寒区公路隧道结冰冻害成因及对策研究

寒区公路隧道结冰冻害成因及对策研究

潘 睿

甘肃路桥公路投资有限公司 甘肃兰州 730000

摘要：寒冷地区公路隧道结冰冻害的成因机制及应对措施是目前亟待解决的瓶颈问题，本文系统归纳分析了隧道结冰冻害的主要类型及隧道渗漏水和结冰的原因，并提出了相应的对策，希望本文的综述研究对提高隧道冻害防治水平具有借鉴意义。

关键词：寒区隧道；冻害；渗漏水成因；防治对策

引言

寒冷地区的公路隧道内常发生各种类型的冻害，衬砌表面挂冰和路面结冰是隧道内最普遍的病害，严重影响隧道内的行车安全，因此，减少隧道内结冰问题的产生并采取有效应对措施已成为公路隧道运行维护的迫切需要。渗漏水的防治一直是寒区隧道冻害防治的研究重点，没有根据不良地质条件制定更合理的防排水方法是导致隧道局部渗漏水的重要原因[1]，目前应对隧道结冰的措施主要是保温隔热和人工除冰[2]。笔者系统归纳分析了公路中冻害的类型及防水失效的原因，并介绍了在隧道防排水设计中的新技术、新方法和新理念，进一步讨论了针对衬砌表面挂冰的微波除冰技术和保温层和电伴热技术的使用策略，希望对提高冻害防治水平有一定的帮助。

1 结冰冻害类型

1.1 衬砌表面挂冰

衬砌表面挂冰是最常见，也是危害最严重的冻害之一，其分布与隧道温度场和渗水病害直接相关由于隧道洞口段渗漏水发生率高、受洞外气温影响显著，衬砌表面挂冰常发生在隧道洞口段。

1.2 路面结冰积冰

路面结冰、积冰往往与衬砌挂冰并存，造成隧道内路面出现结冰或积冰的原因多为洞内渗漏水滴落至隧道路面冻结，或隧道拱顶范围内的冰挂坠落堆积在路面；另一种非常严重的情况是由于隧道中央排水沟或者排水边沟冻结[3]，导致地下水漫延至隧道路面然后冻结，造成隧道内路面大面积结冰。

1.3 衬砌背后空洞积水冻胀

二次衬砌背后脱空、空洞是隧道常见的病害之一，在寒区，空洞内积水冻胀会对衬砌结构造成非常严重的后果，目前，衬砌背后空洞内积水的冻胀力的大小并无准确的测试数据，寒区隧道拱顶脱空引起的衬砌掉块与空洞积水冻胀造成的衬砌开裂方面仍需更深入的研究。

2 渗水结冰的成因

渗漏水是隧道发生挂冰的关键前提，而隧道防水排水系统的故障则是导致隧道渗漏水问题的直接原因。隧道防水排水系统失效的原因主要有：防水层的损坏、排水系统的堵塞和保温措施的失效。

2.1 防水层损坏

在隧道横断面上，防水层与二次衬砌的接触面较平顺光滑，但由于初期支护不平整，与初期支护接触面粗糙许多，防水层在围岩传递过程作用下会受到损伤。另外，二次衬砌受到洞内气温的显著影响，而初期支护与围岩之间的黏合十分紧密，且对隧道内部的温度变化反应较小，这导致二次衬砌在纵向上的温度变形明显大于初期支护，从而在二者之间产生温度变形的不一致性，会使防水层在隧道纵向上会承受一定的剪切力。

2.2 排水系统失效

土工布和环向盲管作为隧道防排水设计过程中，地下水的主要汇集路径。但是，随着时间的推移，这些排水路径可能会因泥沙积累而逐渐堵塞，造成排水系统失效。此外，当隧道的保温措施失效时，环向及纵向的排水管会冻结，这不仅会使隧道周围水压增高，增加了隧道渗漏的可能性[4]。

2.3 止水带失效

二次衬砌施工缝是漏水、挂冰的发生概率最高的位置，当衬砌浇筑时，一方面由于端头模板处混凝土浇筑质量不高，加之止水带固定困难且易变形，易导致止水带与混凝土黏结不紧密，因此，止水带在防止渗漏方面的实际效果往往未达到预期。

3 应对策略

3.1 防水层失效的对策

解决防水层失效问题，首要的是保证防水层的完整性。近年来，随着对防水层的产品质量的严格把关，加之施工过程中的层层监督，隧道渗漏水病害有了显著地降低，但仍然无法杜绝。下面介绍了一些有关隧道防排水的新工艺，新技术和新理念，旨在为隧道防排水设计提供一些思路。

3.1.1 喷膜防水技术

喷膜防水层是由欧盟和世界隧道协会2013年首次提出的[5]，直到2010年国内才开始使用，这项技术多应用于综合管廊和地铁车站[6]。喷涂防水技术以其快速的安装过程、卓越的防水效果、良好的界面黏合性及高抗拉力而受到推崇。该技术在结构性能上表现优异，然而，在国内的工程应用中，对其实际效能的信赖度尚未达到预期。研究人员认为，初期支护平整度差导致喷膜防水层厚度不均匀，无法保证防水层的施工质量，因此，在隧道中使用的有效性受到质疑。工程实际中希望以提高初支平整度以保证喷膜防水层厚度均匀是非常困难的，所以，在中国并没有得到广泛应用[7]。

3.1.2 叠瓦式防水层铺挂

在隧道建设中，通常沿隧道环向铺设防水层，并在此方向进行焊接，但这种方法的焊接操作相对复杂。相比之下，叠瓦式铺挂技术的引进解决这一问题，类似于屋顶瓦片，它将防水层沿纵向展开，有效促进地下水向下排泄。此外，叠瓦式铺挂不仅使焊接接头沿纵向方向，简化了焊接过程，而且能够连续覆盖多模衬砌，无需切割，显著减少了焊接接缝的数量，从而降低了由于焊接不牢可能引起的防水失效。

图1  叠瓦式防水层铺挂   

3.2 排水失效的应对策略

3.2.1 止水带改进

为了提高止水带的防排水效果，市场上出现了各种类型的止水带，但都未解决安装方便、防水可靠的问题[8-9]。其中较为新颖可靠的是一种蝶形止水带[10]。止水带有4个翼和1个中肋，安装时将止水带的中间肋贴紧端头模板，并使用钢钉固定止水带，使左侧上翼和下翼紧贴端头模板，止水带中肋的位置应位于衬砌厚度的中间部位。在混凝土浇筑过程中，裸露的右上翼和右下翼埋入混凝土中。拆除模板后，之前压平的止水带的左上翼和左下翼由于橡胶的弹性会恢复到原来的形状。当下一模二次衬砌浇筑完成后，止水带的形状就如一只蝴蝶安置在施工缝的位置。该止水带的安装依赖于端头的木模板，安装有一定难度。

3.2.2 被动排水方法

被动排水的设计理念主要针对穿过隧道防水层的地下水，如果可以将其及时排出，那么隧道内就不会出现渗漏水和结冰冻害。系统整体设计在二次衬砌混凝土结构内部，引入了滤水管、环向排水管和可维护端口。滤水管沿纵向安装，并与环形排水管相连，环形排水口与纵向排水口相连。环形排水口的最底端在维护口内，维护口位于隧道电缆沟内。滤水管中的地下水可以沿纵向流至环向排水沟，也可以穿过滤水管向下流向另一个滤水管，最终流向纵向排水管。纵向排水管中的水通过横向排水管流到中心排水沟。当系统需要维护时，管道高压清洗机的喷雾器通过维护口进入排水管，然后进入纵向排水管和过滤排水管。横向排水沟和中央排水沟的养护比较简单，技术成熟。但是，该系统是布设在二次衬砌混凝土结构空间内，混凝土浇筑前管路的铺设难度较大，管路形成的空腔对结构受力的影响并不明确，另外在寒区隧道中，排水管道会因低温被冻结丧失排水功能，孔道冻胀可能引起非常不利的影响，设计方案还处于设想阶段，并无成熟的应用案例。

3.2.3  EHT系统

在二次衬砌表面设置保温层并设置电伴热（EHT）是目前公路隧道保温供热最有效的方法[11]，如图2所示。电伴热系统能够将电能转化为热能，而再加上保温层后，可以有效地防止热量的散失。这一组合在隧道洞口段表现出了良好的效果。

图 2  保温层和电伴热的联合

尽管在隧道中全面铺设电伴热系统可以有效防止结冰，但成本相当高。为降低成本，通过使用智能控制系统，将隧道按照纵向温度分布进行分段，可以根据实时监测到的隧道内部或衬砌背后的温度，动态调整电伴热电缆的输出功率，这样不仅优化了能源使用，还确保了衬砌背后的排水系统不会因冻结而失效。

3.3  现有病害对策

隧道施工缝或边墙出现渗水结冰的冻害，需在传统的渗漏水处治方法“切槽引流法”基础上增加保证排水孔内防冻结措施，一般方法是在排水孔内设置伴热电缆或在衬砌表面加铺保温材料，该方法目前是解决寒区公路隧道边墙渗水结冰最有效的方法。传统人工对隧道拱顶出现的挂冰除冰方法由于劳动强度大且效率低，已经不能满足运营部门的需求。为了解决这一问题，引入了用于沥青路面的微波除冰技术，微波除冰技术首次应用于寒冷地区沥青路面除冰后，又被引用于混凝土路面的除冰[12]。目前，在隧道中应用还处于试验阶段，隧道内部空间的限制使得近距离加热和垂直波的入射变得困难，为了优化加热效果，一种方法是在混凝土表面应用微波吸收材料，并考虑延长加热时间，这样的措施有助于提高整体加热效率。

4 结语

寒区隧道的渗漏和结冰病害是寒区隧道的一大难题。隧道内结冰冻害主要表现为：衬砌表面挂冰、路面结冰、排水沟冻结和衬砌背后空洞积水冻胀。引起隧道渗水结冰的原因除施工期间防水层失效外，还有：运营期间防水层的垂直损伤和剪切损伤；排水系统堵塞、冻结失效；施工缝止水带失效。针对隧道渗水结冰的原因，总结了目前行业内采用的喷膜防水方法、蝶形止水带以及保温层联合伴热电缆应对隧道结冰的冻害的优势与存在不足，提出了隧道叠瓦式防水层铺挂方法和隧道被动排水的新理念，介绍了微波除冰技术在隧道挂冰冻害应用的可行性，希望对提高冻害防治水平有一定的帮助。

参考文献：

[1]Xuefu Z, Jianzhang X, Yaonan Z, et al. Study of the function of the insulation layer for treating water leakage in permafrost tunnels[J]. Applied thermal engineering, 2007, 27(2-3): 637-645.

[2] 马启腾. 高海拔高寒公路隧道的抗防冻技术研究[D]. 重庆交通大学, 2018.

66(03): 376-382.

[3]朱小明, 冯勇, 蒲建军, 等. 甘肃省寒区运营公路隧道冻害处治技术[J]. 公路, 2019, 64(04): 325-329.

[4]刘龙卫, 孙源. 寒区隧道新型环向盲沟排水体系及温度场分析[J]. 高速铁路技术, 2020, 11(04): 55-59.

[5] Holter K G. Loads on sprayed waterproof tunnel linings in jointed hard rock: A study based on Norwegian cases[J]. Rock mechanics and rock engineering, 2014, 47(3): 1003-1020.

[6] 蒋雅君,杨其新,刘东民,盛草樱.隧道工程喷膜防水技术的发展与应用现状[J].现代隧道技术,2018,55(02):11-19.

[7] Lee K, Kim D, Chang S H, et al. Numerical approach to assessing the contact characteristics of a polymer-based waterproof membrane[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2018, 79: 242-249.

[8]解亚东, 吕志强, 刘攀. 富水山岭隧道衬砌结构缝防水施工技术优化[J]. 公路, 2020, 65(12): 151-155.

[9]张民庆, 黎庶, 刘俊成. 横向内置加劲型中埋式橡胶止水带研制[J]. 现代隧道技术, 2019, 56(06): 52-56.

[10]吕康成, 马超超, 吉哲, 等. 隧道衬砌施工缝蝶形可排水止水带研制[J]. 现代隧道技术, 2011, 48(06): 23-26.

[11] 夏才初, 范东方, 韩常领. 寒区隧道不同类型冻土段隔热(保温)层铺设厚度计算方法[J].

中国公路学报， 2013, 26(05): 131-139.

[12] Ding L T, Wang X, Cui X, et al. Development and performance research of new sensitive materials for microwave deicing pavement at different frequencies[J]. Cold Regions Science and Technology, 2021, 181: 103176.