高连 李申
（中国铁建大桥工程局集团有限公司，天津 300450）
随着我国西部经济的增长，西部交通基础设施的建设也在不断完善，我国的隧道工程已日益向严寒地区延伸。因多年冻土区独特的气候条件，隧道衬砌结构将会面临各种冻害问题，这些冻害严重影响着隧道的服役性能，对隧道运营产生不可估量的危害。因此，对冻土隧道衬砌服役性能的研究是极其有必要的。本文重点分析总结多年冻土区隧道衬砌的主要病害以及防治措施。
多年冻土隧道衬砌结构产生的病害（见图1）是影响衬砌结构服役性能的根本原因。目前国内的多年冻土隧道工程大多数都经历着不同程度的病害，有一些隧道工程甚至刚建成就因病害问题而报废。
图1 多年冻土隧道病害
多年冻土隧道衬砌结构病害主要包括隧道衬砌变形及开裂、隧道衬砌混凝土冻融劣化及隧道衬砌渗漏水结冰等方面。
1.1 隧道衬砌变形及开裂
衬砌的变形和开裂普遍存在于多年冻土区隧道中，其过程常常显示出明显的季节性，且变化幅度很大。衬砌裂缝（见表1）会对隧道结构的安全性产生直接影响，且冻融循环、渗漏水结冰、冻胀等多因素耦合作用会使裂缝进一步恶化，从而严重影响隧道衬砌服役性能。其原因主要归纳为以下方面：隧道环境因素、隧道设计因素、衬砌材料因素等[1]。
表1 多年冻土隧道衬砌裂缝类型
1.1.1 隧道环境因素
对多年冻土隧道来说，造成衬砌开裂的环境因素主要可概括为：温度、湿度、外荷载等。覃荷瑛[2]将某寒区隧道衬砌混凝土形成的常见裂缝概括为：干缩裂缝、温度裂缝、外荷裂缝。其根据对某寒区隧道二次衬砌裂缝进行长期观测后指出：因混凝土热膨胀系数、钢筋的温度膨胀系数、混凝土极限拉应变三者的数值差异，导致当混凝土的内外温差达到7℃以上时，隧道衬砌就有可能产生温度裂缝。而由于多年冻土隧道所处的特殊气候条件，衬砌混凝土的内外温差通常较大，故很容易产生温度裂缝。在反复的冻融循环作用下，隧道围岩中的水结冰会引起体积膨胀，从而产生作用于衬砌结构上的形变压力，导致衬砌开裂。同时隧道所处环境中较大的昼夜温差，会使衬砌结构内部产生额外的温度应力，也会导致隧道衬砌产生变形开裂，从而大大降低衬砌结构的服役性能。
1.1.2 衬砌材料因素
衬砌结构所选用的材料也与衬砌裂缝密切相关。衬砌混凝土水灰比不当，骨料品种不当，外加剂种类选用及用量不当都会导致隧道衬砌产生开裂。衬砌结构应采取曲墙带仰拱钢筋混凝土，并结合温度应力的影响进行衬砌分段；
衬砌混凝土应具备抗冻、抗裂、抗渗、低温早强等性能，强度等级不得低于C30，抗冻性能不得低于F300，且抗渗等级不得低于P10，必要时还可加厚衬砌厚度。
1.1.3 隧道设计及施工因素
对于多年冻土隧道来说，隧道的设计及施工都具有较高要求，合理的设计方案及良好的施工技术是隧道质量的基本保障。在进行隧道初步设计时，应优先选择无冻害岩体段、地下水位低或岩体冻胀敏感性低的地层通过。此外，由于施工现场执行力不足，可能导致部分施工过程不符合规范，如衬砌的防冻保温及防排水等。以上原因都有可能导致隧道衬砌在施工及运营中产生裂缝。对此，建设单位应重视初步设计阶段，加强施工执行力，提升隧道质量。
1.2 隧道衬砌渗漏水结冰
当隧道穿过贮水丰富、地下水位高的地段时，在排水系统不畅且防水不可靠的情况下，隧道衬砌将不可避免地发生渗漏水现象，地下水会先沿着围岩裂隙进入衬砌结构，再以衬砌中的缝隙为通道，向隧道内部渗漏。当冬季到来，渗漏出的地下水会在负温作用下逐渐冻结，若不采取一定的防治措施，地下水将会源源不断地通过衬砌缝隙渗漏进来，使冻结面积增大，增厚。
多年冻土隧道衬砌渗漏水结冰的原因主要可归纳为以下几点：
（1）在设计以及施工环节上对地下水处理问题没有给予足够的重视，缺乏对地下水有效的检测手段和方法；
隧道内防排水系统有缺陷，使隧道内衬砌渗漏水结冰进一步加剧。
（2）隧道衬砌内的施工缝、伸缩缝处防水措施不当，成为地下水主要渗漏通道。
（3）防水卷材等材料质量不合格，拉伸强度、厚度、延伸率不够[3]。
1.3 隧道衬砌混凝土冻融劣化
由于多年冻土隧道衬砌长期暴露在正负温度交替的空气中，因此会长期受到冻融循环的侵害。衬砌混凝土中的水结冰时会发生体积膨胀，故反复的冻融循环会使混凝土内部产生微观裂隙，长此以往，混凝土的抗压强度，抗拉强度，弹性模量等力学性能都将严重下降。
董长松[4]以鄂拉山和姜路岭隧道为依托工程，对隧道二衬混凝土试样进行室内快速冻融循环实验，以研究混凝土力学性能在冻融循环下的变化，其实验结果表明：随着冻融循环次数的增加，混凝土相对动弹性模量、质量、劈裂抗拉强度、抗压强度均有不同程度的下降。汪在芹[5]从混凝土的微观结构入手，研究混凝土在冻融循环作用下微孔结构的变化，分析混凝土微观结构在冻融循环下的变化，得出结论：混凝土在冻融循环过程中抗拉强度和抗折强度的劣化趋势大于抗压强度。由于隧道工程具有隐蔽性，不同位置衬砌混凝土所经历的冻融循环次数也不同，Xu[6]研究某寒区隧道衬砌冻融圈的分布规律，结果表明沿隧道纵向衬砌经历的冻融循环次数与所处位置和隧道长度有关：对于长隧道在进出口处经历的冻融循环次数较多，在隧道内中间部位经历的冻融循环较少；
而对于短隧道则隧道内各部位所经历的冻融循环次数变化不大。
实际工程中隧道所处环境通常都比较复杂，衬砌混凝土并不只经历单一冻融循环，还会经历冻融-碳化、冻融-盐离子侵蚀、冻融-干湿等耦合作用，多因素耦合作用会加剧衬砌混凝土的劣化，严重影响衬砌服役性能。
2.1 建立可靠的防排水系统
多年冻土隧道衬砌产生病害的根本原因是水的影响，所以在设计及施工阶段需结合隧址区气候条件以及地质条件建立完善的防排水系统，做到“防水通畅，排水可靠”。
2.1.1 防水措施
（1）衬砌结构可采用复合式衬砌，在初期支护和二次衬砌之间设置防水板、防水卷材及无纺布等；
（2）二次衬砌材料选用抗渗等级高的混凝土，一般不低于P10，并加强二次衬砌施工缝、伸缩缝的处理，设置橡胶止水带或橡胶止水条；
（3）当隧道所处围岩地下水丰富并且裂隙发育时，可对围岩进行注浆堵水，形成防渗圈，必要时可对衬砌背后进行压浆回填，以防止衬砌背后积水，对衬砌结构产生冻胀破坏；
（4）选用新型防水材料，如背贴、分贴、中埋充气式止水带，并优化铺设工艺，避免施工过程中的破坏。
2.1.2 排水措施
（1）在地下水可能冻结的地段，宜设中心埋深水沟。中心埋深水沟沟底应位于冻结线以下。中心埋深水沟达不到排水防冻要求时，可设置防寒泄水洞。但需要在施工时注意减少对冻土层的扰动，避免形成冻土融化圈。
（2）在多年冻土段设置保温水沟，用于排出冻土融化产生的地下水。可选用沿路线走向的纵向人字坡[7]，还可增加纵向坡度以加快排水的速度。
2.2 采取合理的防冻保温措施
沿隧道轴向不同位置衬砌温度场具有一定变化，隧道洞口段应被视作防冻保温的重点位置。多年冻土隧道的防冻保温措施主要有：
（1）在隧道衬砌之间铺设隔热保温层。对于多年冻土隧道，铺设保温层是为了阻止热量侵入围岩，防止围岩形成融化圈。
（2）设置防寒保温门。防寒保温门主要应用在冬季，其可以阻挡寒冷空气侵入隧道，维持衬砌及围岩温度，防止洞内频繁产生正负温交替。但防寒保温门会妨碍车辆正常行驶，故不适用于车流量大的地段，仅适用于较偏远的地区。
（3）在隧道内设置主动加热系统。可在隧道内安设暖气管道，适用于极寒地区，但该方法造价较高。也可将地源热泵布设在隧道衬砌或排水沟之间，利用地热能维持隧道内温度，防止冻害发生。
2.3 选用合理的衬砌结构
（1）隧道衬砌结构断面选型应选为带仰拱的近圆形曲墙式，相比直墙式，曲墙式断面可减少衬砌内的应力集中。
（2）衬砌结构可选用三层复合式衬砌结构，如一次锚喷支护+二次模筑混凝土+隔热保温层，防水层+三次模筑混凝土+隔热保温层。施作初期支护时，若围岩表面有大范围结冰，喷混凝土可能很难与岩面贴合，此时可采用模筑衬砌。
根据具体施工情况可选择增加衬砌厚度或加大配筋率，以保证衬砌结构的服役性能。
（3）在进行衬砌结构设计计算时应考虑冻胀力+围岩压力的累加作用，当隧道处在冻胀非常严重的地区时可在衬砌混凝土中掺入一定量的纤维，如聚乙烯纤维、钢纤维等，以提高衬砌混凝土的抗冻性。
总之，未来我国会修建越来越多的冻土隧道，而关于隧道衬砌结构的服役性能也会一直是研究的重点及难点。在多年冻土隧道的设计阶段应结合地勘报告对地下水进行防治，并选用合理的衬砌结构、隔热保温措施及防排水措施。在隧道施工及运营过程中应随时关注衬砌结构的健康状态，定期检查衬砌是否产生裂缝、地下水渗漏结冰，并测量衬砌混凝土力学性质，判断其劣化程度，及时处置已产生的病害。
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