寒区隧道防冻保暖技术

寒区公路隧道防冻保暖技术研究

李攀

（1. 中铁十五局，洛阳 200092）

摘要：在寒冷地区修建交通隧道工程，最主要的问题是隧道主体结构尤其是洞口段的结构抗防冻能力、运营期间的安全性及结构的长期寿命等问题。寒区隧道建成后受地质构造、地下水、地温、气候条件和隧道通风等多种因素的影响，易出现洞内路面结冰、衬砌破损、渗漏水，并导致拱部挂冰、侧墙出现冰柱等病害，严重影响行车的安全。目前，常用的冻害治理方法是被动防寒和主动供暖。通过已建寒区隧道的防冻保暖测试效果可得，仅靠被动设防不能彻底根除隧道冻害，唯有主动供暖与隔热层相结合的办法才能彻底根除冻害。

关键词：寒区隧道 冻害 被动防寒 主动供暖

1 引言

在我国冻土面积分布非常广泛，其中多年冻土主要分布在东北大、小兴安岭和松嫩平原北部及西部高山和青藏高原，并零星分布在季节冻土区内的一些高山上【1】。我国多年冻土区面积有215万平方公里，占国土总面积的22.4%；在西部大开发战略中，建成西部便利的交通系统是西部经济发展和社会进步的必然环节。随着我国在青藏高原铁路、公路建设的兴起，寒冷地区隧道的抗防冻问题日益受到工程界的关注和重视。在寒冷地区修建隧道工程，与一般地区相比，技术性问题要复杂得多，最主要的问题是隧道结构尤其是洞口带的结构抗防冻能力、运营期间的安全性及结构的长期寿命等问题。

日本道路公团和日本铁道综合技术研究所最近的统计表明【2】，日本全国3800座铁路隧道中有1100座因冻害原因，在冬季运营期危及到行车安全；公路隧道中，仅北海道地区的302座大型公路隧道中发生严重冻害的就有104座。挪威寒区隧道都出现了大范围的漏水、挂冰以及冰溜等灾害。 60%

24%16%

存在冻害

严重冻害

未发生冻害

图1 我国40个寒区隧道冻害统

在我国东北和西北地区有33座铁路隧道存在不同程度的冻害，以致常年有8～9个月不能使用，东北嫩林线和牙林线的洞门都有开裂现象，嫩林塔河-樟岭白卡尔隧道、西罗奇2号隧道，林碧支线上的翠岭2号隧道，牙林线岭顶隧道，南疆线奎屯隧道等处于严寒或多年冻土地区，在建成后普遍存在衬砌冻涨开裂、酥碎、剥落、挂冰、道床冒水、积水及结冰等病害，严重威胁行车安全【1】

。

国内外的寒区隧道工程针对自身的气候、结构特点，采取了多种型式的防冻保暖措施。

本文首先汇总了寒区隧道的冻害形式，在总结国内外寒区隧道惯用的防寒保暖措施的基础上，从防寒保暖效果、经济及环境等因素对保暖措施进行了对比分析，发现现行保暖措施的不足之处，并提出了解决途径，即研制和开发节能型主动供暖系统。

2、寒区公路隧道的冻害情况

通过对大量寒区隧道冻害现象的调查研究，并经过实地考察，寒区隧道主要发生以下类型的冻害：

2.1隧道衬砌漏水、挂冰【3】

当寒冷地区年降水量较大、围岩破碎、围岩内贮水量丰富时，隧道通过融区时往往有地下水涌出，在排水系统不通畅的情况下，地下水将不可避免的通过隧道衬砌上的裂缝向隧道内渗漏。

地下水的渗漏一到冬季就会出现麻烦，隧道衬砌裂缝渗漏出来的地下水在负温下逐渐冻结，在拱顶及边墙上将出现一串串的冰柱，其形状很象钟乳石，随着渗漏地下水的不断补给冰柱也逐渐加粗，有时冰柱的直径可超过lm ，严重侵入隧道的建筑限界。

2.2隧道衬砌开裂、酥碎、剥落

寒区隧道普遍存在衬砌开裂的问题。隧道衬砌开裂的原因除了地质情况、结构类型和施工影响等因素外，由于寒冷地区气温的日较差及年较差都很大，因而隧道衬砌上产生的温度应力和冻胀力的作用是寒区隧道衬砌开裂最主要的原因。隧道衬砌环向开裂是寒区隧道比较突出的一个弱点，并且非常普遍环向裂缝一多就增加了地下水渗漏的通道，同时也使衬砌的风化剥蚀作用加剧。根据调查统计，在东北林区铁路隧道中，沿着隧道轴向环向裂缝平均4m 就有一条，裂缝宽1.0-3.0mm ，冬季扩展，夏季闭合，宽度随气温的变化而变化。

隧道衬砌水平及斜向开裂绝大部分产生在隧道边墙处。这种开裂危害性很大，严重时可使边墙凸出、错牙。这种开裂大多发生在地下水涌出的地段，而且是衬砌背后无排水系统的边墙上，开裂在入冬时开始鼓起，春融时又逐渐收缩，但一般收缩量要小于鼓起量，有残余变形，此外，开裂与隧道衬砌的结构形式关系密切，直墙式衬砌比曲墙式衬砌开裂要严重得多。由此可见，隧道衬砌水平及斜向开裂主要是衬砌背后的积水或含水围岩冻胀所致。 冻胀压力

冻胀压力

冰棱

挂冰

积冰

图2 冻害发生模式

2.3隧道底部冒水、积冰、冻涨

隧道围岩中的地下水往往具有承压性，在排水系统不通畅的情况下隧道底部常常会出现冒水现象，在入冬及春融季节形成冰锥，承压地下水是产生冰锥的必要条件。冰锥长度最长沿线路方向可达300m ，如果不及时刨冰，靠衬砌边墙位置积冰厚度可达 0.3m ～1.3m ，靠线路道床位置积冰有时还要埋没轨顶。此外，还有线路冻胀的问题，其冻胀隆起高度最大可达

17Omm ，比积冰更难处理，处理时只能在冻胀地点的前后用木垫板起道顺坡，等待春融时回落，而且必须随时监测侵入隧道建筑限界的情况，必要时应要求车辆慢行。

3、寒区隧道的防冻保暖措施

目前，为防止寒区隧道肯能产生的各种病害，国内外都采取了相应的防治措施，具体防治办法如图3所示：

图3 隧道冻害防治措施

由图3可知，隧道防冻保暖主要有两种型式，即被动防寒和主动供暖，被动防寒措施已经在国内多条寒区公路、铁路隧道得到应用，下面仅对被动设防进行简要介绍，将详细介绍主动供暖。

3.1被动防寒

【4-6】

（1）隔热法 隔热法是在衬砌表面或初衬与二衬之间设置隔热材料，使围岩的热量在冬季不逸出并保持隔热材料的表面温度在冰点以上而防止冻害的方法。该措施有以下两种：表面隔热处理法和双层衬砌隔热处理法。

表面隔热处理法是在二衬表面布置隔热材料的方法；双层衬砌隔热处理法是在喷射混凝土表面上铺设防水板后，喷射隔热材料或铺设保温隔热板，再修筑二次衬砌的方法。

（2）防排水措施

防水措施主要表现在提高衬砌的抗渗等级，寒区隧道的混凝土抗渗等级一般不低于S8，并在初期支护与二次衬砌之间铺设耐地温的防水板材、施工缝、伸缩缝、沉降缝应该选用耐低温止水条。

排水措施主要有保温水沟、中心深埋水沟及防寒泄水洞。保温水沟采用浅埋方式（即浅被动防寒 防排水系

统 隧道防冻保暖措

防寒保温门

隔

热

法 洞口段供暖 水沟 采暖

主动供暖

表

层

隔

热

处

理

法 双层隔热处理法 保温水沟 中心深埋水沟 防寒泄水洞 直接加热衬砌 加热洞内 空气 水沟通暖气 水沟放加热电缆 水沟布置供热管