寒区隧道防寒抗冻设计应用
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摘要：阿尔格勒特山隧道是目前北疆地区唯一的一条公路隧道（在建），结合该地区的自然地理条件，确定防寒抗冻设计是该隧道设计中的重点，也是难点。本文分析总结了目前国内外的公路隧道防寒抗冻设计的最新进展，并结合本项目的自身特点，提出了该隧道的防寒抗冻措施。
一、引言
冻害是寒冷地区隧道的常见病害，很多已建成的寒区隧道都发生了衬砌开裂，剥落，挂冰，路面冒水，结冰等病害。由于近年来，国家对基础设施建设持续大规模投资，大量的寒区隧道不断建成，如何在这些隧道中采取有效措施，避免冻害的发生，是寒区隧道修建中需要解决的首要问题。
寒区隧道修建的技术问题比一般地区要复杂的多，其中一个关键问题是这些隧道一般要受到季节性冻融、冻胀作用的影响：当温度降低，使岩体温度降到冰点以下时，岩体孔隙水和外来补给水便冻结成冰，体积增大，产生对隧道结构起加载作用的冻胀力；而当温度回升时，岩体中的冰消融，出现融沉现象，造成对隧道结构的卸载，这种周期性的加载-卸载作用将造成隧道结构的破坏。
二、常用措施
1、提高衬砌结构自身的抗冻能力，包括提高混凝土标号，增强衬砌混凝土的抗渗性，使用钢筋混凝土，增大衬砌厚度等措施，旨在提高隧道结构自身的抗冻害能力。
2、对隧道采取保温或供热措施防冻，主要有以下三种措施：
（1）供热法：前苏联隧道供暖有的采用管式电力加热器；挪威在隧道排水系统中设置加热电缆；有些地方甚至利用地热水或蒸汽对水沟经行加温。我国甘肃七道梁隧道采用了燃煤锅炉暖气供热。这种方法简单有效，但是管理复杂，运营成本高，不适合大范围推广。
（2）防寒门法：在隧道进出口安装防寒门，以此来隔断隧道外冷空气与隧道内热空气的交换，从而达到保温的目的。这种方法在铁路隧道应用较多，因为铁路运输时间相对固定，门开启的次数少而且有规律，对于行车密度较大，且需要通风的隧道明显不适合。
（3）敷设保温材料法：即将隧道衬砌表面敷上绝热材料以尽量防止地热的放出或外部热量的侵入，借以保持隧道衬砌表面的温度不致降到冰点以下或是防止多年冻土的融化。该方法一般有两种方式：一种是在初期支护与二次衬砌之间敷设绝热材料，也叫做双层衬砌隔热处理法；另一种是在二次衬砌混凝土表面上直接敷设绝热层，也叫表面隔热处理法。
3、由于冻害的根源来源于水，所以隧道防排水设计与施工的成功与否，对隧道抗防冻效果有着巨大的影响。常采用的措施有设置深埋水沟或泄水洞，洞外设置保温出水口等，另外除以上防排水措施外，隧道围岩注浆技术的应用可以消除或减少局部存水空间，减少围岩裂隙水含量，从而防止或减轻冻害的发生。
三、工程概况
阿尔格勒特山隧道位于新疆维吾尔自治区和布克赛尔县境内，是目前北疆地区唯一的一座公路隧道，为克拉玛依至阿勒泰高速公路的控制性工程。该隧道全长约2500米，设计行车速度120km/h，隧道建筑限界净宽11.5米，净高5米。隧道位于低山区，海拔995-1115之间，最大埋深95米。年平均气温5.8度，极端最低气温-37.2度，最大冻深1.84米。
四、隧道采取的防寒抗冻措施
1、保温层
隔热材料虽然本身并不产生热量，但是能有效消除冻融作用的循环作用，大大降低甚至消除冻害的发生。是现在寒区隧道较为常用的措施。
虽然在我国，双层衬砌隔热处理法与表面隔热处理法都有应用，但是实践证明，表面隔热处理法从结构安全和耐久性上考虑更为合理，主要原因是表面敷设隔热材料，较能保证施工质量，且后期维护更换方便。
通过以上考虑本隧道设计上采用了表面隔热处理法。
根据对当地气象条件调查结合工程经验，在据洞口700米范围内设置了保温层。“保温材料”必须具备：保冷抗冻性好、防火性好、防水及耐腐蚀性好等特点；“装饰抗冻层的面板”必须具备优良的防火性和抗冻性，并能随隧道的轮廓弯曲成弧形。根据对目前国内保温层市场的调查研究，认为PU聚氨酯保温板在性能、工艺、造价上均有一定优势，因此本项目采用了50mmPU聚氨酯保温板作为隧道保温层。并在表面铺设一层6mm厚FL纤维增强板作为保护层。
2、围岩注浆
这种技术措施不但起着增强围岩强度、增强围岩稳定性、堵水、防止围岩渗漏的作用，而且还起着减轻和防止冻结围岩冻胀力的作用，因为在同一冻结条件下，围岩的冻胀力随含水量减少而降低。在寒冷地区凡是有常年性地下水补给的含水围岩一般均需采用此措施。注浆深度取决于围岩破碎、裂隙发育程度、富水性及冻结深度，一般应不浅于围岩冻结深度。
本项目注浆材料采用水泥-水玻璃双液浆液，水泥为425号普通硅酸盐水泥，水灰比为0.6-1.1之间，水玻璃玻镁度30-40Be，双液体积比C/S=0.7 - 1.4,凝胶时间根据现场实际情况确定。当超前探水孔中2/3孔出水且总水量大于10立方米/小时时，采用全断面注浆堵水；当超前探水孔中总水量小于10立方米/小时，但个别探水孔出水量大于2立方米/小时时，采用局部注浆堵水。
3、洞身防排水
防冻必先治水，做好防排水设计。为确保围岩裂隙水能顺畅的排出隧道，完整、有效的防排水体系是严寒地区隧道设计的关键。若衬砌后围岩中的水能顺利地排出，就能减少围岩冻胀造成隧道衬砌破坏和衬砌结构本身冻胀破坏发生的机会。洞身防水是在二次衬砌与初期支护之间铺设EVA复合防排水层，二次衬砌采用防水混凝土，抗渗标号不小于S8，以提高衬砌结构的自防水能力和结构的耐久性；全隧道二次衬砌施工缝设膨胀止水条、沉降缝设止水带。洞身排水是通过环向排水管、纵向排水管、横向排水管、中心深埋水沟、保温出水口等措施建立一套完整的排水体系。
4、衬砌按冻胀压力设计
加强地下排水措施以及设置保温层并不能完全消除冻胀压力，在隧道衬砌结构设计时仍应考虑冻胀压力荷载，设计合理的衬砌断面形式并提高衬砌强度。本项目隧道采用结构受力条件好的三心圆断面，衬砌混凝土标号统一取C30，并对洞口段及洞身Ⅴ级围岩段采用钢筋混凝土二衬。
5、其他措施
（1）为了降低冻胀力对隧道衬砌的危害，隧道洞口200米的范围内每隔20m设置一道变形缝。
（2）为了防止排水沟中的水结冰，控制洞顶截排水沟的排水坡度不小于8%。
（3）为了防止冻胀力对明洞结构的不利影响，明洞基础应埋置于冻深下不小于25cm，对于基岩类基础，岩层完整性较好段，明洞基础可直接位于原地层上。
五、结语
本项目是北疆地区目前唯一的一条公路隧道，通过经济技术比选，笔者认为主动供热法的防寒抗冻措施带来的运营成本过高，不适用于这种单一隧道运营模式。而设立防寒门，虽然能有效保持洞内温度，但是由于该地区自然矿产丰富，对公路运输的依赖很重，防寒门的关闭势必会影响交通运输的流畅，所以本项目未采用该方案。
随着国家不断加大基础设施建设的步伐以及西部大开发战略的不断推进，越来越多的寒区隧道将会被建成，防寒抗冻设计的应用和方法越来越多，但这些方法并不适合所有地区，只有结合本项目特点，通过经济技术比选，灵活运用这些措施，才能有效解决寒区隧道防寒抗冻的问题。