为在冻胀性围岩中修建的隧道，除了一可能出现前面分析的混凝土受冻破坏和局部存水冻胀破坏之外，还可能出现另一种冻害形式，即在隧道周围冻融圈内的围岩冻胀造成隧道衬砌开裂。
由表1可以看出，在土质隧道中，尤其是含水量较大的粉砂和粘性土层中的隧道容易发生冻胀破坏。另据资料显示，在某些岩质围岩也易发生冻胀，如新第三纪中上部的软泥质岩和细粒凝灰质岩等。在冻 胀 性 围岩中修建隧道，由围岩冻胀而引起隧道衬砌上的冻胀附加应力是很大的，它主要表现为两个方面，一方面是二次衬砌的拱部和曲墙受较大的压应力，该冻胀应力与结构上承受的其它荷载产生的压应力相叠加后，衬砌混凝土很容易破坏;另外，在这种冻胀力的作用下，边墙的角隅部位会因拉应力太大而破坏。
5 引起隧道冻害的其它原因
值得注意的是在非寒冷地区修建的隧道中，渗水、漏水、开裂的现象也较普遍，也就是说，高寒地区修建的隧道在寒季之前衬砌混凝土就可能开裂漏水了，进入寒季后自然会有挂冰、冰壁等冻害现象出现，并且在冻融循环的作用下冻害会进一步发展。这就表明:造成隧道中开裂、渗水、漏水的各种原因也可能是高寒地区隧道产生冻害现象的原因之一。这些原因比较复杂，主要有以下四个方面:
(1) 混凝土体积产生变化。混凝土体积产生变化主要是由三个方面原因引起的，一是水泥水化过程中自由水转变为结晶水引起的体积变化，称之为化学减缩;二是水泥石露置于低饱和湿度的环境中失水引起的体积变化，称之为失水收缩或干缩;三是碳化作用引起的体积变化，称之为碳化收缩。上述三个因素都会引起混凝土产生裂缝，但是这种裂缝一般较细、较浅。(2) 温度裂缝。温度裂缝在混凝土结构中比较多见，有表面的、深入的和贯穿的。表面裂缝走向无一定规律性，常纵横交错，多发生在施工期间。表面温度裂缝多由于混凝土的外表面与内部的温差过大，如冬季施工时过早拆除了模板或保温层，混凝土表面降温收缩受到内部混凝土约束而产生裂缝。深入和贯穿的温度裂缝一般是沿隧道的环向、全长分段出现，最常见的是衬砌的环向施工缝，多发生在混凝土浇筑后2~3个月或更长的时间，且冬季缝宽、夏季缝窄。这种环向裂缝虽然对衬砌结构的受力影响不大，但却是衬砌渗漏的良好通道。深入和贯穿的温度裂缝多是由于整体结构降温，且温差较大，外面又受到围岩的约束作用，这将在衬砌内产生很大的拉应力，造成因外面约束条件引起的降温收缩裂缝。121(3)三缝问题。三缝即沉降缝、变形缝和施工缝。通过对隧道病害的调查分析，发现所有的病害隧道中都普遍存在沉降缝、变形缝和施工缝发生渗漏水的现象，尤其是施工缝开裂漏水更为突出。在高寒地区修建的隧道中，由于沉降缝、变形缝和施工缝发生渗漏水，发生冻害现象极为普遍。[3](4)防排水措施不当。若高寒地区隧道衬砌背后和底部的防排水系统设计和施工不当时，会使衬砌因渗漏水而产生壁冰或挂冰，或者因水沟堵塞、冻结而使水漫出到路面，造成路面结冰等冻害现象。
6 结语
高寒地区隧道冻害现象产生的原因较为复杂，不同的隧道由于其地质环境、结构形式、施工水平的不同，因而产生冻害的原因也不尽相同;即使是具体到某一座隧道，它产生冻害的原因也并非是唯一的，现将高寒地区隧道冻害现象产生的机理归纳如下:(1) 微观冻胀。由于前面讨论中提出的混凝土的冰冻破坏，其作用机理是由于混凝土材料内部的孔隙水或毛细水在经过多次冻融循环后造成混凝土水泥石和骨料的破坏，其水体尺度是十分微小的，因此我们可把前面提到的冰冻对水泥石和骨料的破坏作用称为微观冻胀。(2) 宏观冻胀。衬砌背后局部存水冻胀和冻胀性围岩的冻胀，从水体尺度到作用机理都与微观冻胀不同，因此可称其为宏观冻胀。(3) 细观冻胀。细观冻胀是指裂隙水在衬砌既有裂缝的渗漏通道上结冰而发生的冻胀现象。当衬砌内的温度低于冰点，则衬砌中的裂隙水结冰冻胀，在冻胀力的作用下，衬砌中的裂缝扩展并使相邻的裂缝连通。当冻结的裂隙水在暖季融化后，随着冻胀力的消散，衬砌中的裂缝扩展量会有所减小，但裂缝不会完全恢复，总会有残余的变形存在。因此在冻融循环的作用下，衬砌中的裂缝越来越大，并逐渐形成贯通裂缝，严重时会产生衬砌错台、掉块等威胁结构稳定性的冻害现象。
由以上分析可知，无论是那一种冻胀形式，若要对隧道衬砌结构造成破坏都离不开冻、融的循环作用，如果隧道完全处于永冻土中，虽然衬砌的温度很低，但是隧道发生冻害的可能性却是非常小的。
参考文献:
[1][英〕A.M.内维尔著.李国伴，马贞勇译.混凝土的性能.中国建筑工业出版社，1983
[2徐学祖.中国冻胀研究进展.地球科学进展，1994，19(5)
[3]刘庭金，朱合华等.云南省连拱隧道衬砌开裂和渗漏水调查结果及分析.中国公路学报，2004.4(2)
