摘要:簡述襯砌混凝土的冰凍破壞、局部存水凍脹破壞、凍脹性圍巖凍脹破壞以及既有裂縫裂隙水的凍脹破壞等因素對高寒地區隧道的凍害機理。
關鍵 詞 : 隧道圍巖高寒地區凍害機理
中圖分類號:U457 文獻標識碼:A 文章編號:1673一1816(2007)02一0029一04
1 概述
上世紀90年代以前，我國在高寒地區修建的隧道，絕大多數都存在不同程度的凍害問題。我國第一座修建在多年凍土中的隧道是牙林線嶺頂隧道，全長936.sm，所在地區年平均氣溫為-6.71 ℃。隧道出口端位于多年凍土區，季節融化最大深度為gm左右，圍巖為凝灰質角礫巖。設計時采用了普通水溝及襯砌背后注漿。主體工程于1961年9月建成，同年1月發現了隧道病害現象，其表現為:
(1) 隧道內部普遍漏水，凍脹后拱部掛冰，隧底形成冰筍，邊墻上出現直徑大lm的大冰柱，隧底積冰厚度為0.3~1.3m;(2) 邊墻襯砌產生環向裂縫，大多數裂縫位于襯砌工作縫處，寬由發絲至3mm不等。
塔河 ~ 樟嶺段的白卡爾隧道和西羅二號隧道在運營七八年后，由于凍害嚴重，于1974年進行了大修，整治病害。其病害主要由于隧道內特有的陰暗潮濕的環境，用于保溫水溝的保溫材料很難保持良好的狀態，襯砌周圍的水排不出，冬季凍脹，襯砌被凍裂剝落掉塊，拱部、邊墻掛冰，嚴重威脅行車安全。
興安嶺隧道建于1903年，是由俄羅斯人設計和組織施工的，其襯砌為石膏石灰砂漿漿砌片石、粗鑿石或毛方石。該隧道位于高寒地區，最冷月份平均氣溫為一3℃，最大凍結深度為2.sm，隧道的主要病害是由滲漏水結冰所引起的，冬季危及行車安全，每年都要使用大量人力刨冰。為解決凍害，保證行車安全，使用單位后來對該隧道進行了改建。
造成高寒地區隧道凍害的原因是多方面的，除了襯砌混凝土的冰凍破壞、局部存水凍脹破壞和凍脹性圍巖凍脹破壞，還有其它一些原因引起的隧道凍害。高寒地區隧道正是由于各個因素的單獨作用或幾種因素共同作用發生凍害。
2 混凝土的冰凍破壞
混凝土或鋼筋混凝土是隧道襯砌中采用的最普遍的材料，也是維持隧道功能的主要結構體。因此，研究隧道的凍害，首先要考慮混凝土的凍害?；炷恋膬龊ψ畛Ｒ姷谋憩F形式是開裂和剝落?；炷羶龊υ谟不^程中可分為以下兩種情況:(1) 從混凝土灌注后到凝結硬化初期階段受到的凍害;(2)硬化后的混凝土因凍融反復作用而受到的凍害。
由于在我國的《混凝土施工規范》中明確要求混凝土在輸送和養護過程中混凝土不得受凍，因此，本文對第一種情況刁祠再考慮，文中提到的混凝土凍害均指硬化后混凝土的凍害。在混凝土凍害發生過程中，冰凍循環對水泥石與骨料有著不同的作用，現分述如下。
2.1冰凍對水泥石的破壞作用
混凝土凍結是一個漸進的過程，一方面因為熱量是以一定的速率向混凝土內部傳遞的，另一方面因為尚未結冰的水中堿溶液濃度逐漸增高導致冰點降低。同時還因為冰點隨孔隙尺寸而異，毛細管中冰體的表面張力使毛細管處于壓力之下，且逐漸擴展到較小的孔隙中[1]。
導致混凝土中水泥石冰凍破壞的壓力源有兩種。第一種，由于水結冰時體積約膨脹9%，所以大的孔隙中的水結冰時會產生膨脹壓力;第二種，水的擴散性產生的滲透壓力，根據很多研究成果可以證明這一因素在引起混凝土凍害方面特別重要。
2.2冰凍對骨料的作用
冰凍對骨料的作用會產生混凝土的凍害，其凍害產生原因有兩種:一種是由于水泥石受凍破壞而導致混凝土開裂;另一種是冰凍對粗骨料可能造成損壞。由于后者破壞產生需要的條件較多，在這些條件不滿足時不會對混凝土造成損壞。因此，混凝土的凍害產生原因以水泥石受凍破壞為主。
3 局部存水凍脹破壞
按照交通部科學研究院西北研究所、鐵道部第一設計院和中國科學院蘭州冰川凍土研究所于1973年聯合編寫的《青藏高原多年凍土地區鐵路勘測設計細則》中提出的凍土分類和季節融化土的凍脹性評價(見表1) 和凍土的凍脹系數(見表2)，可以看出，并非所有的土都具有凍脹性。通過對己建成的高寒地區隧道的調查顯示:在北海道和我國東北地區發生嚴重凍害的隧道中，80%以上都是巖質隧道，如梯子嶺隧道、牙林線嶺頂隧道、白卡爾隧道和西羅二號隧道等。這些巖質隧道的圍巖大多數都沒有凍脹性。由此可見，簡單用“隧道襯砌混凝土在圍巖的凍脹壓力作用下開裂破壞”來解釋高寒地區隧道的凍害產生的原因是不準確的。
所謂凍脹系數:是指單位體積原樣土在環境溫度下土體的凍脹率(即凍脹后的土體的體積減去原樣土體體積之差與原樣土的體積的比值)。
事實上，修建在非凍脹性圍巖中的高寒地區隧道，由于巖石本身無凍脹或者凍脹很小以致可以忽略不計，因此在這類隧道中，襯砌的凍脹壓力主要是由襯砌背后積存的水體凍脹引起的。由于巖石隧道開挖面不規則，施工過程中常常沒有做到圍巖和襯砌結構的緊密貼合，而在襯砌和圍巖之間留下局部存水空間。特別是在拱頂部位，由于混凝土澆注工藝方面的原因和混凝土在水化過程中自生體積變形的原因，這種空間是普遍存在的。由于隧道襯砌背后的局部存水凍脹而引起的隧道襯砌上的局部凍脹附加應力是很大的，它足以使襯砌遭到破壞。破壞的形式有以下三種:襯砌內側混凝土受拉開裂;襯砌外側混凝土在與冰的接觸面邊界處受拉開裂;襯砌外側混凝土在與冰的接觸中心附近受壓可能破壞。其中第三種情況發生概率較小，故局部存水凍脹破壞主要以前兩種形式為主。
4 凍脹性圍巖凍脹破壞
在凍脹性圍巖中修建的高寒地區隧道更容易發生凍害現象，這是因為在凍脹性圍巖中修建的隧道，除了一可能出現前面分析的混凝土受凍破壞和局部存水凍脹破壞之外，還可能出現另一種凍害形式，即在隧道周圍凍融圈內的圍巖凍脹造成隧道襯砌開裂。
由表1可以看出，在土質隧道中，尤其是含水量較大的粉砂和粘性土層中的隧道容易發生凍脹破壞。另據資料顯示，在某些巖質圍巖也易發生凍脹，如新第三紀中上部的軟泥質巖和細粒凝灰質巖等。在凍 脹 性 圍巖中修建隧道，由圍巖凍脹而引起隧道襯砌上的凍脹附加應力是很大的，它主要表現為兩個方面，一方面是二次襯砌的拱部和曲墻受較大的壓應力，該凍脹應力與結構上承受的其它荷載產生的壓應力相疊加后，襯砌混凝土很容易破壞;另外，在這種凍脹力的作用下，邊墻的角隅部位會因拉應力太大而破壞。
5 引起隧道凍害的其它原因
值得注意的是在非寒冷地區修建的隧道中，滲水、漏水、開裂的現象也較普遍，也就是說，高寒地區修建的隧道在寒季之前襯砌混凝土就可能開裂漏水了，進入寒季后自然會有掛冰、冰壁等凍害現象出現，并且在凍融循環的作用下凍害會進一步發展。這就表明:造成隧道中開裂、滲水、漏水的各種原因也可能是高寒地區隧道產生凍害現象的原因之一。這些原因比較復雜，主要有以下四個方面:
(1) 混凝土體積產生變化?；炷馏w積產生變化主要是由三個方面原因引起的，一是水泥水化過程中自由水轉變為結晶水引起的體積變化，稱之為化學減縮;二是水泥石露置于低飽和濕度的環境中失水引起的體積變化，稱之為失水收縮或干縮;三是碳化作用引起的體積變化，稱之為碳化收縮。上述三個因素都會引起混凝土產生裂縫，但是這種裂縫一般較細、較淺。(2) 溫度裂縫。溫度裂縫在混凝土結構中比較多見，有表面的、深入的和貫穿的。表面裂縫走向無一定規律性，常縱橫交錯，多發生在施工期間。表面溫度裂縫多由于混凝土的外表面與內部的溫差過大，如冬季施工時過早拆除了模板或保溫層，混凝土表面降溫收縮受到內部混凝土約束而產生裂縫。深入和貫穿的溫度裂縫一般是沿隧道的環向、全長分段出現，最常見的是襯砌的環向施工縫，多發生在混凝土澆筑后2~3個月或更長的時間，且冬季縫寬、夏季縫窄。這種環向裂縫雖然對襯砌結構的受力影響不大，但卻是襯砌滲漏的良好通道。深入和貫穿的溫度裂縫多是由于整體結構降溫，且溫差較大，外面又受到圍巖的約束作用，這將在襯砌內產生很大的拉應力，造成因外面約束條件引起的降溫收縮裂縫。121(3)三縫問題。三縫即沉降縫、變形縫和施工縫。通過對隧道病害的調查分析，發現所有的病害隧道中都普遍存在沉降縫、變形縫和施工縫發生滲漏水的現象，尤其是施工縫開裂漏水更為突出。在高寒地區修建的隧道中，由于沉降縫、變形縫和施工縫發生滲漏水，發生凍害現象極為普遍。[3](4)防排水措施不當。若高寒地區隧道襯砌背后和底部的防排水系統設計和施工不當時，會使襯砌因滲漏水而產生壁冰或掛冰，或者因水溝堵塞、凍結而使水漫出到路面，造成路面結冰等凍害現象。
6 結語
高寒地區隧道凍害現象產生的原因較為復雜，不同的隧道由于其地質環境、結構形式、施工水平的不同，因而產生凍害的原因也不盡相同;即使是具體到某一座隧道，它產生凍害的原因也并非是唯一的，現將高寒地區隧道凍害現象產生的機理歸納如下:(1) 微觀凍脹。由于前面討論中提出的混凝土的冰凍破壞，其作用機理是由于混凝土材料內部的孔隙水或毛細水在經過多次凍融循環后造成混凝土水泥石和骨料的破壞，其水體尺度是十分微小的，因此我們可把前面提到的冰凍對水泥石和骨料的破壞作用稱為微觀凍脹。(2) 宏觀凍脹。襯砌背后局部存水凍脹和凍脹性圍巖的凍脹，從水體尺度到作用機理都與微觀凍脹不同，因此可稱其為宏觀凍脹。(3) 細觀凍脹。細觀凍脹是指裂隙水在襯砌既有裂縫的滲漏通道上結冰而發生的凍脹現象。當襯砌內的溫度低于冰點，則襯砌中的裂隙水結冰凍脹，在凍脹力的作用下，襯砌中的裂縫擴展并使相鄰的裂縫連通。當凍結的裂隙水在暖季融化后，隨著凍脹力的消散，襯砌中的裂縫擴展量會有所減小，但裂縫不會完全恢復，總會有殘余的變形存在。因此在凍融循環的作用下，襯砌中的裂縫越來越大，并逐漸形成貫通裂縫，嚴重時會產生襯砌錯臺、掉塊等威脅結構穩定性的凍害現象。
由以上分析可知，無論是那一種凍脹形式，若要對隧道襯砌結構造成破壞都離不開凍、融的循環作用，如果隧道完全處于永凍土中，雖然襯砌的溫度很低，但是隧道發生凍害的可能性卻是非常小的。
參考文獻:
[1][英〕A.M.內維爾著.李國伴，馬貞勇譯.混凝土的性能.中國建筑工業出版社，1983
[2徐學祖.中國凍脹研究進展.地球科學進展，1994，19(5)
[3]劉庭金，朱合華等.云南省連拱隧道襯砌開裂和滲漏水調查結果及分析.中國公路學報，2004.4(2)
