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

方贞

中建二局第三建筑工程有限公司湖北省武汉市430000

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。季节性冻融循环促使边坡整体变形加快，在寒区边坡发生滑塌的情况普遍性明显，具有在时间上的周期性往返性和积累性损坏的特征。对冻融循环期滑坡工程地质灾害多发的特征，针对冻融作用剧烈的区域应加大危险边坡的监控量测工作，对治理发生滑坡灾害具有重要的现实意义。此类滑坡治理技术中的防排水方法应保障冻融期使坡体的地下水能够顺利排出。

（3）融冻泥流

融冻泥流是多年季节性冻土区冷生地貌形成途径之一。在寒冻期冻土层扩展，风化作用、冻胀力、冻裂、冰锥体得以发育；在春暖期冻土层逐步退化，阻碍了上述因素影响，而热融化、泥流融冻、热侵烛等方面进一步扩展。融化时节也是西部地区的年降雨量丰富的时期，促进寒区融化层的发展成形。大部分降水一部分通过边坡排水沟排出，一部分渗流进周期性融化层，促使融化层自然湿度增大，使其达到或超过流塑状态，为融冻泥流的发育和形成创造了有利的环境。同时长期暴露于空气的地表堆积物，在外部力作用下使土粒变细，为融冻泥流的发生创造较为有利的环境。

（4）热融滑塌

冻结土中地下冰的融化是造成热融滑塌的主要因素，其常常存在于厚层及透镜状冻结冰的埋藏区域，所以在山间盆地、山谷及缓坡山地地带常见。热融滑塌主要是岩土边坡透镜体地下冰在人类活动或自然状态下，其热量相对平衡状态受到破坏，促使地下冰发生融化，从而在自重影响下滑坡体顺地下冰顶面产生位置移动的过程。滑坡体发生厚度有限，但具有较大发育规模，发育速度快，对滑坡后缘极易产生侵蚀、植被破坏和水土流失，破坏性极大，地质原貌环境难恢复。此外，长期冻融循环使岩体损伤加快扩张，大幅减小岩体强度，最终导致崩塌。所以，该处的冻融滑坡主要是对岩质边坡而论。质硬且节理裂隙发育的岩石，如花岗岩、石灰岩、玄武岩及粗粒火成岩等，对风化影响极敏感，岩体发生崩解形成大粒径的岩块。岩体作为一种自然损伤材料，长期性的冻融循环对含水量高且强度低的岩质边坡，将造成滑塌和失稳破坏。

三.季节性冻土对隧道围岩稳定性的影响

3.1未冻土体转化为冻土体时体积膨胀

在冻土的形成过程中，当温度降低到土体的冻结温度以下时，水分向正在冻结的土体中迁移并发生相态变化，体积增大9%，当此温度持续或继续降低时，土体中的液态水大部分转变为固态水，相态变化逐渐缓慢直至消失，在这个过程中，土体中的液态水凝固并以冰的形式填充到土颗粒间隙中，当土体中水相态变化的体积膨胀足以引起土颗粒之间的相对位移。从而导致隧道围岩变形，严重时导致隧道失稳。

3.2未冻土体转变为冻土体物理力学性质的改变

冻土的强度和变形特性与未冻土的最大差别在于冻土中冰的存在，冻土的力学特性一定程度上取决于冻土中冰的力学特性。冰的强度随温度的降低而增加，随冰晶结构构造的变化而变化，随应变速率的增大而增大，在破坏类型上表现为由塑性向脆性的转变。冰的这些力学特性导致了冻土具有与之类似的一些力学特性并使冻土相对于未冻土体表现出较大的物理力学性质上的差异。通过以往研究经验和室内模型实验，冻土的抗压强度和抗剪强度相对于未冻土体有较大的提高。这也是导致冬季施工工程事故隐蔽性和滞后性的原因之一。冻土承载力较高，春融时围岩承载力降低，从而导致工程事故突显。

四.结论

隧道冬季施工成为保证工期的重要选择，不仅仅增加了施工的成本，同时对安全施工提出了很高的挑战。无论是边坡还是隧道围岩，造成稳定性影响的决定性因素都是水，所以治理水是保证冬季施工安全的关键。

4.1边坡水的治理

（1）边坡地表水的防治。

地表排水主要是防止边坡（主要是不稳定边坡地段）外的积水进入存在病害的边坡内，并将病害边坡内的积水清除，而且通过引流或排水专道将地表水引走。通常危险边坡外的水排除原则是阻栏和侧引，滑体内的水排除原则是阻渗、集中引流。所以工程施工时常在危险边坡外布置多条环形截水沟，通过栏、截、引方式使地表径流不进入滑体范围内；在危险边坡内采用天然沟洼将排水系统设置成枝状。存在湿地和水出露的危险边坡需建造渗沟或明沟等排水设备，减小对危险边坡的作用。

（2）边坡地下水的防治。

地下水是影响边坡安全稳定性的因素之一。若产生变形的边坡内存在大量水，则会产生动水压和静水压，必须釆用地下排水来降低压力的作用，保证边坡的稳定。根据边坡内地下水分布情况、补给条件、含水带厚度和地质水文条件，常采用截、排、疏和降低地下水位等方法。若是坡的上方或一侧方向的地下水，建造栏截止水幕墙、盲洞、栏水盲沟等此类排水的措施。若边坡内产生地下水，需利用渗水沟或多层排水孔（水平）等排水设备，前者是引出滑坡前缘土体中的水，后者排出边坡内深部的水。

（3）边坡防排水综合措施。

仅仅靠工程设计来进行边坡防排水远远不够，还应结合沿线水文地质条件、不同土质岩性、坡度、高度以及当地气候特征，适当培植各种植物与工程相结合的对策进行治水综合防护，这样才能保证沿线边坡的稳定。

4.2隧道围岩注浆防渗

地质勘探要尽可能合理详细，结合地质情况采取防、排、堵、截综合治理。可以选择注浆的方式在透水层和围岩交界处形成止水帷幕，必要时可在临近交界处的透水层设置排水管。围岩注浆堵水即在隧道围岩的富水区段向地层灌注浆液，封堵地层中的渗水裂隙，减少围岩流向隧道的渗水。围岩注浆堵水既可在隧道开挖前从地表钻孔实施，也可在隧道开挖后通过径向或超前向围岩钻孔注浆来完成。围岩注浆充填围岩裂隙，封堵渗水通道，在隧道周围形成隔水保护圈，防止地下水外泄并减轻隧道结构外水压力。在渗水量较大或达到一定标准的区段，采用各种注浆方法可使围岩中的裂隙被填充，渗流通路堵塞，最终使地下水在围岩之外寻求通路并建立新的平衡，使地下水水位得以恢复并长期得以保持。围岩注浆在隧道外形成一个环形保护圈层，大大增强围岩抗渗能力，减少地下水向隧道区域汇集、渗出，可以显著地减轻隧道外水压力。

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