季節(jié)性凍土地區(qū)的隧道工程防凍
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［摘要］季節(jié)性凍土由內(nèi)含冰的土壤、巖石構(gòu)成，該地質(zhì)結(jié)構(gòu)受季節(jié)影響極為嚴(yán)重，在冬季時地層堅硬，在夏季時凍土?xí)兂烧訚?，造成地面沉降、凹陷等現(xiàn)象，使施工建設(shè)無法順利進(jìn)行，還會毀壞地基，影響工程建設(shè)安全性、穩(wěn)定性。近年來，隨著我國高鐵在東北地區(qū)的全面布局，隧道穿越季節(jié)性凍土地帶，如何解決凍融問題，保證隧道防凍結(jié)構(gòu)的問題，逐步顯現(xiàn)。依照吉圖琿鐵路客專項目隧道施工技術(shù)，研究季節(jié)性凍土地區(qū)隧道工程防凍結(jié)構(gòu)，以期為季節(jié)性凍土隧道工程的建設(shè)施工綜合能力提供依據(jù)。
［關(guān)鍵詞］季節(jié)性凍土地區(qū)；隧道工程；防凍結(jié)構(gòu)
1季節(jié)性凍土對防凍結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響
影響隧道工程支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的原因是隧道工程從季節(jié)性凍土地區(qū)穿過，在熱平衡作用下該地區(qū)高溫季節(jié)地質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)的冰融化成水，在低溫季節(jié)地質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)的水凍結(jié)成冰，并同時產(chǎn)生凍脹作用。在隧道工程防凍結(jié)構(gòu)施工中，凍脹類型主要分為了微觀凍脹，細(xì)觀凍脹、宏觀凍脹3種。（1）微觀凍脹是指圍巖中的裂隙水滲入到隧道襯砌混凝土內(nèi)部形成的凍脹。這種凍脹類型，會對隧道工程防凍結(jié)構(gòu)中混凝土施加一定壓力，讓混凝土內(nèi)部浸出一定水量，進(jìn)而進(jìn)一步擴(kuò)大凍脹作用范圍，最終發(fā)生襯砌結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的問題。（2）細(xì)觀凍脹，是指混凝土不密實狀態(tài)下形成的凍脹作用。這種凍脹類型，主要存在于襯砌混凝土表面，當(dāng)環(huán)境處于低溫狀態(tài)時，混凝土表面凍脹反應(yīng)會隨之加劇，甚至?xí)杀砻嫔仙钊氲交炷凉橇喜糠郑M(jìn)而在混凝土孔隙逐漸變化基礎(chǔ)上增加水體侵入，最終造成骨料脫落，降低土體強(qiáng)度，產(chǎn)生隧道結(jié)構(gòu)失穩(wěn)問題。（3）宏觀凍脹，是指水體結(jié)冰而引起的凍脹，主要是因隧道外部含水量增大而引起的，這種凍脹類型，會產(chǎn)生一定凍脹壓力，增加隧道結(jié)構(gòu)附加荷載，對隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定破壞作用，使隧道結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。
2我國目前季節(jié)性凍土地區(qū)應(yīng)對技術(shù)
吉圖琿鐵路客專作為我國第一條穿越季節(jié)性凍土地區(qū)的高速鐵路線路，在設(shè)計、施工中提取的經(jīng)驗，對我國后期的鐵路設(shè)計有一定的指向意義，在整個隧道工程的設(shè)計中，主要采取以下措施加強(qiáng)隧道的防凍結(jié)構(gòu)。
2.1防寒泄水洞
該結(jié)構(gòu)為帶孔小斷面排水隧道，主要建設(shè)在主洞下方，相關(guān)結(jié)構(gòu)排水系統(tǒng)囊括泄水孔、豎向盲溝、保溫出水口、支導(dǎo)洞等，在圍巖、襯砌內(nèi)的水借由該系統(tǒng)流至泄水洞隨即排出，具有降低隧道工程滲水、路基結(jié)冰、冒水、凍脹、掛冰等凍害現(xiàn)象發(fā)生概率的優(yōu)勢，其缺點為工程量大、施工技術(shù)復(fù)雜。
2.2中心深埋水溝
該結(jié)構(gòu)處于隧道工程凍結(jié)地區(qū)，埋設(shè)深度需科學(xué)合理，確保地溫可傳遞至溝內(nèi)，使地質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)的水體不再凍結(jié)，可以排出隧道工程，較常應(yīng)用在1.5~2.5m深度范圍內(nèi)的粘性土凍結(jié)區(qū)段，具有結(jié)構(gòu)滲透力強(qiáng)、排水效果好等優(yōu)勢，其缺點為采用明挖施工技術(shù)，影響基底及襯砌。
2.3保溫水溝
該結(jié)構(gòu)通過淺埋施加保溫措施，使水溝內(nèi)水流通暢且不會在冬季結(jié)冰，較常應(yīng)用在1.0~1.5m凍結(jié)深度的粘性土隧道施工區(qū)段，該結(jié)構(gòu)具有施工簡單、綜合成本低、結(jié)構(gòu)質(zhì)量優(yōu)、不受凍結(jié)病害影響等優(yōu)勢，其缺點為該結(jié)構(gòu)受線路坡度、水溝淤泥問題影響較為嚴(yán)重，一旦出現(xiàn)隧道工程線路坡度不協(xié)調(diào)，水溝內(nèi)淤泥堆積現(xiàn)象，將影響水溝排水能力，隨之引發(fā)隧道工程凍害問題。
2.4隔熱保溫層
該結(jié)構(gòu)運(yùn)用隔熱材料，最大程度留住圍巖地?zé)?，避免圍巖在隧道工程落成后受冷空氣影響，與之發(fā)生熱交換并產(chǎn)生凍害，規(guī)避縱向冷空氣對隧道結(jié)構(gòu)的影響，保障隧道圍巖襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，削減凍融循環(huán)對隧道工程的消極影響，具有保障圍巖內(nèi)水不結(jié)冰，減少隧道工程內(nèi)熱交換等優(yōu)勢，該結(jié)構(gòu)缺點為隔熱保溫層敷設(shè)厚度、長度、方式均對隧道工程防凍結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，當(dāng)前仍未明確與之相關(guān)的承建標(biāo)準(zhǔn)，以及防凍結(jié)構(gòu)質(zhì)量驗收體系，影響隧道工程防凍結(jié)構(gòu)施工技術(shù)實施成效。通過分析可知，做好工程結(jié)構(gòu)內(nèi)防排水設(shè)計，以“排、截”為輔，“防、堵”為主，減少隧道工程內(nèi)圍巖熱交換，是我國當(dāng)前隧道工程防凍結(jié)構(gòu)主要探究與實踐方向。
3國外成熟的季節(jié)性凍土地區(qū)的隧道工程防凍結(jié)構(gòu)踐行技術(shù)
日本學(xué)者立足熱能能理念，將防凍結(jié)構(gòu)建設(shè)技術(shù)分為加熱法、隔熱法2類，用以解決隧道工程凍害問題，其中雙層隔熱層處理法、表面隔熱處理法、插入U形隔熱材料等方法是主要隔熱技術(shù)，加熱防凍結(jié)構(gòu)承建技術(shù)主要通過暖管加熱、電加熱等方式解決凍害問題，達(dá)到建設(shè)防凍結(jié)構(gòu)的目的，然而相關(guān)技術(shù)所耗成本較多，當(dāng)前僅在國內(nèi)外部分隧道工程中進(jìn)行試驗；俄羅斯季節(jié)性凍土面積較大，為落實該地區(qū)隧道工程防凍結(jié)構(gòu)承建目標(biāo)，通常情況下在水溝沿途進(jìn)行加熱，亦或在水溝外側(cè)覆蓋保溫材料，確保排水溝、排水管可以正常使用，保障隧道工程排水結(jié)構(gòu)有效性，削減“凍脹作用”對隧道工程的消極影響，降低“凍融現(xiàn)象”發(fā)生概率；美國在寒冷季節(jié)到來之前，會針對隧道工程防排水結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)檢查，避免出現(xiàn)堵塞、泄漏等問題，在防寒泄水處做好保溫加熱工作，例如敷設(shè)加熱電纜、新型保溫材料等；挪威主要在季節(jié)性凍土地區(qū)加設(shè)防凍防水棚，在通行量較少地區(qū)加設(shè)雙層防寒門，在通行量較大的隧道工程段運(yùn)用壁隔式防凍襯砌結(jié)構(gòu)，該防凍結(jié)構(gòu)及相關(guān)施工技術(shù)具有造價低、隧道內(nèi)壁平整度高、防火保溫等優(yōu)勢。
4新型季節(jié)性凍土地區(qū)隧道工程防凍結(jié)構(gòu)踐行技術(shù)
通過國內(nèi)外技術(shù)方案的對比，技術(shù)人員也在深入研究此類問題。在隧道工程內(nèi)敷設(shè)不少于2根防凍管，將該管橫向置于隧道工程襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)，確保其在二次襯砌、防水層之間，在隧道工程底部左側(cè)凍土層內(nèi)延展防凍管的一端，其另一端穿過該工程右側(cè)，同樣在凍土區(qū)內(nèi)向下延展，防凍管之間的間距需合理，該管呈封閉狀態(tài)內(nèi)有空氣，防凍管以圓形銅質(zhì)最佳，充分發(fā)揮銅質(zhì)結(jié)構(gòu)抗腐蝕性強(qiáng)、熱傳導(dǎo)能力尚佳等優(yōu)勢，其規(guī)格為直徑5~10cm，防凍管之間的間距為0.5~5m，防凍管端口凍土區(qū)延展深度不少于5m，在管外兩側(cè)敷設(shè)防凍管定位件（定位鋼筋等），幫助防凍管抵消外部荷載，為使此種防凍結(jié)構(gòu)踐行技術(shù)更富實效性，相關(guān)參數(shù)需依據(jù)隧道工程實際情況予以明確。該防凍結(jié)構(gòu)優(yōu)勢在于，其可利用防凍管內(nèi)封閉空氣與二次襯砌、防水層進(jìn)行熱交換，圍巖熱量可有效傳遞到二次襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)，防止隧道工程內(nèi)圍巖內(nèi)水結(jié)冰，期間防凍管及其內(nèi)部空氣通過吸熱、放熱，發(fā)揮熱平衡調(diào)節(jié)作用，抑制季節(jié)性凍土地區(qū)隧道工程凍脹病害，在保障該工程穩(wěn)定性同時，可有效保護(hù)凍土，基于防凍管敷設(shè)成本較低、結(jié)構(gòu)簡單、施工便捷，可以在隧道工程中季節(jié)性凍土地區(qū)大面積使用。具體施工步驟如下。（1）依據(jù)隧道工程承建實況計算防凍管敷設(shè)數(shù)量、深度、間距等參數(shù)；（2）委派專員采購防凍管，確保其為圓形、銅質(zhì)，封閉性強(qiáng)內(nèi)有空氣，必要時對進(jìn)入隧道工程施工現(xiàn)場的防凍管進(jìn)行試驗，待管材質(zhì)量驗收合格后方可流入施工現(xiàn)象，作為該工程防凍結(jié)構(gòu)，同時做好防凍管存儲管理工作；（3）隧道開挖后依據(jù)常規(guī)進(jìn)行初期支護(hù)并做防水層，沿隧道縱向埋設(shè)防凍管，確保埋設(shè)參數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)，檢查該結(jié)構(gòu)密封性；（4）在防凍管外側(cè)加固定為鋼筋，并進(jìn)行常規(guī)二次襯砌，落實該工程防凍結(jié)構(gòu)承建目標(biāo)。
5季節(jié)性凍土地區(qū)的隧道工程防凍結(jié)構(gòu)施工建設(shè)建議
5.1關(guān)注溫度
季節(jié)性凍土層受溫度影響，地質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)出現(xiàn)凍融循環(huán)現(xiàn)象，為此在隧道工程承建之初，工程設(shè)計人員就應(yīng)將凍脹力考慮進(jìn)去，同時考慮破壞“凍融圈”，并提高圍巖隔熱保溫能力的方法，為縮減施工成本，確保防凍結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、有效，可以在施工前進(jìn)行類比、試驗，得出隔熱層敷設(shè)參數(shù)，確保保溫層敷設(shè)到位。
5.2關(guān)注水體
季節(jié)性凍土地區(qū)內(nèi)的水是造成隧道工程凍害問題的主要因素，該工程需著重做好防排水系統(tǒng)建設(shè)工作，選擇具備防水、防腐蝕、抗拉伸性能的材料進(jìn)行施工建設(shè)，在防水層、初期支護(hù)層之間設(shè)環(huán)形排水管。通過建設(shè)雙側(cè)保溫水溝、環(huán)向透水盲管、中心深埋排水溝、縱向排水管、保溫出口、檢查井完善該工程排水系統(tǒng)，設(shè)置緩沖層確保排水管免受壓力影響，出現(xiàn)形變、破裂等質(zhì)量問題，使排水系統(tǒng)可正常運(yùn)行，避免該結(jié)構(gòu)發(fā)生凍害。
5.3關(guān)注間隙
圍巖、襯砌之間容易出現(xiàn)間隙誘發(fā)凍害，例如在混凝土振搗時，技術(shù)人員未按搗鼓要求進(jìn)行施工，加之混凝土結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)不當(dāng)，使其出現(xiàn)裂縫，該結(jié)構(gòu)防水板無法嚴(yán)密鋪設(shè)，在圍巖與二次襯砌之間留下間隙，為此需通過圍巖灌漿規(guī)避間隙，減少縫隙中水體含量，降低工程局部積水現(xiàn)象發(fā)生幾率，避免隧道工程受凍脹力消極影響。
6未來發(fā)展
6.1整合資料
理論研究是實踐的前提，為季節(jié)性凍土地區(qū)隧道工程防凍結(jié)構(gòu)可以發(fā)揮自身能效，施工技術(shù)人員需在總結(jié)以往防凍結(jié)構(gòu)承建經(jīng)驗同時，大力開展理論研究活動，用以整合資料，優(yōu)化配置現(xiàn)有隧道工程承建資源，優(yōu)化防凍結(jié)構(gòu)施工技術(shù)，提高該結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、安全性。
6.2綜合分析
影響防凍結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、安全性的因素較為復(fù)雜，為此施工技術(shù)人員需考慮隧道工程承建地區(qū)氣候、地質(zhì)、溫度、地下水等客觀因素，綜合分析新建隧道工程防凍抗凍等級，以及隧道凍害程度，為采取有效技術(shù)建設(shè)優(yōu)質(zhì)防凍結(jié)構(gòu)提供依據(jù)，確保季節(jié)性凍土地區(qū)隧道工程防凍結(jié)構(gòu)設(shè)計、建設(shè)方案科學(xué)、可行。
6.3創(chuàng)新發(fā)展
大力創(chuàng)研新型高效保溫材料，如噴涂式防水板等，提高相關(guān)材料延展性、防水性，確保該材料與襯砌、圍巖可緊密貼合，應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)規(guī)劃防凍結(jié)構(gòu)承建方案，例如采用信息技術(shù)計算法，利用其三維立體成像技術(shù)，將隧道工程建設(shè)參數(shù)錄入其中，分析其對防凍結(jié)構(gòu)的切實要求，立足季節(jié)性凍土地區(qū)承建實況，合理計算該結(jié)構(gòu)施工建設(shè)參數(shù)，為充分發(fā)揮該結(jié)構(gòu)應(yīng)用能效奠定基礎(chǔ)。
7結(jié)束語
綜上所述，季節(jié)性凍土地區(qū)是隧道工程建設(shè)施工困難區(qū)域，為規(guī)避“凍脹作用”對隧道工程的消極影響，人們需立足當(dāng)前季節(jié)性凍土隧道工程防凍結(jié)構(gòu)研究實況，積極借鑒國外先進(jìn)技術(shù)，大力研究新型防凍結(jié)構(gòu)，不斷整合研究資料，綜合動態(tài)分析防凍結(jié)構(gòu)施工建設(shè)方略，推動先進(jìn)技術(shù)、材料創(chuàng)新發(fā)展，在發(fā)揮防凍結(jié)構(gòu)應(yīng)用能效同時，保障我國季節(jié)性凍土地區(qū)隧道工程優(yōu)質(zhì)、安全。
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作者：馮業(yè)軍 單位：中鐵十一局集團(tuán)有限公司