北方寒区季节性冻土对隧道工程的影响

北方寒区季节性冻土对隧道工程的影响

发表时间：2018-09-18T16:19:37.420Z 来源：《基层建设》2018年第26期作者：方贞

[导读] 摘要：季节性是影响施工安全、进度和质量的主要因素之一，因此在施工过程中应采取一系列的技术措施和管理措施来降低其影响。

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摘要：季节性是影响施工安全、进度和质量的主要因素之一，因此在施工过程中应采取一系列的技术措施和管理措施来降低其影响。冬季施工是保证工期的必要选择，我国北方寒区冬季施工亦在逐渐增多，所以探讨北方寒区冬季施工的特点、安全处理措施是很有必要的。

关键词：北方寒区；冬季施工；隧道；安全措施

一、寒区冬季施工特点及主要问题

寒区冬季施工特点：（1）冬季施工受施工条件和环境的不利影响，是各种安全事故的多发期。（2）隐蔽性、滞后性。冬季发生质量事故往往不易察觉，到春天解冻时，一系列质量问题才暴漏出来，因而会对质量事故的处理带来很大的难度，同时也会埋下安全隐患。（3）冬季施工的计划和准备时工作时间必须充分。如果准备时间不足，仓促施工，技术要求复杂，往往会诱发工程安全事故的发生。

寒区冬季施工主要问题：（1）季节性冻土影响边坡稳定。（2）季节性冻土影响隧道围岩稳定。

二.季节性冻土对边坡稳定的影响

2.1水分迁移对边坡稳定性的影响

对于土质边坡，冻结土表面随着温度升高逐渐融化，使土体含水量升高，抗剪强度降低，下层土体为一个近似不透水的冻结层，因此上层融化的水不能流入下层土体，只能沿交界面运动，形成流体状态的土，严重时会造成融冻泥石流和热融塌方等地质灾害。季节性冻土区土坡由于土的蠕变特性，安全度随时间降低，同时边坡安全系数随边坡土体的温度升高也不断降低，土体的流变性随含水量的增加而增加。

2.2冻融循环对边坡的影响

（1）冻融循环对岩质边坡的影响

在冻融交替作用下，季节性冻土区边坡稳定性将会受到影响。岩石边坡长时间冻融作用下主要表现为表层崩塌的破坏模式。岩石边坡发生破坏主要是由于内在因素和外在因素互相影响的结果，前者表现为地形地貌、工程地质等，后者表现为降水、热融变形以及冻融影响等。根据岩石冻融破坏原理，研究表明片落模式和裂纹模式是岩石发生冻融破坏的基本模式。另外，含水率的大小对岩石冻融损伤有重要影响，水分迁移引起的冰分凝增加对岩石冷生风化有很大程度作用。大量研究试验结果证明，岩石经过反复冻融后其抗压强度和弹性模量存在一定程度的降低，试样中旧有的裂隙明显加宽并诱生新的裂隙。

严寒的冬季常很少发生岩石崩塌现象，主要是因为低温条件下岩石强度和常温状态下相比要强，而且地下水和地表积水的渗流活动在低温情况下都受到约束。进入融化期间，岩石崩塌由于积雪及冻结岩石的融化常易发生。该阶段岩石边坡主要是表层发生破坏。这种作用在含水率高、存在大量软弱结构面的岩体中表现尤为显著。当岩石边坡表层发生冻结使地下水位上升时，裂隙表面水压力作用增强，从而引发边坡滑坡易造成较大规模的破坏。与空气接触的岩石边坡，当边坡表层在气温降到零度以下时变成冻结面。随着温度持续降低及作用时间延长，冻结面具有向内部延伸的趋势，由于水分的聚流作用向冻结面发生移动，边坡内部水分在裂隙面或空隙间向冻结面发生移动，使冻结面含水饱和度大大增加。当饱和度达到一定范围时，液固变换的膨胀力大于岩石抗拉强度，产生的岩石裂缝使岩石承载强度下降。综上所述，边坡的稳定性在冻融循环长时间作用下将引起滑塌，同时由于地质和地下水等的相互影响将引发更大范围的边坡破坏。

（2）冻融循环对土质边坡的影响

在冻融循环作用下，土体的物理和力学性质将发生四个方面的以下变化：

①渗透性，在岩土工程、土壤学和水力学等学科领域关于冻融对岩土渗透性作用的研究很多。此外冻融使土的结构性发生改变，从而使其在垂直方向渗透能力变大。②密实度，冻融会增大其孔隙比而使其密实度降低。③含水率，在冻融期间水分向相变交界面周围移动，冻结土在夏季的融化与多年冻土上限周围地下冰的生成密切相关。④力学性质，在较少冻融循环下，其变形模量会有大范围的减小，伴随细粒增多减少程度越大。因此，冻融循环造成变形模量降低。常认为冻结发生过程中土体密度以及土体结构性的变化造成土体强度的增大降小。冻融过程中含水量与强度呈负相关。在夏季，集中降水坡体含水量增大；常年冻融循环作用下，水分迁移使边坡上层土体含水量增多。而土体的渗透性在冻融发生过程中变大，使得大量水分迁移到边坡，上层土体处于饱或过饱和状态，尤其新幵挖的人工边坡表现明显。在各种因素综合作用下，多年冻土土质边坡稳定性降低。

2.3季节性冻土地区边坡失稳的类型

边坡失稳按照其成因可以归纳为以下四种类型：

（1）蠕变型滑坡

冻土区的特殊性是冰以及冰一土胶结结构形成了冻土蠕变变形的特征。在低应力情况下，边坡岩土体即具有蠕变行为，不论边坡的陡缓均可能具有蠕变变形。高富冰区的冻土是非衰减蠕变，周期性蠕变作用导致边坡失稳。另外，由于孔隙间水气冻化凝结形成的粒状冰，融解水渗流过程中结冻成冰透镜体，因此在多年冻土区边坡工程中，含有较为发育的土夹冰层、饱和冰和富冰冻土层，甚至部分地区在粗碎岩体积聚内部填充有地下冰。含冰量越多，边坡就具有较强蠕变性。边坡产生变形主要包含两阶段。第一阶段是冻结时边坡土体沿坡面垂直方向隆起，融沉时沿法线方向降落而顺下坡发生移动；第二阶段是处于融化期的季节融化层在自重影响下沿顺坡方向的流变以及蠕变发育过程。

（2）冻结滞水型滑坡

在适合环境下，边坡表层土体发生冻结时，促使边坡内部地下水不断富集和伸展，边坡的冻结滞水效应使岩体抵抗强度减小、静水压力及动水压力升高等，边坡的整体稳定性降低，变形破坏的加速促发滑坡产生。冻结作用作为外动力因素加速冻区边坡整体变形并引发滑坡发生。其作用特殊性主要是坡体冻结使地下水的渗流状况改变，坡体地下水逐步富积，坡体含水量增大、软化区域扩展、减小强度以及动静水压力增大，使边坡整体稳定性减小。“季节性冻结滞水促滑效应”产生的必备因素就是地下水脉状分布状态和泉眼的排泄方式。季节