寒區(qū)巖石隧道凍害機(jī)理剖析與防治策略研究：基于多案例實(shí)證分析一、引言1.1研究背景與意義隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大力推進(jìn)，寒區(qū)隧道的建設(shè)規(guī)模和數(shù)量不斷增加。寒區(qū)隧道通常指位于寒冷地區(qū)，尤其是季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)和多年凍土區(qū)的隧道。這些地區(qū)的年平均氣溫較低，且氣溫年較差大，導(dǎo)致隧道在建設(shè)和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中面臨諸多復(fù)雜的地質(zhì)和氣候條件。例如，在我國(guó)東北、西北以及青藏高原等地區(qū)，就分布著大量的寒區(qū)隧道，像牡佳高鐵的七星峰隧道，建設(shè)者需在零下42°的超低溫天氣下施工，年涌水量巨大，相當(dāng)于一個(gè)西湖，施工難度極大。此外，還有青藏鐵路的風(fēng)火山隧道、昆侖山隧道，以及227公路的大坂山隧道等，這些隧道的修建推動(dòng)了我國(guó)寒區(qū)隧道技術(shù)的發(fā)展，但也暴露出一些問(wèn)題。凍害是寒區(qū)隧道最為突出的病害之一。據(jù)相關(guān)調(diào)查顯示，寒區(qū)隧道中有80%以上都存在凍害現(xiàn)象，其中60%的隧道發(fā)生滲漏，24%的出現(xiàn)襯砌混凝土剝落、開(kāi)裂、滑塌等問(wèn)題。凍害不僅會(huì)導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)的損壞，如襯砌開(kāi)裂、剝落，還會(huì)影響隧道的正常使用功能，像洞內(nèi)掛冰、積水等，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí){到行車(chē)安全，縮短隧道的使用壽命，增加運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。每年各地區(qū)和相關(guān)交通企業(yè)對(duì)這些凍害隧道的維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)用數(shù)量驚人。因此，深入研究寒區(qū)巖石隧道凍害機(jī)理及防治措施具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。從工程建設(shè)角度看，能夠?yàn)楹畢^(qū)隧道的設(shè)計(jì)和施工提供科學(xué)依據(jù)，使設(shè)計(jì)更加合理，施工更加規(guī)范，從而提高隧道的抗凍能力，減少凍害的發(fā)生。在運(yùn)營(yíng)維護(hù)方面，有助于制定有效的監(jiān)測(cè)和維護(hù)策略，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理凍害問(wèn)題，降低維護(hù)成本，保障隧道的安全運(yùn)營(yíng)。對(duì)寒區(qū)隧道凍害的研究還能推動(dòng)凍土工程學(xué)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，為寒區(qū)其他基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供理論支持和技術(shù)參考。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)外對(duì)于寒區(qū)隧道凍害的研究起步較早。早在20世紀(jì)中期，北歐、北美等寒區(qū)國(guó)家就開(kāi)始關(guān)注隧道凍害問(wèn)題，并進(jìn)行了相關(guān)研究。例如，挪威在其眾多寒區(qū)隧道建設(shè)和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，對(duì)凍害機(jī)理和防治措施展開(kāi)了深入探索。他們通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和室內(nèi)試驗(yàn)，研究了低溫環(huán)境下隧道圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能變化，發(fā)現(xiàn)溫度的劇烈變化會(huì)導(dǎo)致圍巖和襯砌材料的熱脹冷縮，從而產(chǎn)生溫度應(yīng)力，當(dāng)這種應(yīng)力超過(guò)材料的極限強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)引發(fā)襯砌開(kāi)裂等凍害現(xiàn)象。同時(shí)，挪威還研發(fā)了一系列的保溫材料和保溫結(jié)構(gòu)，如使用聚苯乙烯泡沫板等高效保溫材料作為隧道襯砌的保溫層，有效減少了隧道內(nèi)的熱量散失，降低了凍害的發(fā)生概率。俄羅斯在寒區(qū)隧道建設(shè)方面也積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。在貝阿鐵路干線的隧道建設(shè)和運(yùn)營(yíng)中，針對(duì)多年凍土區(qū)的特殊地質(zhì)條件，他們深入研究了凍土的物理力學(xué)性質(zhì)，包括凍土的凍脹性、融沉性等。通過(guò)長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)和分析，揭示了隧道施工和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中凍土的退化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)施工過(guò)程中的放熱以及運(yùn)營(yíng)期間的溫度變化會(huì)導(dǎo)致凍土上限下降，從而引起隧道結(jié)構(gòu)的變形和破壞。為了解決這些問(wèn)題，俄羅斯采用了熱棒、通風(fēng)管等主動(dòng)降溫措施，通過(guò)熱棒將凍土中的熱量散發(fā)到大氣中，維持凍土的穩(wěn)定，取得了較好的效果。日本在寒區(qū)隧道凍害研究方面也有獨(dú)特的成果。日本的一些山區(qū)隧道面臨著冬季寒冷、降雪量大等問(wèn)題，容易出現(xiàn)凍害。他們著重研究了隧道內(nèi)的溫度場(chǎng)和濕度場(chǎng)分布規(guī)律，利用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法，分析了不同通風(fēng)條件下隧道內(nèi)的溫度變化情況，以及濕度對(duì)凍害的影響。結(jié)果表明，通風(fēng)不良會(huì)導(dǎo)致隧道內(nèi)濕度增加，在低溫下更容易形成結(jié)冰現(xiàn)象，加重凍害程度?；谶@些研究，日本開(kāi)發(fā)了智能通風(fēng)系統(tǒng)，根據(jù)隧道內(nèi)的溫度和濕度實(shí)時(shí)調(diào)整通風(fēng)量，有效控制了隧道內(nèi)的溫濕度環(huán)境，減少了凍害的發(fā)生。在國(guó)內(nèi)，隨著寒區(qū)隧道建設(shè)的不斷增多，相關(guān)研究也日益受到重視。近年來(lái)，我國(guó)在寒區(qū)隧道凍害機(jī)理和防治技術(shù)方面取得了顯著進(jìn)展。在凍害機(jī)理研究方面，眾多學(xué)者通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等多種手段，對(duì)凍害的形成過(guò)程和影響因素進(jìn)行了深入研究。田俊峰、楊更社等學(xué)者提出凍脹現(xiàn)象產(chǎn)生必須同時(shí)滿(mǎn)足三個(gè)條件：有能使水結(jié)成冰的足夠低的溫度、襯砌必須提供阻止水體結(jié)冰膨脹變形足夠的剛度、有足夠的水源。他們運(yùn)用彈性力學(xué)理論，考慮凍結(jié)圈厚度、凍脹率、彈性墊層等因素，對(duì)寒區(qū)巖石隧道凍脹力進(jìn)行了研究分析，得出了不同情況下的凍脹力分布規(guī)律和變化趨勢(shì)。在防治技術(shù)方面，我國(guó)也取得了不少成果。在保溫技術(shù)上，研發(fā)了多種新型保溫材料和保溫結(jié)構(gòu)。例如，在沈白高鐵吉林段TJ-6標(biāo)黑影崗隧道，開(kāi)展了新型保溫材料測(cè)試試驗(yàn)，對(duì)聚氨酯板材和噴涂聚氨酯進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證了新型噴涂聚氨酯保溫材料在施工質(zhì)量、工藝、工效及保溫效果等方面的優(yōu)勢(shì)，為寒區(qū)鐵路隧道保溫材料的選擇提供了參考。在排水技術(shù)上，改進(jìn)了隧道防排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用了分區(qū)防水、強(qiáng)化排水等措施，減少了地下水對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響。如在一些隧道工程中，設(shè)置了雙層防水板和排水盲管，將地下水及時(shí)排出隧道，降低了凍害發(fā)生的可能性。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，通過(guò)優(yōu)化隧道襯砌結(jié)構(gòu)，提高了其抗凍能力，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)作為二次襯砌，增強(qiáng)了襯砌的承載能力和抗裂性能，有效防止了襯砌開(kāi)裂等凍害。盡管?chē)?guó)內(nèi)外在寒區(qū)巖石隧道凍害機(jī)理及防治研究方面取得了一定成果，但仍存在一些不足之處。在凍害機(jī)理研究中，對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)條件和多因素耦合作用下的凍害形成機(jī)制研究還不夠深入。例如，在高海拔、強(qiáng)震區(qū)等特殊地質(zhì)條件下，凍害的發(fā)生發(fā)展過(guò)程可能更加復(fù)雜，現(xiàn)有研究成果難以全面準(zhǔn)確地解釋和預(yù)測(cè)。此外，對(duì)于凍害長(zhǎng)期演化規(guī)律的研究也相對(duì)薄弱，缺乏長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)的分析方法，無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估凍害對(duì)隧道結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期穩(wěn)定性的影響。在防治技術(shù)方面，目前的防治措施還存在一定的局限性。一些保溫材料在長(zhǎng)期使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)老化、性能下降等問(wèn)題，影響保溫效果。而且不同地區(qū)的地質(zhì)、氣候條件差異較大，現(xiàn)有的防治技術(shù)難以完全適用于各種復(fù)雜環(huán)境，缺乏因地制宜的針對(duì)性解決方案。此外，對(duì)于已經(jīng)發(fā)生凍害的隧道，修復(fù)技術(shù)還不夠成熟，修復(fù)效果往往不理想，難以恢復(fù)隧道的原有性能和使用壽命。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本研究圍繞寒區(qū)巖石隧道凍害展開(kāi)，旨在深入剖析凍害機(jī)理并提出有效的防治措施。具體研究?jī)?nèi)容如下：寒區(qū)巖石隧道凍害現(xiàn)象及成因分析：廣泛收集國(guó)內(nèi)外寒區(qū)巖石隧道的工程資料，詳細(xì)整理凍害的各種表現(xiàn)形式，如襯砌開(kāi)裂的不同方向和程度、隧道洞口段的凍脹破壞特征、洞內(nèi)掛冰和積水的分布情況等。綜合考慮氣候條件（包括氣溫變化、降水情況等）、地質(zhì)條件（圍巖類(lèi)型、地下水分布等）以及隧道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（襯砌材料、結(jié)構(gòu)形式等），深入分析凍害產(chǎn)生的原因，明確各因素在凍害發(fā)生過(guò)程中的作用機(jī)制和相互關(guān)系。凍害形成的力學(xué)機(jī)理研究：從材料力學(xué)、熱力學(xué)等多學(xué)科角度出發(fā)，研究寒區(qū)巖石在凍結(jié)和融化過(guò)程中的力學(xué)性能變化，包括彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等參數(shù)的改變。分析凍脹力的產(chǎn)生機(jī)制，考慮水冰相變時(shí)的體積膨脹、土體的凍脹特性以及隧道襯砌對(duì)凍脹變形的約束作用，建立凍脹力的計(jì)算模型。通過(guò)理論推導(dǎo)和數(shù)值模擬，研究?jī)雒浟υ谒淼酪r砌和圍巖中的分布規(guī)律，分析不同因素（如凍結(jié)深度、含水量、溫度變化等）對(duì)凍脹力大小和分布的影響。寒區(qū)巖石隧道溫度場(chǎng)和滲流場(chǎng)研究：運(yùn)用傳熱學(xué)和滲流力學(xué)的基本原理，結(jié)合寒區(qū)隧道的實(shí)際工況，建立隧道溫度場(chǎng)和滲流場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型?？紤]隧道周?chē)馏w的熱物理性質(zhì)、太陽(yáng)輻射、通風(fēng)條件以及地下水的滲流等因素，利用數(shù)值模擬軟件對(duì)隧道在不同季節(jié)和運(yùn)行條件下的溫度場(chǎng)和滲流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析。研究溫度場(chǎng)和滲流場(chǎng)的耦合作用機(jī)制，分析溫度變化對(duì)地下水滲流的影響，以及地下水滲流對(duì)隧道溫度分布和凍害發(fā)展的作用。寒區(qū)巖石隧道凍害防治措施研究：根據(jù)凍害機(jī)理和影響因素的研究結(jié)果，從保溫、排水、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等多個(gè)方面提出針對(duì)性的防治措施。在保溫措施方面，研究新型保溫材料的性能和應(yīng)用效果，優(yōu)化保溫層的設(shè)置方式和厚度；在排水措施方面，改進(jìn)隧道防排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提高排水能力，減少地下水對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響；在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，優(yōu)化隧道襯砌結(jié)構(gòu)，提高其抗凍能力，如采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、增加襯砌厚度、設(shè)置變形縫等。對(duì)提出的防治措施進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，評(píng)估其可行性和有效性，為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考依據(jù)。為實(shí)現(xiàn)上述研究目標(biāo)，本研究將綜合運(yùn)用多種研究方法：文獻(xiàn)研究法：全面查閱國(guó)內(nèi)外有關(guān)寒區(qū)巖石隧道凍害的學(xué)術(shù)論文、研究報(bào)告、工程案例等文獻(xiàn)資料，了解該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，總結(jié)已有的研究成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)研究提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)的分析，梳理出凍害研究中存在的問(wèn)題和不足，明確本研究的重點(diǎn)和方向。案例分析法：選取多個(gè)具有代表性的寒區(qū)巖石隧道工程案例，對(duì)其凍害情況進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查和分析。收集隧道的設(shè)計(jì)資料、施工記錄、運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等，實(shí)地考察隧道的凍害現(xiàn)象，與工程技術(shù)人員進(jìn)行交流，深入了解凍害的發(fā)生過(guò)程和防治措施的實(shí)施效果。通過(guò)對(duì)不同案例的對(duì)比分析，總結(jié)凍害的發(fā)生規(guī)律和影響因素，驗(yàn)證理論研究的結(jié)果，為防治措施的提出提供實(shí)際依據(jù)。理論分析法：運(yùn)用材料力學(xué)、熱力學(xué)、傳熱學(xué)、滲流力學(xué)等相關(guān)學(xué)科的理論知識(shí)，對(duì)寒區(qū)巖石隧道凍害的形成機(jī)理、力學(xué)特性以及溫度場(chǎng)和滲流場(chǎng)的分布規(guī)律進(jìn)行深入分析。建立凍害相關(guān)的數(shù)學(xué)模型和理論公式，通過(guò)理論推導(dǎo)和計(jì)算，揭示凍害的本質(zhì)和內(nèi)在規(guī)律，為數(shù)值模擬和工程應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。數(shù)值模擬法：利用ANSYS、FLAC等專(zhuān)業(yè)數(shù)值模擬軟件，建立寒區(qū)巖石隧道的三維數(shù)值模型，模擬隧道在不同工況下的溫度場(chǎng)、滲流場(chǎng)和力學(xué)響應(yīng)。通過(guò)數(shù)值模擬，可以直觀地展示凍害的發(fā)生發(fā)展過(guò)程，分析各種因素對(duì)凍害的影響程度，預(yù)測(cè)隧道的凍害情況，為防治措施的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。同時(shí)，數(shù)值模擬還可以對(duì)不同防治方案進(jìn)行對(duì)比分析，評(píng)估其效果，為實(shí)際工程選擇最優(yōu)方案。二、寒區(qū)巖石隧道凍害案例分析2.1案例選取與基本情況介紹為深入研究寒區(qū)巖石隧道凍害問(wèn)題，選取了位于我國(guó)東北地區(qū)的某鐵路隧道和青藏高原地區(qū)的某公路隧道作為典型案例。這兩個(gè)隧道分別代表了高緯度寒冷地區(qū)和高海拔高寒地區(qū)的隧道工程，其凍害情況具有一定的代表性和研究?jī)r(jià)值。東北地區(qū)的某鐵路隧道，地處北緯45°左右，屬于高緯度寒冷地區(qū)。該地區(qū)冬季漫長(zhǎng)而寒冷，年平均氣溫約為-5℃，最冷月平均氣溫可達(dá)-20℃以下，極端最低氣溫能達(dá)到-40℃。年降水量約為500毫米，且降水主要集中在夏季，冬季降雪量相對(duì)較少，但積雪期長(zhǎng)。隧道全長(zhǎng)3500米，采用雙洞單線形式，襯砌結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土，襯砌厚度為40厘米。隧道穿越的地層主要為花崗巖，圍巖級(jí)別以Ⅲ級(jí)和Ⅳ級(jí)為主，局部存在Ⅴ級(jí)圍巖。該隧道于2005年建成通車(chē)，運(yùn)營(yíng)至今已出現(xiàn)較為嚴(yán)重的凍害問(wèn)題。青藏高原地區(qū)的某公路隧道，位于海拔4000米以上的高海拔高寒地區(qū)。這里氣候條件惡劣，年平均氣溫在-2℃左右，晝夜溫差極大，可達(dá)20℃以上。年降水量較少，約為300毫米，但由于氣溫低，蒸發(fā)量小，地表水資源相對(duì)豐富。隧道全長(zhǎng)2800米，為單洞雙向車(chē)道，襯砌采用混凝土結(jié)構(gòu)，厚度為35厘米。隧道圍巖主要為片麻巖和砂巖，圍巖級(jí)別多為Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)。該隧道于2010年竣工通車(chē)，在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中也面臨著嚴(yán)峻的凍害挑戰(zhàn)。2.2凍害現(xiàn)象及危害呈現(xiàn)東北地區(qū)的鐵路隧道，在冬季運(yùn)營(yíng)時(shí)，襯砌出現(xiàn)了大量裂縫。其中，環(huán)向裂縫較為普遍，每隔5-10米就會(huì)出現(xiàn)一條，裂縫寬度在0.5-2厘米之間，部分裂縫深度貫穿了襯砌厚度的1/3?？v向裂縫也有分布，主要集中在隧道拱頂和邊墻部位，長(zhǎng)度從數(shù)米到十幾米不等。這些裂縫的出現(xiàn)，不僅削弱了襯砌的承載能力，還為地下水的滲漏提供了通道。隧道洞口段的凍脹破壞也十分明顯。洞口處的襯砌混凝土出現(xiàn)了剝落、掉塊現(xiàn)象，部分區(qū)域的襯砌厚度減薄了1/4。洞口附近的路面也因凍脹而隆起，最大隆起高度達(dá)到15厘米，導(dǎo)致車(chē)輛行駛顛簸，嚴(yán)重影響行車(chē)安全。此外，洞口的排水系統(tǒng)也受到凍脹破壞，排水不暢，積水在洞口形成冰溜，進(jìn)一步加劇了凍害的發(fā)展。洞內(nèi)掛冰和積水現(xiàn)象也較為嚴(yán)重。在寒冷季節(jié)，隧道拱頂和邊墻形成了大量冰柱和冰溜，最長(zhǎng)的冰柱可達(dá)2米，嚴(yán)重侵占了隧道的凈空，威脅行車(chē)安全。隧道底部存在積水，積水深度在5-20厘米之間，積水長(zhǎng)時(shí)間結(jié)冰，使得路面變得濕滑，增加了車(chē)輛打滑的風(fēng)險(xiǎn)。青藏高原地區(qū)的公路隧道，凍害現(xiàn)象同樣突出。襯砌裂縫多為斜向裂縫，與水平方向夾角在30°-60°之間，裂縫分布較為密集，每平方米內(nèi)有3-5條裂縫，裂縫寬度在0.3-1.5厘米之間。這些裂縫的產(chǎn)生，主要是由于溫度變化和凍脹力的共同作用，導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中，從而引發(fā)裂縫。隧道洞口段由于受到陽(yáng)光照射和冷空氣的影響，溫度變化更為劇烈，凍脹破壞尤為嚴(yán)重。洞口的襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了明顯的變形，向洞內(nèi)擠壓，變形量達(dá)到10-20厘米，導(dǎo)致洞口的凈空減小，影響車(chē)輛的正常通行。洞口的邊坡也因凍脹而出現(xiàn)坍塌，坍塌面積達(dá)到50-100平方米，對(duì)隧道的結(jié)構(gòu)安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。洞內(nèi)掛冰現(xiàn)象也很普遍，冰柱和冰溜從拱頂和邊墻垂下，厚度在5-20厘米之間，形狀各異。洞內(nèi)還存在積水現(xiàn)象，積水在低溫下結(jié)冰，形成冰面，車(chē)輛行駛在上面極易發(fā)生側(cè)滑，給行車(chē)安全帶來(lái)極大隱患。這些凍害現(xiàn)象對(duì)隧道的結(jié)構(gòu)安全、使用壽命和運(yùn)營(yíng)維護(hù)都產(chǎn)生了嚴(yán)重的危害。在結(jié)構(gòu)安全方面，襯砌裂縫和凍脹破壞削弱了隧道襯砌的承載能力，降低了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，可能導(dǎo)致襯砌坍塌等嚴(yán)重事故。在使用壽命方面，凍害加速了隧道結(jié)構(gòu)的劣化，縮短了隧道的正常使用壽命，增加了隧道提前報(bào)廢的風(fēng)險(xiǎn)。在運(yùn)營(yíng)維護(hù)方面，洞內(nèi)掛冰和積水影響了車(chē)輛的正常行駛，增加了運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)，為了處理凍害問(wèn)題，需要投入大量的人力、物力和財(cái)力進(jìn)行維護(hù)和修復(fù)，增加了運(yùn)營(yíng)成本。2.3案例分析總結(jié)與啟示通過(guò)對(duì)東北地區(qū)鐵路隧道和青藏高原地區(qū)公路隧道這兩個(gè)典型案例的凍害現(xiàn)象及危害的深入分析，可以總結(jié)出寒區(qū)巖石隧道凍害的一些共性和特性。在共性方面，襯砌裂縫是兩個(gè)案例中都普遍存在的凍害現(xiàn)象，且裂縫的產(chǎn)生都與溫度變化和凍脹力密切相關(guān)。東北地區(qū)鐵路隧道的環(huán)向裂縫和縱向裂縫，以及青藏高原公路隧道的斜向裂縫，雖然方向和形態(tài)有所不同，但都是由于溫度降低導(dǎo)致襯砌混凝土收縮，同時(shí)凍脹力作用于襯砌，當(dāng)襯砌所受應(yīng)力超過(guò)其極限強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生裂縫。這表明溫度和凍脹力是導(dǎo)致襯砌裂縫的主要因素，在寒區(qū)隧道的設(shè)計(jì)和施工中，必須充分考慮這兩個(gè)因素對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的影響。隧道洞口段的凍脹破壞也是共性之一。兩個(gè)案例中的隧道洞口段都出現(xiàn)了不同程度的凍脹破壞，如襯砌混凝土剝落、掉塊，路面隆起，排水系統(tǒng)損壞等。這是因?yàn)槎纯诙沃苯颖┞对谕饨绛h(huán)境中，受氣溫變化影響較大，冬季氣溫急劇下降時(shí)，洞口段的襯砌和圍巖更容易發(fā)生凍結(jié)，產(chǎn)生凍脹力，從而導(dǎo)致凍脹破壞。此外，洞口段的施工質(zhì)量和防排水措施不到位，也會(huì)加劇凍脹破壞的程度。洞內(nèi)掛冰和積水現(xiàn)象同樣是共性表現(xiàn)。在寒冷季節(jié)，兩個(gè)隧道內(nèi)都出現(xiàn)了掛冰和積水問(wèn)題，這不僅影響了隧道的正常使用，還對(duì)行車(chē)安全構(gòu)成了威脅。掛冰和積水的產(chǎn)生主要是由于隧道內(nèi)的排水系統(tǒng)不暢，地下水或滲漏水在低溫下結(jié)冰，形成冰柱和冰溜，同時(shí)積水也會(huì)在路面結(jié)冰，使路面變得濕滑。這說(shuō)明完善隧道的排水系統(tǒng)，確保排水暢通，是預(yù)防洞內(nèi)掛冰和積水的關(guān)鍵。在特性方面，由于地理位置和氣候條件的差異，兩個(gè)案例中的凍害也存在一些不同之處。東北地區(qū)鐵路隧道所在地區(qū)冬季漫長(zhǎng)寒冷，年平均氣溫較低，降雪量相對(duì)較少但積雪期長(zhǎng)，其凍害主要受低溫和積雪的影響。而青藏高原地區(qū)公路隧道位于高海拔高寒地區(qū)，晝夜溫差極大，年降水量較少但地表水資源相對(duì)豐富，其凍害除了受低溫影響外，還受到強(qiáng)風(fēng)、太陽(yáng)輻射等因素的影響。例如，青藏高原地區(qū)的強(qiáng)風(fēng)會(huì)加速隧道內(nèi)熱量的散失，使隧道內(nèi)溫度更低，加劇凍害的發(fā)生；太陽(yáng)輻射則會(huì)導(dǎo)致隧道洞口段溫度變化更為劇烈，增加凍脹破壞的風(fēng)險(xiǎn)。圍巖條件的不同也導(dǎo)致了凍害的特性差異。東北地區(qū)鐵路隧道穿越的地層主要為花崗巖，圍巖級(jí)別相對(duì)較高，而青藏高原地區(qū)公路隧道圍巖主要為片麻巖和砂巖，圍巖級(jí)別多為Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)，相對(duì)較低。不同的圍巖條件對(duì)凍害的發(fā)展有不同的影響，花崗巖的強(qiáng)度和穩(wěn)定性較高，在一定程度上可以抵抗凍脹力的作用，但當(dāng)凍脹力超過(guò)其承受能力時(shí)，仍會(huì)發(fā)生破壞；片麻巖和砂巖的強(qiáng)度和穩(wěn)定性相對(duì)較低，更容易受到凍脹力的影響，導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)的變形和破壞。這些案例分析結(jié)果為后續(xù)凍害機(jī)理分析和防治措施研究提供了重要啟示。在凍害機(jī)理分析方面，要充分考慮溫度、凍脹力、水、圍巖條件等多種因素的相互作用，以及不同地區(qū)的氣候和地質(zhì)特點(diǎn)，建立更加準(zhǔn)確和全面的凍害機(jī)理模型。例如，在研究?jī)雒浟Φ漠a(chǎn)生機(jī)制時(shí)，不僅要考慮水冰相變時(shí)的體積膨脹，還要考慮圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)、溫度變化對(duì)圍巖的影響以及襯砌結(jié)構(gòu)對(duì)凍脹變形的約束作用等因素。在防治措施研究方面，應(yīng)根據(jù)凍害的共性和特性，制定針對(duì)性的防治方案。對(duì)于共性問(wèn)題，如襯砌裂縫、洞口段凍脹破壞和洞內(nèi)掛冰積水等，要采取通用的防治措施，如優(yōu)化襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高襯砌的抗凍能力；加強(qiáng)洞口段的保溫和防排水措施，減少凍脹破壞的發(fā)生；完善隧道排水系統(tǒng)，確保排水暢通，防止掛冰和積水。對(duì)于特性問(wèn)題，要結(jié)合不同地區(qū)的實(shí)際情況，采取因地制宜的防治措施。例如，在高海拔高寒地區(qū)，要考慮強(qiáng)風(fēng)、太陽(yáng)輻射等因素對(duì)隧道的影響，采取加強(qiáng)保溫、防風(fēng)、遮陽(yáng)等措施；在圍巖條件較差的地區(qū)，要加強(qiáng)對(duì)圍巖的加固處理，提高圍巖的穩(wěn)定性，以減少凍害的發(fā)生。三、寒區(qū)巖石隧道凍害機(jī)理分析3.1凍害形成的基本條件3.1.1低溫條件分析寒區(qū)的氣候特點(diǎn)是凍害形成的關(guān)鍵因素之一。以我國(guó)東北地區(qū)為例，冬季漫長(zhǎng)且寒冷，年平均氣溫較低，像黑龍江省的部分地區(qū)，年平均氣溫在-5℃左右，最冷月平均氣溫可達(dá)-20℃以下，低溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)4-5個(gè)月。在這樣的低溫環(huán)境下，隧道內(nèi)的溫度也會(huì)隨之降低，當(dāng)溫度降至0℃以下時(shí)，就為水分凍結(jié)提供了條件。溫度變化對(duì)凍害形成有著顯著影響。晝夜溫差和季節(jié)溫差會(huì)導(dǎo)致隧道襯砌和圍巖產(chǎn)生熱脹冷縮現(xiàn)象。例如，在青藏高原地區(qū)，晝夜溫差可達(dá)20℃以上，白天陽(yáng)光照射使隧道表面溫度升高，襯砌和圍巖膨脹；夜晚溫度急劇下降，又會(huì)收縮。這種反復(fù)的溫度變化使得襯砌和圍巖內(nèi)部產(chǎn)生溫度應(yīng)力，長(zhǎng)期作用下，容易導(dǎo)致襯砌開(kāi)裂、剝落等凍害現(xiàn)象。低溫持續(xù)時(shí)間也至關(guān)重要。如果低溫持續(xù)時(shí)間較短，水分可能來(lái)不及充分凍結(jié)，凍害的程度相對(duì)較輕。但當(dāng)?shù)蜏爻掷m(xù)時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，水分會(huì)完全凍結(jié)，并且隨著時(shí)間的推移，凍結(jié)深度會(huì)不斷增加，凍脹力也會(huì)逐漸增大。以某寒區(qū)隧道為例，在連續(xù)一個(gè)月平均氣溫低于-10℃的情況下，隧道襯砌背后的圍巖凍結(jié)深度達(dá)到了1-2米，導(dǎo)致襯砌受到的凍脹力顯著增大，出現(xiàn)了多處裂縫。3.1.2水源條件探究隧道圍巖地下水是凍害形成的重要水源之一。在寒區(qū)，地下水的分布受到地質(zhì)構(gòu)造和地形條件的影響。例如，在山區(qū)，地下水通常沿著巖石的裂隙和節(jié)理流動(dòng)，當(dāng)隧道穿越這些區(qū)域時(shí)，地下水就會(huì)與隧道襯砌接觸。在東北地區(qū)的某鐵路隧道，由于隧道穿越了富水的花崗巖地層，地下水豐富，在冬季低溫時(shí)，這些地下水在襯砌背后凍結(jié)，形成冰體，產(chǎn)生凍脹力，導(dǎo)致襯砌變形和開(kāi)裂。施工用水也是不可忽視的水源。在隧道施工過(guò)程中，為了保證混凝土的澆筑質(zhì)量和降塵等需求，會(huì)使用大量的水。如果施工過(guò)程中排水不暢，這些施工用水就會(huì)積聚在隧道周?chē)Ｈ缭谀澈畢^(qū)隧道施工時(shí)，由于排水系統(tǒng)不完善，施工用水在隧道底部和襯砌背后積聚，冬季時(shí)，這些積水凍結(jié)，使得隧道底部隆起，襯砌受到擠壓破壞。地表水也可能成為凍害的水源。在寒區(qū)，降雪量大，積雪融化后形成的地表水如果不能及時(shí)排出，就會(huì)滲入隧道。例如，在一些隧道洞口段，由于洞口周?chē)呐潘O(shè)施不完善，春季積雪融化時(shí)，地表水大量涌入隧道，在低溫下凍結(jié)，造成洞口段的凍脹破壞。這些水源在凍害形成中起著關(guān)鍵作用。當(dāng)水分存在于隧道襯砌和圍巖中時(shí)，在低溫條件下，水會(huì)結(jié)冰，體積膨脹約9%。這種體積膨脹會(huì)對(duì)周?chē)囊r砌和圍巖產(chǎn)生凍脹力，當(dāng)凍脹力超過(guò)襯砌和圍巖的承載能力時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致襯砌開(kāi)裂、剝落，圍巖松動(dòng)等凍害現(xiàn)象。而且，水分的存在還會(huì)加速襯砌和圍巖的風(fēng)化和侵蝕，進(jìn)一步降低結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。3.1.3圍巖與襯砌條件研究圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)凍害形成有重要影響。不同類(lèi)型的圍巖，其抗凍性能和力學(xué)特性存在差異。例如，花崗巖等硬質(zhì)巖石，強(qiáng)度較高，孔隙率較小，抗凍性能相對(duì)較好；而頁(yè)巖、砂巖等軟質(zhì)巖石，強(qiáng)度較低，孔隙率較大，在凍結(jié)過(guò)程中，水分更容易侵入，且?guī)r石的膨脹和收縮變形較大，容易發(fā)生凍脹破壞。在青藏高原地區(qū)的某公路隧道，圍巖主要為片麻巖，由于片麻巖的結(jié)構(gòu)較為松散，孔隙率較大，在低溫作用下，水分侵入孔隙并凍結(jié)，導(dǎo)致圍巖體積膨脹，對(duì)襯砌產(chǎn)生較大的凍脹力，使襯砌出現(xiàn)了嚴(yán)重的裂縫和變形。圍巖的含水量和飽和度也是影響凍害的重要因素。當(dāng)圍巖含水量較高且飽和度較大時(shí)，在凍結(jié)過(guò)程中，水分結(jié)冰產(chǎn)生的凍脹力會(huì)更大。研究表明，當(dāng)圍巖的飽和度達(dá)到80%以上時(shí)，凍脹力會(huì)顯著增加。如在東北地區(qū)的某鐵路隧道，部分圍巖的飽和度達(dá)到了90%，在冬季低溫時(shí)，這些圍巖發(fā)生了強(qiáng)烈的凍脹，對(duì)襯砌造成了嚴(yán)重的破壞。襯砌的結(jié)構(gòu)和材料特性同樣對(duì)凍害形成有影響。襯砌結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度決定了其抵抗凍脹力的能力。例如，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的襯砌，由于鋼筋的增強(qiáng)作用，其剛度和強(qiáng)度較大，能夠在一定程度上抵抗凍脹力；而采用普通混凝土結(jié)構(gòu)的襯砌，在相同的凍脹力作用下，更容易發(fā)生開(kāi)裂和變形。在某寒區(qū)隧道中，采用普通混凝土襯砌的段落，凍害現(xiàn)象較為嚴(yán)重，出現(xiàn)了大量的裂縫和剝落；而采用鋼筋混凝土襯砌的段落，凍害程度相對(duì)較輕。襯砌材料的抗凍性能也至關(guān)重要。一些抗凍性能較差的材料，在反復(fù)凍融循環(huán)作用下，其物理力學(xué)性能會(huì)逐漸劣化，導(dǎo)致襯砌的耐久性降低。例如，普通混凝土在凍融循環(huán)過(guò)程中，內(nèi)部的孔隙會(huì)逐漸擴(kuò)大，水分更容易侵入，從而加速混凝土的破壞。而添加了引氣劑等外加劑的混凝土，能夠在內(nèi)部形成微小氣泡，緩解凍脹壓力，提高抗凍性能。在實(shí)際工程中，使用抗凍混凝土的襯砌，在相同的凍害條件下，其損壞程度明顯低于普通混凝土襯砌。3.2凍脹力的產(chǎn)生與作用機(jī)制3.2.1凍脹力產(chǎn)生原理凍脹力的產(chǎn)生與水的物理性質(zhì)密切相關(guān)。水在結(jié)冰時(shí)，其體積會(huì)膨脹約9%，這是凍脹力產(chǎn)生的基本物理原因。當(dāng)寒區(qū)隧道周?chē)膸r體或土體中存在水分時(shí)，在低溫環(huán)境下，水分會(huì)逐漸凍結(jié)成冰，體積的膨脹使得冰對(duì)周?chē)橘|(zhì)產(chǎn)生壓力，從而形成凍脹力。水分遷移在凍脹力產(chǎn)生過(guò)程中也起著關(guān)鍵作用。在土體或巖體凍結(jié)過(guò)程中，由于溫度梯度的存在，未凍結(jié)區(qū)域的水分會(huì)向凍結(jié)鋒面遷移。這是因?yàn)閮鼋Y(jié)鋒面附近的水在結(jié)冰過(guò)程中，會(huì)形成冰晶體，使得該區(qū)域的孔隙水壓力降低，從而產(chǎn)生吸力，吸引未凍結(jié)區(qū)域的水分向其移動(dòng)。例如，在某寒區(qū)隧道的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)中發(fā)現(xiàn)，在隧道襯砌背后的圍巖中，當(dāng)溫度降低時(shí)，距離凍結(jié)鋒面一定距離內(nèi)的水分會(huì)逐漸向凍結(jié)區(qū)域遷移，導(dǎo)致凍結(jié)區(qū)域的含水量增加，進(jìn)一步增大了凍脹力。土顆粒的性質(zhì)和排列方式也會(huì)影響凍脹力的產(chǎn)生。細(xì)顆粒土，如黏土和粉土，由于其顆粒細(xì)小，比表面積大，對(duì)水分的吸附能力強(qiáng)，且孔隙較小，水分遷移困難，更容易發(fā)生凍脹現(xiàn)象。當(dāng)土顆粒間的孔隙被水分填充并凍結(jié)時(shí)，冰的膨脹會(huì)受到土顆粒的約束，從而產(chǎn)生較大的凍脹力。而粗顆粒土，如砂土和礫石，孔隙較大，水分容易排出，凍脹性相對(duì)較弱。3.2.2凍脹力對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的作用方式凍脹力對(duì)隧道襯砌主要產(chǎn)生擠壓和拉伸作用。在隧道襯砌背后的圍巖凍結(jié)時(shí)，凍脹力會(huì)使圍巖向襯砌方向擠壓，襯砌受到來(lái)自周?chē)膲毫?。?dāng)凍脹力超過(guò)襯砌的抗壓強(qiáng)度時(shí)，襯砌會(huì)出現(xiàn)壓碎、剝落等破壞現(xiàn)象。在一些寒區(qū)隧道中，由于凍脹力的長(zhǎng)期作用，襯砌的邊墻和拱頂出現(xiàn)了混凝土剝落、鋼筋外露的情況。當(dāng)襯砌結(jié)構(gòu)存在約束，阻止圍巖的凍脹變形時(shí)，會(huì)在襯砌內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力。尤其是在襯砌的薄弱部位，如施工縫、變形縫處，拉應(yīng)力更容易集中，導(dǎo)致襯砌出現(xiàn)裂縫。例如，某寒區(qū)隧道的襯砌施工縫處，由于施工質(zhì)量問(wèn)題，防水和密封效果不佳，在凍脹力的作用下，施工縫處出現(xiàn)了明顯的開(kāi)裂，裂縫寬度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸擴(kuò)大。凍脹力也會(huì)對(duì)隧道圍巖產(chǎn)生影響。它會(huì)改變圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，使圍巖內(nèi)部的應(yīng)力重新分布。當(dāng)凍脹力較大時(shí)，圍巖會(huì)發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致圍巖的強(qiáng)度和穩(wěn)定性降低。在一些軟弱圍巖地段，凍脹力可能會(huì)使圍巖產(chǎn)生松動(dòng)、坍塌等現(xiàn)象，進(jìn)而影響隧道的結(jié)構(gòu)安全。如在某隧道穿越的頁(yè)巖地層中，由于凍脹力的作用，圍巖出現(xiàn)了明顯的松動(dòng)，局部地段發(fā)生了小型坍塌，對(duì)隧道的正常施工和運(yùn)營(yíng)造成了嚴(yán)重影響。3.2.3凍脹力影響因素分析溫度是影響凍脹力大小和分布的重要因素。溫度越低，水分凍結(jié)速度越快，凍脹力增長(zhǎng)也越快。低溫持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，水分遷移越充分，凍脹力也會(huì)相應(yīng)增大。在某寒區(qū)隧道的數(shù)值模擬中，當(dāng)冬季平均氣溫從-10℃降低到-15℃時(shí)，隧道襯砌所受的凍脹力增加了20%左右。含水量是決定凍脹力大小的關(guān)鍵因素之一。含水量越高，凍結(jié)時(shí)產(chǎn)生的凍脹量越大，凍脹力也就越大。研究表明，當(dāng)土體的含水量達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，凍脹力達(dá)到最大值。在實(shí)際工程中，隧道圍巖的含水量受到地下水水位、降水等因素的影響。如在地下水水位較高的地區(qū)，隧道施工過(guò)程中如果排水措施不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致圍巖含水量過(guò)高，增加凍害風(fēng)險(xiǎn)。圍巖性質(zhì)對(duì)凍脹力也有顯著影響。不同類(lèi)型的圍巖，其物理力學(xué)性質(zhì)不同，凍脹特性也存在差異。如前所述，細(xì)顆粒土的凍脹性較強(qiáng)，而粗顆粒土的凍脹性較弱。此外，圍巖的孔隙率、滲透率等因素也會(huì)影響水分的遷移和凍脹力的產(chǎn)生?？紫堵蚀蟮膰鷰r，水分容易儲(chǔ)存和遷移，凍脹力相對(duì)較大；滲透率高的圍巖，水分排出相對(duì)容易，凍脹力會(huì)有所降低。在某寒區(qū)隧道中，穿越的花崗巖地層孔隙率較小，凍脹力相對(duì)較小；而穿越的砂質(zhì)泥巖地層孔隙率較大，凍脹力明顯增大，導(dǎo)致該地段的隧道襯砌出現(xiàn)了較多裂縫。3.3其他影響凍害的因素探討3.3.1隧道通風(fēng)與熱交換影響隧道通風(fēng)是影響隧道內(nèi)溫度場(chǎng)的重要因素之一。在寒區(qū)，隧道通風(fēng)會(huì)導(dǎo)致隧道內(nèi)空氣與外界冷空氣進(jìn)行熱交換，從而改變隧道內(nèi)的溫度分布。當(dāng)外界氣溫較低時(shí)，通風(fēng)會(huì)使隧道內(nèi)的熱量迅速散失，導(dǎo)致隧道內(nèi)溫度下降。例如，在東北地區(qū)的某寒區(qū)隧道，冬季通風(fēng)時(shí)，隧道內(nèi)的平均溫度會(huì)在短時(shí)間內(nèi)下降5-10℃，尤其是在通風(fēng)口附近，溫度下降更為明顯，可達(dá)到15℃左右。這種溫度的急劇下降，使得隧道襯砌和圍巖更容易達(dá)到冰點(diǎn)以下，為水分凍結(jié)創(chuàng)造了條件，進(jìn)而增加了凍害發(fā)生的可能性。通風(fēng)方式對(duì)熱交換和凍害有著顯著影響。自然通風(fēng)時(shí)，隧道內(nèi)空氣的流動(dòng)主要依靠自然風(fēng)壓差和溫度差，這種通風(fēng)方式下，隧道內(nèi)的熱交換相對(duì)較為緩慢，但通風(fēng)量和通風(fēng)效果不穩(wěn)定。在一些山區(qū)寒區(qū)隧道，由于地形復(fù)雜，自然通風(fēng)效果不佳，導(dǎo)致隧道內(nèi)部分區(qū)域通風(fēng)不暢，熱量積聚，而部分區(qū)域通風(fēng)過(guò)度，熱量散失過(guò)快，形成溫度梯度，使得隧道襯砌和圍巖在不同部位受到不同程度的溫度應(yīng)力作用，容易引發(fā)裂縫等凍害現(xiàn)象。機(jī)械通風(fēng)則可以通過(guò)風(fēng)機(jī)等設(shè)備主動(dòng)控制通風(fēng)量和通風(fēng)方向，使隧道內(nèi)空氣流動(dòng)更加均勻。然而，如果機(jī)械通風(fēng)設(shè)計(jì)不合理，如通風(fēng)量過(guò)大或過(guò)小，也會(huì)對(duì)隧道內(nèi)溫度場(chǎng)產(chǎn)生不利影響。通風(fēng)量過(guò)大時(shí)，會(huì)加速隧道內(nèi)熱量的散失，使隧道內(nèi)溫度過(guò)低；通風(fēng)量過(guò)小時(shí)，又無(wú)法有效排出隧道內(nèi)的濕氣和熱量，導(dǎo)致濕度增加，在低溫下容易形成結(jié)冰現(xiàn)象。在某寒區(qū)隧道采用機(jī)械通風(fēng)時(shí)，由于通風(fēng)量設(shè)置過(guò)大，冬季隧道內(nèi)的溫度經(jīng)常低于-10℃，比設(shè)計(jì)溫度低了5℃左右，使得隧道內(nèi)的凍害問(wèn)題更加嚴(yán)重，襯砌出現(xiàn)了大量裂縫，洞內(nèi)掛冰現(xiàn)象也十分普遍。隧道內(nèi)的熱交換還受到通風(fēng)時(shí)間的影響。在寒冷季節(jié)，長(zhǎng)時(shí)間通風(fēng)會(huì)使隧道內(nèi)溫度持續(xù)下降，增加凍害風(fēng)險(xiǎn)。如果在夜間或氣溫較低的時(shí)段進(jìn)行通風(fēng)，會(huì)進(jìn)一步加劇隧道內(nèi)的熱量散失。相反，合理控制通風(fēng)時(shí)間，在氣溫相對(duì)較高的時(shí)段通風(fēng)，可以減少熱交換對(duì)隧道內(nèi)溫度場(chǎng)的不利影響。在某寒區(qū)隧道的運(yùn)營(yíng)管理中，通過(guò)調(diào)整通風(fēng)時(shí)間，將通風(fēng)時(shí)間集中在白天10點(diǎn)至下午4點(diǎn)之間，此時(shí)外界氣溫相對(duì)較高，隧道內(nèi)的溫度下降幅度明顯減小，凍害問(wèn)題得到了一定程度的緩解。3.3.2施工質(zhì)量與工藝的作用施工質(zhì)量對(duì)隧道凍害有著至關(guān)重要的影響。襯砌厚度不足是常見(jiàn)的施工質(zhì)量問(wèn)題之一。在一些寒區(qū)隧道施工中，由于施工技術(shù)不過(guò)關(guān)或施工管理不善，導(dǎo)致襯砌厚度未達(dá)到設(shè)計(jì)要求。例如，某寒區(qū)隧道設(shè)計(jì)襯砌厚度為50厘米，但實(shí)際施工中部分段落的襯砌厚度僅為40厘米，甚至更薄。襯砌厚度不足會(huì)削弱襯砌的承載能力和抗凍能力，在凍脹力的作用下，更容易發(fā)生開(kāi)裂和變形。當(dāng)襯砌厚度減小時(shí)，其抵抗凍脹力的有效面積減小，單位面積上承受的凍脹力增大，從而增加了襯砌破壞的風(fēng)險(xiǎn)。研究表明，襯砌厚度每減少10%，其抗凍脹能力會(huì)降低20%-30%。防水處理不當(dāng)也是導(dǎo)致凍害的重要原因。隧道防水是防止地下水滲入隧道內(nèi)部的關(guān)鍵措施，如果防水處理不到位，地下水會(huì)在襯砌背后積聚，在低溫下凍結(jié)，產(chǎn)生凍脹力。一些隧道在施工過(guò)程中，防水板鋪設(shè)不嚴(yán)密，存在破損、焊接不牢固等問(wèn)題，導(dǎo)致防水效果不佳。在某寒區(qū)隧道中，由于防水板焊接質(zhì)量差，出現(xiàn)了多處漏水點(diǎn)，冬季時(shí)，這些漏水點(diǎn)周?chē)囊r砌背后積水凍結(jié)，形成冰體，對(duì)襯砌產(chǎn)生擠壓，導(dǎo)致襯砌出現(xiàn)裂縫和剝落現(xiàn)象。此外，施工縫和變形縫的防水處理也至關(guān)重要。如果施工縫和變形縫處的止水帶安裝不規(guī)范，密封材料老化、失效等，也會(huì)使地下水滲漏進(jìn)入隧道，引發(fā)凍害。施工工藝對(duì)隧道凍害也有影響。在混凝土澆筑過(guò)程中，如果振搗不密實(shí)，會(huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部存在空隙，降低混凝土的強(qiáng)度和抗?jié)B性。這些空隙還會(huì)為水分的積聚提供空間，在寒冷條件下，水分結(jié)冰膨脹，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。在某寒區(qū)隧道的混凝土澆筑施工中，由于振搗不均勻，部分區(qū)域的混凝土出現(xiàn)蜂窩麻面現(xiàn)象，這些部位在凍融循環(huán)作用下，混凝土逐漸剝落，鋼筋銹蝕，嚴(yán)重影響了隧道的結(jié)構(gòu)安全。噴射混凝土施工工藝也會(huì)影響隧道的抗凍性能。噴射混凝土的配合比、噴射壓力、噴射厚度等參數(shù)如果控制不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致噴射混凝土的質(zhì)量不穩(wěn)定。配合比不合理會(huì)使噴射混凝土的強(qiáng)度和耐久性降低；噴射壓力不足會(huì)導(dǎo)致混凝土與圍巖粘結(jié)不牢固；噴射厚度不均勻會(huì)使隧道襯砌的受力不均勻。在某寒區(qū)隧道的噴射混凝土施工中，由于噴射壓力不足，混凝土與圍巖之間存在脫空現(xiàn)象，在凍脹力的作用下，脫空部位的襯砌容易發(fā)生變形和開(kāi)裂，從而引發(fā)凍害。3.3.3地質(zhì)條件的影響分析地質(zhì)構(gòu)造對(duì)隧道凍害有著重要影響。在斷層、節(jié)理等地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育的區(qū)域，巖石的完整性受到破壞，地下水更容易滲透和積聚。斷層帶附近的巖石破碎，孔隙率增大，為水分的儲(chǔ)存和遷移提供了通道。當(dāng)隧道穿越這些區(qū)域時(shí)，在寒冷季節(jié)，地下水容易在襯砌背后凍結(jié)，產(chǎn)生凍脹力，導(dǎo)致隧道襯砌開(kāi)裂、變形。在某寒區(qū)隧道穿越斷層帶時(shí)，由于斷層帶內(nèi)的巖石破碎，地下水豐富，冬季時(shí)，隧道襯砌受到的凍脹力明顯增大，出現(xiàn)了大量的裂縫，部分段落的襯砌甚至發(fā)生了坍塌。褶皺構(gòu)造也會(huì)影響隧道凍害的發(fā)生。在褶皺區(qū)域，巖石的應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，容易產(chǎn)生裂縫和變形。褶皺的軸部和翼部，巖石的受力情況不同，在凍脹力的作用下，更容易出現(xiàn)破壞。褶皺軸部的巖石受擠壓作用，應(yīng)力集中，當(dāng)受到凍脹力時(shí)，裂縫更容易擴(kuò)展；褶皺翼部的巖石則受到拉伸和剪切作用，強(qiáng)度相對(duì)較低，也容易在凍脹力的作用下發(fā)生破壞。在某寒區(qū)隧道穿越褶皺區(qū)域時(shí)，隧道襯砌在褶皺軸部和翼部出現(xiàn)了不同程度的裂縫和變形，嚴(yán)重影響了隧道的結(jié)構(gòu)安全。巖石類(lèi)型是影響隧道凍害的重要地質(zhì)條件之一。不同類(lèi)型的巖石，其物理力學(xué)性質(zhì)和抗凍性能存在差異?；◢弾r、石灰?guī)r等硬質(zhì)巖石，強(qiáng)度較高，孔隙率較小，抗凍性能相對(duì)較好。這些巖石在凍結(jié)過(guò)程中，水分難以侵入，且?guī)r石的膨脹和收縮變形較小，能夠較好地抵抗凍脹力的作用。而頁(yè)巖、砂巖等軟質(zhì)巖石，強(qiáng)度較低，孔隙率較大，在凍結(jié)過(guò)程中，水分容易侵入，且?guī)r石的膨脹和收縮變形較大，容易發(fā)生凍脹破壞。在某寒區(qū)隧道穿越頁(yè)巖地層時(shí)，由于頁(yè)巖的抗凍性能較差，在冬季低溫時(shí)，頁(yè)巖中的水分凍結(jié)膨脹，對(duì)隧道襯砌產(chǎn)生了較大的凍脹力，導(dǎo)致襯砌出現(xiàn)了大量裂縫和變形。巖石的含水量和飽和度也會(huì)影響隧道凍害的發(fā)生。含水量高的巖石，在凍結(jié)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的凍脹力。當(dāng)巖石的飽和度達(dá)到一定程度時(shí)，凍脹力會(huì)急劇增大。在某寒區(qū)隧道的圍巖中，部分巖石的含水量較高，飽和度達(dá)到了85%以上，在冬季凍結(jié)時(shí)，這些巖石的凍脹力比含水量較低的巖石高出30%-50%，對(duì)隧道襯砌的破壞作用更加明顯。因此，在寒區(qū)隧道的設(shè)計(jì)和施工中，需要充分考慮巖石類(lèi)型、含水量等地質(zhì)條件對(duì)凍害的影響，采取相應(yīng)的防治措施，以確保隧道的安全運(yùn)營(yíng)。四、寒區(qū)巖石隧道凍害防治方法研究4.1工程設(shè)計(jì)中的防治措施4.1.1優(yōu)化隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理選擇隧道斷面形狀對(duì)提高隧道抗凍能力至關(guān)重要。在寒區(qū)，應(yīng)優(yōu)先考慮采用圓形或接近圓形的斷面形狀。圓形斷面的受力性能較為均勻，能夠有效分散凍脹力，減少襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中。與矩形或馬蹄形斷面相比，圓形斷面在相同的凍脹力作用下，襯砌所承受的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力更小，從而降低了襯砌開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。在某寒區(qū)隧道的設(shè)計(jì)中，通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)比了圓形、馬蹄形和矩形三種斷面形狀在凍脹力作用下的應(yīng)力分布情況。結(jié)果顯示，圓形斷面襯砌的最大拉應(yīng)力比馬蹄形斷面降低了30%左右，比矩形斷面降低了40%以上。因此，在該隧道的實(shí)際設(shè)計(jì)中，采用了圓形斷面，有效提高了隧道的抗凍性能。增加襯砌厚度也是提高隧道抗凍能力的重要措施。適當(dāng)增加襯砌厚度可以增強(qiáng)襯砌的承載能力，使其更好地抵抗凍脹力的作用。當(dāng)襯砌厚度增加時(shí)，襯砌的慣性矩增大，抗彎剛度提高，從而能夠承受更大的凍脹力。在某寒區(qū)隧道的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)襯砌厚度較薄的段落凍害現(xiàn)象較為嚴(yán)重，出現(xiàn)了較多的裂縫和剝落。通過(guò)對(duì)這些段落進(jìn)行加固處理，增加襯砌厚度后，凍害得到了有效緩解。根據(jù)相關(guān)研究和工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于寒區(qū)隧道，在設(shè)計(jì)允許的情況下，襯砌厚度可適當(dāng)增加10%-20%，以提高其抗凍能力。在襯砌結(jié)構(gòu)中合理設(shè)置變形縫和伸縮縫，可以有效釋放溫度應(yīng)力和凍脹力。變形縫和伸縮縫能夠適應(yīng)隧道結(jié)構(gòu)因溫度變化和凍脹變形而產(chǎn)生的位移，避免因過(guò)大的應(yīng)力導(dǎo)致襯砌開(kāi)裂。在設(shè)置變形縫和伸縮縫時(shí)，應(yīng)根據(jù)隧道的長(zhǎng)度、地質(zhì)條件、溫度變化等因素合理確定其間距和構(gòu)造形式。一般來(lái)說(shuō)，變形縫的間距不宜過(guò)大，在寒區(qū)隧道中，變形縫間距可控制在10-20米之間。同時(shí)，變形縫和伸縮縫的止水和密封措施也非常重要，應(yīng)采用可靠的止水材料和密封工藝，防止地下水滲入縫內(nèi)，引發(fā)凍害。在某寒區(qū)隧道的設(shè)計(jì)中，通過(guò)優(yōu)化變形縫和伸縮縫的設(shè)置，采用了新型的止水帶和密封膠，有效減少了因溫度應(yīng)力和凍脹力導(dǎo)致的襯砌裂縫，提高了隧道的抗凍性能。4.1.2加強(qiáng)保溫設(shè)計(jì)使用保溫材料是加強(qiáng)隧道保溫設(shè)計(jì)的關(guān)鍵措施之一。目前，常用的保溫材料有聚苯乙烯泡沫板、聚氨酯泡沫板、巖棉板等。聚苯乙烯泡沫板具有質(zhì)輕、保溫性能好、價(jià)格相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)，其導(dǎo)熱系數(shù)一般在0.03-0.04W/(m?K)之間，能夠有效阻止熱量的傳遞。在某寒區(qū)隧道的保溫工程中，采用了5厘米厚的聚苯乙烯泡沫板作為保溫層，經(jīng)過(guò)實(shí)際監(jiān)測(cè)，隧道內(nèi)的溫度在冬季得到了明顯提升，比未使用保溫材料時(shí)提高了5-8℃，有效減少了凍害的發(fā)生。聚氨酯泡沫板的保溫性能更為優(yōu)異，導(dǎo)熱系數(shù)可低至0.02-0.025W/(m?K)，且具有良好的防水、防潮性能。在一些對(duì)保溫要求較高的寒區(qū)隧道中，常采用聚氨酯泡沫板作為保溫材料。如在某高海拔寒區(qū)隧道，由于氣候條件惡劣，對(duì)保溫要求極高，采用了噴涂聚氨酯泡沫的方式進(jìn)行保溫施工，形成了連續(xù)、無(wú)縫的保溫層，大大提高了隧道的保溫效果，有效降低了凍害風(fēng)險(xiǎn)。巖棉板則具有防火性能好、耐久性強(qiáng)等特點(diǎn)，但其保溫性能相對(duì)前兩者略差，導(dǎo)熱系數(shù)一般在0.04-0.05W/(m?K)之間。在一些對(duì)防火要求較高的寒區(qū)隧道中，巖棉板是一種合適的選擇。在某寒區(qū)公路隧道的保溫設(shè)計(jì)中，考慮到隧道內(nèi)車(chē)輛行駛存在火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，采用了巖棉板作為保溫材料，在保證一定保溫效果的同時(shí)，提高了隧道的防火安全性。設(shè)置保溫層時(shí)，需根據(jù)隧道的具體情況確定其位置和厚度。保溫層可設(shè)置在初期支護(hù)與二次襯砌之間，也可設(shè)置在二次襯砌表面。設(shè)置在初期支護(hù)與二次襯砌之間時(shí)，保溫層能夠更好地保護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)，減少溫度變化對(duì)襯砌的影響；設(shè)置在二次襯砌表面時(shí)，施工相對(duì)方便，且便于后期維護(hù)和更換。保溫層的厚度應(yīng)根據(jù)隧道所在地區(qū)的氣候條件、圍巖溫度、隧道結(jié)構(gòu)等因素通過(guò)熱工計(jì)算確定。在嚴(yán)寒地區(qū)，保溫層厚度一般在5-10厘米之間；在寒冷地區(qū)，保溫層厚度可適當(dāng)減小，一般為3-5厘米。在某寒區(qū)鐵路隧道的設(shè)計(jì)中，通過(guò)熱工計(jì)算，確定在初期支護(hù)與二次襯砌之間設(shè)置8厘米厚的聚氨酯泡沫板保溫層，經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)，保溫效果良好，隧道內(nèi)溫度穩(wěn)定，凍害得到了有效控制。為進(jìn)一步提高保溫效果，可采用多層保溫結(jié)構(gòu)。多層保溫結(jié)構(gòu)是將不同類(lèi)型的保溫材料組合使用，充分發(fā)揮各材料的優(yōu)勢(shì)。例如，在某寒區(qū)隧道的保溫設(shè)計(jì)中，采用了“聚苯乙烯泡沫板+聚氨酯泡沫板”的雙層保溫結(jié)構(gòu)。先鋪設(shè)一層5厘米厚的聚苯乙烯泡沫板，再在其外側(cè)鋪設(shè)3厘米厚的聚氨酯泡沫板。這種多層保溫結(jié)構(gòu)的保溫效果比單一使用聚苯乙烯泡沫板或聚氨酯泡沫板提高了20%-30%，有效增強(qiáng)了隧道的保溫性能，降低了凍害發(fā)生的可能性。4.1.3完善排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)置排水溝和排水管是完善隧道排水系統(tǒng)的基本措施。在隧道內(nèi)，應(yīng)合理布置排水溝，確保能夠及時(shí)收集和排出地下水及滲漏水。排水溝的坡度應(yīng)根據(jù)隧道的縱坡和排水量合理確定，一般不宜小于0.5%，以保證排水暢通。在某寒區(qū)隧道中，由于排水溝坡度設(shè)置過(guò)小，導(dǎo)致排水不暢，冬季時(shí)積水結(jié)冰，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)造成了嚴(yán)重破壞。后來(lái)通過(guò)調(diào)整排水溝坡度，并增加了排水泵站，有效解決了排水問(wèn)題，減少了凍害的發(fā)生。排水管應(yīng)采用耐低溫、耐腐蝕的材料，如PVC管、HDPE管等。這些材料在低溫環(huán)境下仍能保持良好的性能，不易破裂和老化。在某寒區(qū)隧道的排水系統(tǒng)中，采用了HDPE排水管，經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)營(yíng)，未出現(xiàn)因低溫導(dǎo)致的管道破裂和堵塞問(wèn)題，排水效果良好。排水管的管徑應(yīng)根據(jù)排水量進(jìn)行計(jì)算確定，確保能夠滿(mǎn)足排水需求。在地下水豐富的地段，可適當(dāng)增大排水管的管徑，以提高排水能力。在隧道襯砌背后設(shè)置排水盲管，可有效排除襯砌背后的積水，減少積水對(duì)襯砌的侵蝕和凍脹破壞。排水盲管一般采用打孔波紋管或塑料盲溝，外包土工布，以防止泥沙進(jìn)入管內(nèi)堵塞管道。排水盲管的布置應(yīng)根據(jù)隧道的圍巖情況和地下水分布合理確定，環(huán)向排水盲管的間距一般為5-10米，縱向排水盲管應(yīng)沿隧道兩側(cè)邊墻底部設(shè)置。在某寒區(qū)隧道的施工中，通過(guò)在襯砌背后設(shè)置排水盲管，將襯砌背后的積水及時(shí)排出，大大降低了襯砌因積水凍結(jié)而產(chǎn)生的凍脹破壞風(fēng)險(xiǎn)。采用分區(qū)防水技術(shù)，可將隧道內(nèi)的不同區(qū)域進(jìn)行分隔，分別設(shè)置防水和排水設(shè)施，提高排水系統(tǒng)的針對(duì)性和有效性。對(duì)于地下水豐富的地段，可加強(qiáng)防水和排水措施；對(duì)于相對(duì)干燥的地段，可適當(dāng)簡(jiǎn)化排水系統(tǒng)。在某寒區(qū)隧道的設(shè)計(jì)中，根據(jù)圍巖的富水情況，將隧道分為三個(gè)區(qū)域，分別采用不同的防水和排水措施。在富水區(qū)域，采用了雙層防水板和加密的排水盲管；在中等富水區(qū)域，采用了普通防水板和常規(guī)排水盲管；在干燥區(qū)域，僅設(shè)置了簡(jiǎn)單的排水設(shè)施。通過(guò)這種分區(qū)防水技術(shù)，既保證了排水效果，又降低了工程成本。加強(qiáng)排水系統(tǒng)的維護(hù)管理，定期對(duì)排水溝、排水管、排水盲管等進(jìn)行檢查和清理，確保排水系統(tǒng)的暢通。在冬季來(lái)臨前，應(yīng)對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行全面檢查，及時(shí)修復(fù)損壞的設(shè)施，清除管內(nèi)的雜物和積水，防止冬季排水系統(tǒng)凍結(jié)。在某寒區(qū)隧道的運(yùn)營(yíng)管理中，制定了詳細(xì)的排水系統(tǒng)維護(hù)計(jì)劃，定期對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行檢查和維護(hù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決了排水系統(tǒng)存在的問(wèn)題，保證了排水系統(tǒng)的正常運(yùn)行，有效預(yù)防了凍害的發(fā)生。4.2施工過(guò)程中的防治技術(shù)4.2.1控制施工質(zhì)量確保襯砌施工質(zhì)量是預(yù)防隧道凍害的重要環(huán)節(jié)。在混凝土澆筑過(guò)程中，要嚴(yán)格控制原材料的質(zhì)量，選用優(yōu)質(zhì)的水泥、骨料和外加劑。水泥應(yīng)優(yōu)先選用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，其強(qiáng)度等級(jí)不宜低于42.5，以保證混凝土的強(qiáng)度和耐久性。骨料的級(jí)配應(yīng)合理，含泥量應(yīng)控制在規(guī)定范圍內(nèi)，避免因骨料質(zhì)量問(wèn)題影響混凝土的性能。外加劑的選擇應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況和設(shè)計(jì)要求，如添加減水劑可以提高混凝土的流動(dòng)性和密實(shí)性，減少用水量，從而降低混凝土的孔隙率，提高抗?jié)B性和抗凍性。在混凝土澆筑過(guò)程中，應(yīng)采用合適的振搗設(shè)備和振搗方法，確?；炷琳駬v密實(shí)，避免出現(xiàn)蜂窩、麻面等缺陷。對(duì)于大型隧道，可采用插入式振搗器和附著式振搗器相結(jié)合的方式進(jìn)行振搗。插入式振搗器應(yīng)快插慢拔，振搗點(diǎn)應(yīng)均勻布置，間距不宜大于振搗器作用半徑的1.5倍；附著式振搗器應(yīng)安裝在模板外側(cè)，根據(jù)混凝土的澆筑高度和速度，合理調(diào)整振搗時(shí)間和頻率。在振搗過(guò)程中，要注意觀察混凝土的表面情況，當(dāng)混凝土表面不再出現(xiàn)氣泡、泛漿時(shí)，表明振搗已達(dá)到要求。加強(qiáng)防水施工質(zhì)量控制同樣至關(guān)重要。防水板的鋪設(shè)應(yīng)平整、無(wú)破損，焊接應(yīng)牢固。在鋪設(shè)防水板前，應(yīng)對(duì)初期支護(hù)表面進(jìn)行處理，清除尖銳物和突出物，確保防水板能夠緊密貼合在初期支護(hù)上。防水板的焊接應(yīng)采用雙焊縫焊接工藝，焊接寬度不小于15mm，焊接完成后，應(yīng)進(jìn)行充氣試驗(yàn)，檢測(cè)焊接質(zhì)量。試驗(yàn)時(shí)，將充氣針插入雙焊縫中間，用打氣筒充氣，當(dāng)壓力達(dá)到0.25MPa時(shí)，停止充氣，保持15min，壓力下降不超過(guò)10%，則視為焊接合格。止水帶的安裝應(yīng)位置準(zhǔn)確、固定牢固。止水帶應(yīng)采用中埋式止水帶，在施工縫和變形縫處設(shè)置。止水帶的接頭應(yīng)采用熱硫化連接，接頭強(qiáng)度不低于母材強(qiáng)度。安裝止水帶時(shí)，應(yīng)確保止水帶位于襯砌結(jié)構(gòu)厚度的中間位置，不得出現(xiàn)扭曲、偏移等現(xiàn)象。止水帶的固定可采用鋼筋卡或?qū)Ｓ脢A具，固定間距不宜大于500mm。施工縫和變形縫的處理也不容忽視。施工縫應(yīng)進(jìn)行鑿毛處理，清除表面的浮漿和松動(dòng)石子，露出新鮮的混凝土面。在澆筑新混凝土前，應(yīng)在施工縫處鋪設(shè)一層20-30mm厚的同配合比減石子砂漿，以增強(qiáng)新舊混凝土的結(jié)合力。變形縫應(yīng)按照設(shè)計(jì)要求設(shè)置，縫內(nèi)填充密封材料，如聚硫密封膠、聚氨酯密封膠等。密封材料應(yīng)填充飽滿(mǎn)，表面應(yīng)平整，不得出現(xiàn)裂縫和氣泡。4.2.2采用抗凍材料與施工工藝使用抗凍混凝土是提高隧道結(jié)構(gòu)抗凍性能的有效措施。抗凍混凝土的配合比設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)工程所在地的氣候條件、結(jié)構(gòu)物的使用環(huán)境和設(shè)計(jì)要求等因素進(jìn)行。在配合比設(shè)計(jì)中，應(yīng)控制水灰比，一般不宜大于0.55，以減少混凝土內(nèi)部的孔隙率，提高抗?jié)B性和抗凍性。同時(shí)，應(yīng)增加水泥用量，提高混凝土的強(qiáng)度和耐久性。在某寒區(qū)隧道工程中，通過(guò)優(yōu)化抗凍混凝土配合比，將水泥用量增加了10%，水灰比降低至0.5，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，混凝土的抗凍性能提高了30%左右。在混凝土中添加引氣劑可以顯著提高其抗凍性能。引氣劑能夠在混凝土內(nèi)部引入微小氣泡，這些氣泡在混凝土凍結(jié)時(shí)，能夠緩沖水結(jié)冰時(shí)的體積膨脹，從而減少凍脹力對(duì)混凝土的破壞。引氣劑的摻量應(yīng)根據(jù)混凝土的設(shè)計(jì)要求和試驗(yàn)結(jié)果確定，一般為水泥用量的0.005%-0.01%。在某寒區(qū)隧道的混凝土施工中，添加了0.008%的引氣劑，經(jīng)過(guò)多次凍融循環(huán)試驗(yàn)，混凝土的質(zhì)量損失和強(qiáng)度降低明顯小于未添加引氣劑的混凝土。采用暖棚法施工工藝可以有效保證混凝土在低溫環(huán)境下的施工質(zhì)量。在冬季施工時(shí)，搭建暖棚將隧道施工區(qū)域封閉起來(lái)，在暖棚內(nèi)設(shè)置加熱設(shè)備，如暖風(fēng)機(jī)、火爐等，使棚內(nèi)溫度保持在5℃以上。在混凝土澆筑前，應(yīng)對(duì)原材料進(jìn)行加熱，水的加熱溫度不宜超過(guò)80℃，骨料的加熱溫度不宜超過(guò)60℃。在混凝土澆筑過(guò)程中，應(yīng)盡量縮短混凝土的運(yùn)輸和澆筑時(shí)間，減少熱量損失。在某寒區(qū)隧道的冬季施工中，采用暖棚法施工，混凝土的入模溫度始終保持在10℃以上，保證了混凝土的正常凝結(jié)和硬化，避免了因低溫導(dǎo)致的混凝土凍害問(wèn)題。蓄熱法施工也是一種常用的低溫施工工藝。蓄熱法是利用原材料加熱以及水泥水化熱的熱量，通過(guò)對(duì)混凝土表面進(jìn)行覆蓋保溫，使混凝土在正溫條件下達(dá)到受凍臨界強(qiáng)度。在蓄熱法施工中，應(yīng)選擇導(dǎo)熱系數(shù)小、保溫性能好的保溫材料，如棉被、巖棉被等。在混凝土澆筑后，應(yīng)及時(shí)對(duì)其表面進(jìn)行覆蓋保溫，保溫層的厚度應(yīng)根據(jù)混凝土的熱工計(jì)算確定。在某寒區(qū)隧道的冬季施工中，采用蓄熱法施工，混凝土在澆筑后的3-5天內(nèi)，溫度始終保持在5℃以上，達(dá)到了受凍臨界強(qiáng)度，有效防止了混凝土的凍害。4.2.3施工過(guò)程中的溫度控制在施工過(guò)程中，采取加熱措施是控制溫度的重要手段之一。對(duì)于原材料，如砂、石料和水，在低溫環(huán)境下需要進(jìn)行加熱處理。砂、石料可采用蒸汽加熱或暖棚加熱的方式，使砂、石料的溫度升高，避免因溫度過(guò)低導(dǎo)致混凝土在攪拌過(guò)程中出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象。水的加熱可采用電加熱、蒸汽加熱等方法，將水加熱至適宜的溫度后再與砂、石料進(jìn)行攪拌。在某寒區(qū)隧道施工中，當(dāng)室外溫度低于-5℃時(shí)，對(duì)砂、石料進(jìn)行蒸汽加熱，將砂、石料的溫度加熱至10-15℃，同時(shí)將水加熱至50-60℃，有效保證了混凝土的出機(jī)溫度和入模溫度。在混凝土攪拌過(guò)程中，可適當(dāng)延長(zhǎng)攪拌時(shí)間，使原材料充分混合，提高混凝土的均勻性和溫度。一般情況下，攪拌時(shí)間可延長(zhǎng)30-60s。在運(yùn)輸過(guò)程中，應(yīng)對(duì)混凝土運(yùn)輸車(chē)輛進(jìn)行保溫，可采用包裹保溫材料、設(shè)置加熱裝置等方式，減少混凝土在運(yùn)輸過(guò)程中的熱量損失。在某寒區(qū)隧道施工中，對(duì)混凝土運(yùn)輸車(chē)輛采用棉被包裹，并在車(chē)廂內(nèi)設(shè)置了暖風(fēng)機(jī)，使混凝土在運(yùn)輸過(guò)程中的溫度降低不超過(guò)5℃，保證了混凝土的澆筑質(zhì)量。保溫措施在施工過(guò)程中也至關(guān)重要。在混凝土澆筑后，應(yīng)及時(shí)對(duì)其進(jìn)行覆蓋保溫，可采用草簾、棉被、塑料薄膜等保溫材料。保溫材料應(yīng)鋪設(shè)平整、嚴(yán)密，確保混凝土表面的熱量不流失。對(duì)于大體積混凝土，還應(yīng)采取內(nèi)部降溫措施，如埋設(shè)冷卻水管，通過(guò)循環(huán)水帶走混凝土內(nèi)部的熱量，防止混凝土因內(nèi)外溫差過(guò)大而產(chǎn)生裂縫。在某寒區(qū)隧道的二次襯砌施工中，混凝土澆筑后，立即在其表面覆蓋兩層棉被和一層塑料薄膜進(jìn)行保溫，同時(shí)在混凝土內(nèi)部埋設(shè)了冷卻水管，通過(guò)調(diào)節(jié)冷卻水管內(nèi)的水流速度，將混凝土內(nèi)部溫度與表面溫度的差值控制在20℃以?xún)?nèi)，有效防止了混凝土因溫度應(yīng)力導(dǎo)致的裂縫。在冬季施工時(shí)，可在隧道洞口設(shè)置防風(fēng)門(mén)或保溫簾，減少冷空氣進(jìn)入隧道內(nèi)部，降低隧道內(nèi)的溫度波動(dòng)。防風(fēng)門(mén)或保溫簾應(yīng)具有良好的密封性和保溫性能，能夠有效阻擋冷空氣的侵入。在某寒區(qū)隧道的冬季施工中，在洞口設(shè)置了雙層保溫簾，經(jīng)過(guò)測(cè)試，隧道內(nèi)的溫度在冬季得到了明顯提升，平均溫度提高了3-5℃，減少了凍害發(fā)生的可能性。4.3運(yùn)營(yíng)管理中的防治策略4.3.1定期檢測(cè)與維護(hù)定期檢測(cè)是及時(shí)發(fā)現(xiàn)隧道凍害問(wèn)題的重要手段。應(yīng)制定詳細(xì)的檢測(cè)計(jì)劃，明確檢測(cè)周期、檢測(cè)內(nèi)容和檢測(cè)方法。對(duì)于寒區(qū)巖石隧道，建議每季度進(jìn)行一次全面檢測(cè)，在冬季凍害高發(fā)期，可適當(dāng)增加檢測(cè)頻率，每月進(jìn)行一次重點(diǎn)部位檢測(cè)。檢測(cè)內(nèi)容包括隧道襯砌結(jié)構(gòu)的完整性，檢查是否有裂縫、剝落、掉塊等現(xiàn)象；隧道洞口段的凍脹情況，觀察洞口襯砌、路面和邊坡是否有變形、隆起等問(wèn)題；洞內(nèi)掛冰和積水情況，測(cè)量掛冰的長(zhǎng)度、厚度和分布范圍，積水的深度和面積等。檢測(cè)方法可采用外觀檢查、無(wú)損檢測(cè)和儀器測(cè)量相結(jié)合的方式。外觀檢查主要通過(guò)人工肉眼觀察，記錄隧道的凍害現(xiàn)象；無(wú)損檢測(cè)可利用地質(zhì)雷達(dá)、超聲波等技術(shù)，檢測(cè)襯砌內(nèi)部的缺陷和凍脹情況；儀器測(cè)量則使用溫度計(jì)、壓力計(jì)等設(shè)備，測(cè)量隧道內(nèi)的溫度、凍脹力等參數(shù)。一旦發(fā)現(xiàn)凍害問(wèn)題，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行處理。對(duì)于襯砌裂縫，可根據(jù)裂縫的寬度和深度采取不同的處理方法。裂縫寬度小于0.2mm時(shí)，可采用表面封閉法，使用環(huán)氧樹(shù)脂等材料對(duì)裂縫表面進(jìn)行封閉，防止水分滲入；裂縫寬度在0.2-1mm之間時(shí)，可采用壓力灌漿法，將灌漿材料注入裂縫內(nèi)部，填充裂縫；裂縫寬度大于1mm時(shí)，除了進(jìn)行灌漿處理外，還需對(duì)襯砌進(jìn)行加固，如粘貼碳纖維布、增設(shè)鋼筋等。對(duì)于隧道洞口段的凍脹破壞，可采取加強(qiáng)保溫、排水和加固措施。在洞口周?chē)佋O(shè)保溫材料，增加保溫效果；完善排水系統(tǒng)，及時(shí)排除洞口的積水；對(duì)變形的襯砌和邊坡進(jìn)行加固處理，如采用錨桿、錨索等進(jìn)行支護(hù)。洞內(nèi)掛冰和積水問(wèn)題的處理，可采用人工除冰和加強(qiáng)排水的方法。在冬季，定期組織人員對(duì)掛冰進(jìn)行清除，確保隧道凈空滿(mǎn)足要求；加強(qiáng)排水系統(tǒng)的維護(hù)和管理，及時(shí)清理排水管道和溝渠，保證排水暢通。定期對(duì)隧道進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，可延長(zhǎng)隧道的使用壽命，減少凍害的發(fā)生。維護(hù)保養(yǎng)工作包括對(duì)隧道襯砌進(jìn)行清潔和防護(hù)，防止襯砌表面的風(fēng)化和侵蝕；對(duì)隧道內(nèi)的設(shè)備和設(shè)施進(jìn)行檢查和維護(hù)，如通風(fēng)設(shè)備、照明設(shè)備、消防設(shè)備等，確保其正常運(yùn)行；對(duì)隧道的防排水系統(tǒng)進(jìn)行定期檢查和清理，保證排水暢通，防水有效。4.3.2應(yīng)急處理措施制定制定針對(duì)突發(fā)凍害的應(yīng)急處理預(yù)案是保障隧道安全運(yùn)營(yíng)的重要措施。應(yīng)急處理預(yù)案應(yīng)明確應(yīng)急處理流程和措施，確保在突發(fā)凍害時(shí)能夠迅速、有效地進(jìn)行處理。應(yīng)急處理流程應(yīng)包括以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：發(fā)現(xiàn)凍害后，現(xiàn)場(chǎng)人員應(yīng)立即向隧道管理部門(mén)報(bào)告，報(bào)告內(nèi)容包括凍害的位置、類(lèi)型、嚴(yán)重程度等信息；隧道管理部門(mén)接到報(bào)告后，應(yīng)立即啟動(dòng)應(yīng)急處理預(yù)案，組織應(yīng)急救援隊(duì)伍趕赴現(xiàn)場(chǎng)；應(yīng)急救援隊(duì)伍到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，應(yīng)迅速對(duì)凍害情況進(jìn)行評(píng)估，制定具體的處理方案；按照處理方案進(jìn)行凍害處理，在處理過(guò)程中，應(yīng)密切關(guān)注凍害的發(fā)展情況，及時(shí)調(diào)整處理措施；凍害處理完畢后，應(yīng)對(duì)處理效果進(jìn)行檢查和評(píng)估，確保隧道恢復(fù)正常運(yùn)營(yíng)。應(yīng)急處理措施應(yīng)根據(jù)凍害的類(lèi)型和嚴(yán)重程度進(jìn)行制定。對(duì)于襯砌開(kāi)裂、剝落等結(jié)構(gòu)破壞類(lèi)凍害，應(yīng)立即采取臨時(shí)支護(hù)措施，防止襯砌坍塌，然后根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修復(fù)和加固處理。在某寒區(qū)隧道發(fā)生襯砌剝落事故時(shí)，應(yīng)急救援隊(duì)伍迅速在剝落部位下方設(shè)置了鋼支撐進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，隨后對(duì)剝落的襯砌進(jìn)行拆除，重新澆筑混凝土，并增加了鋼筋網(wǎng)進(jìn)行加固，確保了隧道的結(jié)構(gòu)安全。對(duì)于洞內(nèi)掛冰和積水等影響行車(chē)安全的凍害，應(yīng)及時(shí)采取除冰和排水措施。可采用機(jī)械除冰設(shè)備、人工除冰等方式迅速清除掛冰，恢復(fù)隧道凈空；同時(shí)，加大排水力度，如增加排水泵、疏通排水管道等，盡快排除積水，保障行車(chē)安全。在某隧道因洞內(nèi)大量掛冰和積水導(dǎo)致交通中斷時(shí)，應(yīng)急救援隊(duì)伍調(diào)用了大型除冰車(chē)和排水泵，經(jīng)過(guò)連續(xù)作業(yè)，迅速清除了掛冰和積水，恢復(fù)了隧道的正常通行。還應(yīng)制定相應(yīng)的交通管制措施，在凍害處理期間，對(duì)隧道進(jìn)行交通管制，限制或禁止車(chē)輛通行，設(shè)置警示標(biāo)志，引導(dǎo)車(chē)輛繞行，確保交通安全。在某隧道發(fā)生嚴(yán)重凍害時(shí)，交通管理部門(mén)及時(shí)封閉了隧道，在隧道兩端設(shè)置了警示標(biāo)志，并通過(guò)交通廣播、電子顯示屏等方式發(fā)布交通信息，引導(dǎo)車(chē)輛繞行，避免了交通事故的發(fā)生。4.3.3信息化監(jiān)測(cè)與管理利用信息化技術(shù)對(duì)隧道溫度、凍脹力等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，能夠?qū)崿F(xiàn)科學(xué)管理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)凍害隱患，采取有效措施進(jìn)行預(yù)防和處理。在隧道內(nèi)安裝溫度傳感器、凍脹力傳感器等監(jiān)測(cè)設(shè)備，這些設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)采集隧道內(nèi)不同位置的溫度和凍脹力數(shù)據(jù)，并通過(guò)無(wú)線傳輸技術(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心。溫度傳感器可安裝在隧道襯砌內(nèi)部、圍巖表面以及隧道內(nèi)空氣中，以便全面監(jiān)測(cè)溫度變化；凍脹力傳感器則安裝在襯砌與圍巖之間，準(zhǔn)確測(cè)量?jī)雒浟Φ拇笮?。在某寒區(qū)隧道中，通過(guò)在襯砌內(nèi)部每隔5米安裝一個(gè)溫度傳感器，在襯砌與圍巖接觸部位每隔10米安裝一個(gè)凍脹力傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)隧道溫度和凍脹力的全面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。監(jiān)控中心利用數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，繪制溫度變化曲線和凍脹力變