隧道工程季节性冻土地区的防冻技术

［关键词］季节性冻土地区；隧道工程；防冻结构

影响隧道工程支护结构稳定性的原因是隧道工程从季节性冻土地区穿过，在热平衡作用下该地区高温季节地质结构内的冰融化成水，在低温季节地质结构内的水冻结成冰，并同时产生冻胀作用。在隧道工程防冻结构施工中，冻胀类型主要分为了微观冻胀，细观冻胀、宏观冻胀3种。（1）微观冻胀是指围岩中的裂隙水渗入到隧道衬砌混凝土内部形成的冻胀。这种冻胀类型，会对隧道工程防冻结构中混凝土施加一定压力，让混凝土内部浸出一定水量，进而进一步扩大冻胀作用范围，最终发生衬砌结构失稳的问题。（2）细观冻胀，是指混凝土不密实状态下形成的冻胀作用。这种冻胀类型，主要存在于衬砌混凝土表面，当环境处于低温状态时，混凝土表面冻胀反应会随之加剧，甚至会由表面上深入到混凝土骨料部分，进而在混凝土孔隙逐渐变化基础上增加水体侵入，最终造成骨料脱落，降低土体强度，产生隧道结构失稳问题。（3）宏观冻胀，是指水体结冰而引起的冻胀，主要是因隧道外部含水量增大而引起的，这种冻胀类型，会产生一定冻胀压力，增加隧道结构附加荷载，对隧道结构产生一定破坏作用，使隧道结构失稳。

吉图珲铁路客专作为我国第一条穿越季节性冻土地区的高速铁路线路，在设计、施工中提取的经验，对我国后期的铁路设计有一定的指向意义，在整个隧道工程的设计中，主要采取以下措施加强隧道的防冻结构。

2.1防寒泄水洞

该结构为带孔小断面排水隧道，主要建设在主洞下方，相关结构排水系统囊括泄水孔、竖向盲沟、保温出水口、支导洞等，在围岩、衬砌内的水借由该系统流至泄水洞随即排出，具有降低隧道工程渗水、路基结冰、冒水、冻胀、挂冰等冻害现象发生概率的优势，其缺点为工程量大、施工技术复杂。

2.2中心深埋水沟

该结构处于隧道工程冻结地区，埋设深度需科学合理，确保地温可传递至沟内，使地质结构内的水体不再冻结，可以排出隧道工程，较常应用在1.5~2.5m深度范围内的粘性土冻结区段，具有结构渗透力强、排水效果好等优势，其缺点为采用明挖施工技术，影响基底及衬砌。

2.3保温水沟

该结构通过浅埋施加保温措施，使水沟内水流通畅且不会在冬季结冰，较常应用在1.0~1.5m冻结深度的粘性土隧道施工区段，该结构具有施工简单、综合成本低、结构质量优、不受冻结病害影响等优势，其缺点为该结构受线路坡度、水沟淤泥问题影响较为严重，一旦出现隧道工程线路坡度不协调，水沟内淤泥堆积现象，将影响水沟排水能力，随之引发隧道工程冻害问题。

2.4隔热保温层

该结构运用隔热材料，最大程度留住围岩地热，避免围岩在隧道工程落成后受冷空气影响，与之发生热交换并产生冻害，规避纵向冷空气对隧道结构的影响，保障隧道围岩衬砌结构稳定，削减冻融循环对隧道工程的消极影响，具有保障围岩内水不结冰，减少隧道工程内热交换等优势，该结构缺点为隔热保温层敷设厚度、长度、方式均对隧道工程防冻结构产生影响，当前仍未明确与之相关的承建标准，以及防冻结构质量验收体系，影响隧道工程防冻结构施工技术实施成效。通过分析可知，做好工程结构内防排水设计，以“排、截”为辅，“防、堵”为主，减少隧道工程内围岩热交换，是我国当前隧道工程防冻结构主要探究与实践方向。

日本学者立足热能能理念，将防冻结构建设技术分为加热法、隔热法2类，用以解决隧道工程冻害问题，其中双层隔热层处理法、表面隔热处理法、插入U形隔热材料等方法是主要隔热技术，加热防冻结构承建技术主要通过暖管加热、电加热等方式解决冻害问题，达到建设防冻结构的目的，然而相关技术所耗成本较多，当前仅在国内外部分隧道工程中进行试验；俄罗斯季节性冻土面积较大，为落实该地区隧道工程防冻结构承建目标，通常情况下在水沟沿途进行加热，亦或在水沟外侧覆盖保温材料，确保排水沟、排水管可以正常使用，保障隧道工程排水结构有效性，削减“冻胀作用”对隧道工程的消极影响，降低“冻融现象”发生概率；美国在寒冷季节到来之前，会针对隧道工程防排水结构进行系统检查，避免出现堵塞、泄漏等问题，在防寒泄水处做好保温加热工作，例如敷设加热电缆、新型保温材料等；挪威主要在季节性冻土地区加设防冻防水棚，在通行量较少地区加设双层防寒门，在通行量较大的隧道工程段运用壁隔式防冻衬砌结构，该防冻结构及相关施工技术具有造价低、隧道内壁平整度高、防火保温等优势。

通过国内外技术方案的对比，技术人员也在深入研究此类问题。在隧道工程内敷设不少于2根防冻管，将该管横向置于隧道工程衬砌结构内，确保其在二次衬砌、防水层之间，在隧道工程底部左侧冻土层内延展防冻管的一端，其另一端穿过该工程右侧，同样在冻土区内向下延展，防冻管之间的间距需合理，该管呈封闭状态内有空气，防冻管以圆形铜质最佳，充分发挥铜质结构抗腐蚀性强、热传导能力尚佳等优势，其规格为直径5~10cm，防冻管之间的间距为0.5~5m，防冻管端口冻土区延展深度不少于5m，在管外两侧敷设防冻管定位件（定位钢筋等），帮助防冻管抵消外部荷载，为使此种防冻结构践行技术更富实效性，相关参数需依据隧道工程实际情况予以明确。该防冻结构优势在于，其可利用防冻管内封闭空气与二次衬砌、防水层进行热交换，围岩热量可有效传递到二次衬砌结构内，防止隧道工程内围岩内水结冰，期间防冻管及其内部空气通过吸热、放热，发挥热平衡调节作用，抑制季节性冻土地区隧道工程冻胀病害，在保障该工程稳定性同时，可有效保护冻土，基于防冻管敷设成本较低、结构简单、施工便捷，可以在隧道工程中季节性冻土地区大面积使用。具体施工步骤如下。（1）依据隧道工程承建实况计算防冻管敷设数量、深度、间距等参数；（2）委派专员采购防冻管，确保其为圆形、铜质，封闭性强内有空气，必要时对进入隧道工程施工现场的防冻管进行试验，待管材质量验收合格后方可流入施工现象，作为该工程防冻结构，同时做好防冻管存储管理工作；（3）隧道开挖后依据常规进行初期支护并做防水层，沿隧道纵向埋设防冻管，确保埋设参数符合标准，检查该结构密封性；（4）在防冻管外侧加固定为钢筋，并进行常规二次衬砌，落实该工程防冻结构承建目标。

5.1关注温度

季节性冻土层受温度影响，地质结构内出现冻融循环现象，为此在隧道工程承建之初，工程设计人员就应将冻胀力考虑进去，同时考虑破坏“冻融圈”，并提高围岩隔热保温能力的方法，为缩减施工成本，确保防冻结构稳定、有效，可以在施工前进行类比、试验，得出隔热层敷设参数，确保保温层敷设到位。

5.2关注水体

季节性冻土地区内的水是造成隧道工程冻害问题的主要因素，该工程需着重做好防排水系统建设工作，选择具备防水、防腐蚀、抗拉伸性能的材料进行施工建设，在防水层、初期支护层之间设环形排水管。通过建设双侧保温水沟、环向透水盲管、中心深埋排水沟、纵向排水管、保温出口、检查井完善该工程排水系统，设置缓冲层确保排水管免受压力影响，出现形变、破裂等质量问题，使排水系统可正常运行，避免该结构发生冻害。

5.3关注间隙

围岩、衬砌之间容易出现间隙诱发冻害，例如在混凝土振捣时，技术人员未按捣鼓要求进行施工，加之混凝土结构养护不当，使其出现裂缝，该结构防水板无法严密铺设，在围岩与二次衬砌之间留下间隙，为此需通过围岩灌浆规避间隙，减少缝隙中水体含量，降低工程局部积水现象发生几率，避免隧道工程受冻胀力消极影响。

6.1整合资料

理论研究是实践的前提，为季节性冻土地区隧道工程防冻结构可以发挥自身能效，施工技术人员需在总结以往防冻结构承建经验同时，大力开展理论研究活动，用以整合资料，优化配置现有隧道工程承建资源，优化防冻结构施工技术，提高该结构稳定性、安全性。

6.2综合分析

影响防冻结构稳定性、安全性的因素较为复杂，为此施工技术人员需考虑隧道工程承建地区气候、地质、温度、地下水等客观因素，综合分析新建隧道工程防冻抗冻等级，以及隧道冻害程度，为采取有效技术建设优质防冻结构提供依据，确保季节性冻土地区隧道工程防冻结构设计、建设方案科学、可行。

6.3创新发展

大力创研新型高效保温材料，如喷涂式防水板等，提高相关材料延展性、防水性，确保该材料与衬砌、围岩可紧密贴合，应用先进技术规划防冻结构承建方案，例如采用信息技术计算法，利用其三维立体成像技术，将隧道工程建设参数录入其中，分析其对防冻结构的切实要求，立足季节性冻土地区承建实况，合理计算该结构施工建设参数，为充分发挥该结构应用能效奠定基础。

综上所述，季节性冻土地区是隧道工程建设施工困难区域，为规避“冻胀作用”对隧道工程的消极影响，人们需立足当前季节性冻土隧道工程防冻结构研究实况，积极借鉴国外先进技术，大力研究新型防冻结构，不断整合研究资料，综合动态分析防冻结构施工建设方略，推动先进技术、材料创新发展，在发挥防冻结构应用能效同时，保障我国季节性冻土地区隧道工程优质、安全。