1、. 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3页西南交通大学硕士学位论文寒区隧道冻害预测与对策研究姓名：苏林军申请学位级别：硕士专业：桥梁与隧道工程导教师：仇文革20070601. 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3页AbstractWith the development of traffic basal constructions, lots of highway tunnels and railway tunnels appeared. The implementing nation policy of West-Exploitation made tunnel engineerin
2、g extending to cold area where there is less of people, formidable natural conditions of high latitude and altitude. Compare with tunnels in common area, the construction of tunnels in cold area will face more complicated technic problems, especially the problem of freeze injury.The study on antifre
3、ezing of tunnels in cold area has important practical meaning, because there are a lot of tunnels in cold area in China. On the basis of investigating and analyzing lots of freeze injury and all kinds of frostresisting and antifreezing measurements applied throughout the world, this paper studied fr
4、eezing damage mechanics of tunnels in cold area, analyzed causes of freezing damage of tunnels in cold area, and generalized the potential frost injury of tunnels in cold area, put forward comprehensive frostresisting and antifreezing measurements suitable to tunnels in China cold area.Taking Rierla
5、ngshan Tunnel Project as actual background, the thesis calculated the temperature field, frost force and thickness of insulation layer of the tunnel. Using the FEM method to calculate the temperature field fore and after the tunnel formatted, we get the maximum freezing depth of the tunnel is 1.8m.
6、Introducing the result of the temperature field calculation to the stress field, we get the maximum frost force of the tunnel is 1.66MPa; the lining of the tunnel can bear the total action of the rock load and frost force. Finally, by calculating, the thickness of the polyurethane foam board is 5cm
7、at the entrance of the tunnel, and 4cm at the inner part of the tunnel, ,The frostresisting and antifreezing measurements of tunnels in cold area mainly include the heat insulation method, the waterproof and draining method, the heating method and the structural protecting method. In specific, inclu
8、ding the masking door, installation of the insulation layer, reinforcing the lining, strengthening the property of resisting freeze-thaw of the wall rock, heating the canal, insulation the exit, deeply burying the drainage cave etc. Key words: tunnel in cold area; frost damage; forcasting; antifreez
9、ing strategies;. 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3页application. 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3页第1章绪论选题的背景和研究意义随着我国交通基础设施建设的发展，公路、铁路險道大量出现。西部大 幵发这一重要战略国策的实施使隨道工程已逐渐向自然条件恶劣、人烟稀少 的高缚度或者高海拔的寒冷地区延伸。在寒区修建随道，比在一般地区要面 临更多的复杂技术问题，尤其是随道的冻害问题。国内外大量铁路、公路隨 道建设和运营的实践证明，在高讳度或高海拔的寒冷地区，尤其是多年冻土 地区，加之地下水比较发育时，降道常常会发生冻害，直接威胁到隧道结构 及运营行车的安全，给养
10、护维修带来极大的困难，造成严重的经济损失。在国外，日本、俄罗斯、北欧、北美等国冻土地区随道的冻害情况均十 分严重。日本曾对国铁全线进行调査，漏水的險道占随道总数的56%,占随 道总延长的71%,其中，在严寒地区发生冻害的隨道占險道总数的34%, 凡是漏水的隨道几乎百分之百的形成冻害。据日本道路公团和日本铁道综合 技术研究所最近的统计，日本全国3800座铁路随道中有1100座因冻害原因， 在冬季运营期间危及到行车安全；公路降道中，仅北海道地区的302座大型 公路降道中发生严重冻害的就有104座，为消除侧墙壁冰和拱部冰柱，作为整治措施之一，就在较多随道设置了电加热装置，投入的整治费用非常惊人141
11、.0在国内，东北 大、小兴 安岭中的 林区铁路降道大 多处于多年冻土 层中，建设时由于 缺乏经验，勘测、 设计中没有特殊 对策，施工中也没 有特殊措施，导致 一系列随道冻害图1-1玉希莫勒盖降道洞室冰塞. 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3页发生，甚至随着随道边建边发生，造成边建边维修的被动局面，其教训是深 刻的，如岭顶隨道、翠岭2号随道、西罗奇1号隨道和西罗奇2号隨道就是 例证。此外，西北的乌鞘岭隊道，奎先隧道、关角隧道和七道梁随道的冻害 情况也很典型，新疆国道217线天山段的玉希莫勒盖随道甚至没有运营几年 就因为冻害在随道内形成冰塞而报废（图1-1)。 3：) 3339.国道213线
12、郎木寺至川主寺段公路日尔山隨道，地处青藏高原东缘，气 候、自然条件十分恶劣。随址区多年平均气温i.rc ， 最热月（7月）多年 平均气温10.8C,最冷月（1月）多年平均气温-10.2t；;极端最高气温25.4。C， 极端最低气温-33.6C 。具有年平均气温低、季 节冻土 发育、昼夜温差大的特 点。国道213线郎木寺至川主寺段公路为四川省西北方向出川连接西北各省 的主干道，日尔郎山隨道为该路段控制性工程，具有重大的政治、经济、国 防意义如果随道冻害的问题解决得不好，则难以保证长期运营安全，将会 出现修得起而养不起的被动局面。因此，如何在寒区随道的建设中釆取行之 有效的措施，避免或减轻冻害的发
13、生，是目前隨道工程界急需解决的问题， 开展寒区降道冻害预测与对策研究具有重大的工程实际意义和广阔的应用 前景。1.2研究现状据统计，全世界20%的陆地面积为冻土，我国的冻土面积分布非常广 泛，是第三大冻土分布国，多年冻土面积接近200万平方公里，占国土总面 积的20%，主要分布在东北大、 小兴 安岭、松嫩平原北部、西部 高山和青藏高原，并零星分布在 季节冻土区内的一些高山上。其 中青藏高原的多年冻土面税占我 国冻土面积的70%,为全世界中 低讳度地带海拔最高、面积最大 的多年冻土区，号称世界屋脊、 地球第三极:另外，我国还有55 的地区为季节冻土，包括以贺 南山至哀牢山一线以西的广大地 区，以
14、及此线以东、秦岭-淮河以 图1-2我国冻土分布示意图. 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3页北地区，这样全部算起来冻土区占国土面积的(如图1-2)。冻土是一种特殊的具有负温或零温并含有冰的土体或岩石，一般由土矿 物颗粒、水、冰和汽四相组成。通常按土体处于冻结状态的持续时间来划分 冻土的类型，冻结状态的持续时间从几小时到几昼夜者为短期冻土，不到一 年者为季节冻土，两年以上者为多年冻土。从工程实际意义的角度出发，冻 土地区工程建设应该重视的主要为多年冻土和冻深大于0.5in的季节冻土。 在多年冻土或季节冻土地区中，当温度降低到土体的冻结温度以下时， 水份向正在冻结的土体中迁移，并以冰的形式填
15、充土颗粒间隙。土体中的水 变成冰时，体积增大9%,当土体中冰的体积膨胀足以引起土颗粒之间产生 相对位移时就引起土体的冻胀。冻土相对于未冻土体产生的体积膨胀受到约 束时将会产生冻胀力。冻土是由土颗粒、固态水、液态水和气体四部分组成 的。一般来说，Ot；-7二是未 冻土体转化为冻土的温度区段。在冻土的形成过程中，当未冻土体中的水变成冰时，发生相态变化，体 积增大9%，当温度继续降低时，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，当土体中水的体积膨胀足以引起土颗粒之 间的相对位移时就引起土体的冻胀。土体冻胀必须同时具备三个条件：冻胀 敏感性土、初始水份或水份供给、冻结温度和冻
16、结时间。冻土的强度和变形 特性与其他类型土体的最大差别在于冻土中冰的存在，冻土的力学特性主要 取决于冻土中冰的性质。冻土相对于未冻土体的体积膨胀和物理力学参数的 改变是寒区随道冻害产生的原因之一。根据前苏联有关资料，当岩石裂隙中有水侵入，冻结时可能产生的冻胀 力为15MPa;当采用封闭容器，即在没有体 积膨胀的条件下测得冰的冻胀 力为211MPa。 从以上资料来看，冻胀力的数值可以大得惊人，但它又和约 束条件有关。随道衬砲对含水围岩的冻结膨胀是一个约束的壳体，因此險道 衬砌所受的冻胀力，不仅和冻土相对于未冻土体的体积膨胀有关，还和衬硕 变形的大小有关。在东北林区铁路嫩林线朝阳2号隧道，现场实测
17、的隨道冻 胀力仅有25KPa200KPa。此外，寒区降道工程中设计和施工的问题，如：防排水系统设计不完善、 随道衬砌背后存在空洞、隨道衬砲厚度不足等，也是寒区随道冻害产生的原 因之一。. 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3页1.2.1国内研究概况交通部于1999年以国道227线西宁至张掖公路大坂山隨道为依托，由. 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3页中科院寒区旱区环境与工程研究所主持，中铁西南研究院和西南交通大学等单位参加了“高海拔寒冷地区随道工程冻害防治技术研究“课题，率先在防排水系统、低温混凝土施工等方面进行了有益的尝试，积累了实践经 验。随后，铁道部从2001年图昆仓山和风火
18、山降道衬砲结构示意图开始，以青藏铁路格尔木至拉萨段试验工程为依托，组织实施昆仓山和风 火山隨道关键技术的研究”重大科技发展项目，在此方面又进行了进一步的 研究。该项目以保护和恢复多年冻土热环境为原则，围绕高原多年寒区随道 设计理论和施工技术开展了试验研究课题。图1-3为青藏高原多年冻土区随 道支护结构设计形式。 .计对青藏高原多年冻土环境，在昆仓山和风火山随道采用双层衬砲隔热 方法，并且 在隔热层内 外侧均敷设 防水板，-即 在一次模筑 混凝土与二 次衬彻之间 按“防水板+ 保温板+防 水板“设置 隔热防水层(图1-4)。这种方法具有良好的隔热防水效果，适宜于冻胀力大、材料易劣 化的情况。但安
19、装劳动强度比较大，对防水板缝粘接质量要求严格，同时钢 筋燥接绑扎作业容易损坏内层防水板，在高寒缺氧环境下施工具有难度。.5cm(2)防水板敷设情况 昆仓山和风火山路道保温防水层的敷设. 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3页由于现场测试寒区随道的冻结圈及冻胀力具有很大的直观性，茵此在我 国寒区險道建设中运用比较广泛。在东北林区铁路的建设中，曾对西罗竒I 号链道、朝阳2号降道进行过温度场和冻胀力的现场测试。在青海227国道 宁张段的建设中，曾对大坂山隨道进行过温度场的现场测试。在青藏铁路格. 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3页拉段的建设中，曾对昆企山險道、风火山險道进行过温度场和冻胀
20、力的现场 测试。在国道317线鹧鹤山降道的建设中，曾对该隨道进行过温度场的现场 测试。这竖现场测试为进一步分析和计算寒区随道冻结圈及冻胀力积累了宝 贵的第一手资料。中科院寒区旱区环境与工程研究所在降道温度场分析和数 值模拟方面走在前列，结合青藏铁路试验工程科研项目，通过三维有限元温 度场计算，对昆企山随道和风火山險道在50年后的温度分布和变化情况做 了分析和预测。中科院寒区旱区环境与工程研究所对寒区随道冻结圈及冻胀力计算方 法也进行了深入研究。对于寒区随道冻结圈的研究考虑渗流对險道围岩温度 场的影响，根据传热学和渗流理论导出了带相变的温度场和滲流场稱合问题 的控制微分方程，釆用伽辽金法导出了冻
21、结圈的有限元计算公式。对于寒区 險道冻胀力的研究考虑到实际險道工程中的年气温大致按正弦规律变化而 不是常温，渗流场、温度场、应力场之间相互影响，根据传热学、渗流理论 和冻土力学导出了带相变的温度场、渗流场和应力场三场锅合问题的数学力 学模型及其控制微分方程，采用伽辽金法导出了冻结圈及冻胀力的有限元计 算公式。但这种采用应力场、温度场、渗流场三场稱合分析计算寒区降道冻 结圈及冻胀力的方法，由于实际情况的复杂性和数学力学方法的局限性，目 前还处在非实用阶段，其开发的相应的有限元计算程序也没有广泛应用或商 品化。西南交通大学提出了一种选择半理论半经验的寒区随道冻胀力计算方 法，即以地温测试确定隨道围
22、岩冻结圈的范围、以原样力学测试确定冻结与 非冻结状态围岩的物理力学参数为先导，而后进行自重应力场与温度应力场 双场稱合的数值模拟分析的技术路线，并通过室内模型试验对其进行了验 证。我国随道工作者在总结工程实践经验的基础上，提出了以排水为主，在 排水过程中加强保温的防治冻害方法，即在实际工程中建立完善、畅通的防 排水系统，并适当采取保温措施，如防寒泄水洞、防寒水沟、保温水沟等。 该方法与国外相比节省了材料，节省了能源。同时，我国在利用绝热材料防 治随道冻害方面也取得了一定的进展，大坂山随道、昆企山降道、风火山随 道、鹤鸿山随道、日尔郎山險遒等在设计施工时就采用了保温隔热层。1.2.2国外研究概况
23、国外在寒区隊道冻害理论研究的基础上，提出了大量的冻軎防治的工程 措施，主要分为三种类型：采用隔热保温材料防治冻害，如日本、美国、欧. 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3页洲各国：采用供暖方式防治冻害，如前苏联：釆用防棑水系统防治冻害，如日本提出了绝热处理的防治冻害方法，是根据气象统计资料并运用极限 分布解折方法，计算随道内年平均温度、年气温变化幅度、日气温变化幅度， 并将其代入降道地层的非稳态热对流/热传导绝热处理分析模型中，在 气象条件周期性和隊道一地层热状况结合的基础上，选择绝热防冻设施的 材料。该方法需要旳基础资料多，计算公式较为复杂，使用时有一定难度。 欧洲各国大多采用防水防冻栩
24、和隔离墙板的防治冻害方法，是以随道面 积、长度和坡度及冷冻指数为参数，在设计时查表选用绝热层厚度。该方法 适用于围岩比较稳定的地质情况，使用比较方便，具有一定的工程推广价值。 针对隨道冻害的防治，挪威随道釆用一种离壁式复合材料防水保温衬套，它 由厚度为1mm 的捧入玻璃纤维的聚苯乙稀傲外壳，中间注入聚氨酯泡沫， 称为Sandwich 板。这种离壁式防水保温衬套安装简便快捷，与湿喷钢纤维 混凝土永久衬砲配合使用，具有良好的装饰和防治冻害的效果（图1-5),并 可以使随道保持干燥状态。前苏联水电资源丰富，提出了随道 运营时采暖的防治冻害方法，其计算方 法是求解根据岩层和机车车辆之间气 流热交换的能
25、量方程得到的热平衡方 程，这种方法不仅可以计算沿整条随道 长度的年、月、日的平均温度分布，还 可以计算随道中列车运行时的瞬时温 度分布。该方法计算公式复杂，不便于 工程技术人员掌握。工程实践表明，目前国内外防治隆 道冻害的工程措施在特定环境、条件与 背景下，达到了一定的预期效果，取得 了一定的社会和经济效益，但具有很大 的局限性，还需要更深入、系统地开展 研究。什么样的情况会对随道产生冻 害？如何进行冻胀力的计算？等等问题都未得到解决。另外，公路隧道通风 加速冻结的矛盾也非常突出。因此有必要结合日尔郎山随道设计加以研究， 挪威法中离壁式衬套. 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3页以求搞清
26、机理和相应对策。其研究成果对类似工程将具有指导和借鉴作用，. 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3页并可为今后相关规范和标准的制定乃至地下工程可持续发展提供技术支持 和理论依据。1.3研究内容、方法 1.3.1硏究内容本文以国道213线郎木寺至川主寺公路日尔郎山隧道为工程背景，主要 研究了以下几个方面的内容：(1) 在大量查阅国内外寒区隙道文献资料的基础上，结合部分实地调 查，归纳总结出了寒区隧道冻害的现象、产生机理及目前主要釆取的相关工 程措施。 (2) 利用大型有限元程序ANSYS对日尔郎山隨道温度 场 、应力场进 行计算分析，确定其在严寒季节的温度场分布、冻结深度以及冻胀力大小， 为
27、防冻支护结构形式的合理选择、保温材料的选用以及厚度确定提供重要依 据。 ,1.3.2研究方法本文在进行上述内容的研究中使用了以下研究方法-(1) 调查研究及归纳总结.大量查阅寒区随道的文献资料，结合部分实地调査，归纳总结出寒区随 道冻害的现象、产生机理及相关工程对策措施。(2) 数值模拟分析根据传热学原理、弹塑性力学及有限元理论建立有限元方程，利用大型 有限元程序ANSYS建立三 维和平面有限元模型，对隧道贯通前、贯通后以 及建成后的温度场计算；对不同埋深、不同冻结圈厚度情况下的寒区降道冻 胀力进行计算和分析。. 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3页第2章寒区的定义与分类2.1寒区的定义
28、、分布及气候特点2.1.1寒区的定义中国寒区水文 44 l书的作者杨针娘等根据中国自然地理图集 (1984)中的I 、 2、7和10月平均气温等值线，日平均气温，积雪日数等 值线，及年平均气温和降水量等值线，并结合中国气候区划、青藏高原气候 区划与中国水文区划等，分析提出如表2-1所示的中国寒区气候指标。表2-1中国寒区的气候指标月4月平平均10*0 的曰比()30%中国寒区的特点主要是海拔高、气候寒冷。最冷月的指标釆用1月的平 均气温值为-10-3(rc，极端最低气温可达-52.3C;最暖月采用 7月的平均 气温高于I(rc,但超过icrc 的暖季气温要少于5个月：另外r过渡季节4 月和10
29、月的月平均气温分别要低于oc;日平均气温超过I(rc要少于I50d, 其相应的积温大约在50(K150rC之间；年平均气温要小于或等于5C。降水 量作为寒区的副指标，主要以固态降水在降水量中的比例（do%)与积雪 覆盖的+曰数（大于30天）来考虑。我国从高讳度到低讳度，从高海拔到海 拔相对较低都有寒区分布，而且所受的环流系统的影响各不相同，寒区年降 CV (r) (“C)CC) 数(D CC)10 30. 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3页水量差别很大，降水充沛的西藏东南部年降水量可达1000mm以上，而在藏 北内陆有的地方年降水量尚不足50mm。因此，用固态降水量占年降水量的. 西南
30、交通大学硕士研究生学位论文 第1 3页比重作为寒E的指标之一较为合适。2.1.2寒区的分布根据上述寒区的特征，我国寒区主要分布于西北三省区包括甘肃、青海、 新骚；西南的西藏，川西的阿坝、甘孜，云南的滇北、玉龙山和高黎贡山的 北部；黑龙江的东北和西北部，以及内蒙古东北部，其中的准鳴尔盆地、塔 里木盆地、河西北部的沙滩地区除外。从分布的山脉来看，包括低讳度高海拔和高讳度低海拔山区。主要分布 于西部高山区包括阿尔泰山区、天山山区和青藏高原及其边缘山区包括帕米 尔、嗜喇昆企山、昆企山、唐古拉山、念青唐古拉山、祁连山区、宪塘高原、 閃底斯山、喜马拉雅山和横断山区等以及东北的大、小兴安岭山区，东北低山高缔
31、寒区，虽然海拔不高，但由于炜度高，受蒙古高压的影响， 为我国最寒冷的自然区。西部高原高山寒区，虽然讳度低，但地势高尤，深 居内陆，气候寒冷，属低讳高山高原寒区。2.1.3寒区的气候特征2.1.3.1低结高山高原寒区低讳高山高原寒区地带性十分明显，可以划分为山地（高原）寒温带、 山地（高原）亚寒带和山地（高原）寒带。山地（高原）寒温带的海拔高度约在25003500ni， 日平均气温高于101： 的天数在5(Ki50d ，最暖月的平均气温髙于 icrc不超过 5个月，这一带为山 地的中山带。其中湿润气候区分布于川西海拔15003400m;半湿润气候区 主要分布于西藏东部和甘肃南部，海拔270040
32、00rn;半干旱气候区主要分 布于西藏南部和青海南部，前者海拔为35004500m ，后者为27003300m; 干旱气候区主要分布于阿里地区，海拔380()4500ni 。山地（高原）亚寒带分布的海拔高度在35004500m，日平均气温高于 icrc的天数少于 50d,最暖月的平均气温高于 lor的时间等于或少于3个月，. 这一带为高山带，其中湿润气候区分布于阿琐湿润气候区，海拔 34004200m： 半湿润气候区主要分布于那曲、果洛，海拔40004600in; 半 干旱气候区主要分布于宪唐高原和祁连山，宪唐高原海拔45004800m，祁 连山海拔30004500m。山地（髙原）寒带分布的海
33、拔高度在4500m以上，一般没有出 现日平 均气温高于lor ，最暖月的平均气温低于 6X：,且只出现1个月，日的最低 . 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3页气温几乎全年都在or 以下，这一带为极高山带，主要分布于昆仓山千旱气 候区，海拔48005100in。2.3.1.2高结低山寒区东北高韩低山寒区具有明显讳度地带性，可以划分为两个自然带，即寒 温带和温带寒温带又可分为3个亚带：大片连续多年冻土区，主要分布在我国东 北的最北部。海拔南高（lOOOtn) 、北低（500600m), 年平均气温在-5C以 下，冻结期长达7个月左右，为典型的雪林气候带。岛状融区多年冻土区， 是大片连续多年
34、冻土区与多年岛状冻土区之间的过渡区。多年岛状冻土 区，冻土仅分布于谷底、洼地、古河道以及沼泽地。温带为多年冻土南界（年平均气温为o r)附近及以南的季 节冻土区， 年平均气温为03.5X；。根据上述寒区的特征，我国寒区主要分布于西北三省E包括甘肃、青海、 新疆；西南的西藏，川西的阿坝、甘孜，云南的滇北、玉龙山和高黎贡山的 北部；东北的黑龙江的东北和西北部，以及内蒙古东北部，其中的准鳴尔盆 地、塔里木盆地、河西北部的沙滩地区除外。 、2.2寒H 随道的分区2.2.1分区的一般原则针对寒区降道，分区要体现“寒E”给險道带来的冻害 问题，在分区中要 能恰当的反映其冻害强度和冻害特征。首先是要确定寒区
35、随道工程分布区域 的下限，即看它是否有发生冻害的条件和降道发生冻害的事实，凡是具备上 述条件的区域即属于分区的范围。在此范围内，根据冻害发生的基本条件和 冻害程度（冻害对隊道破坏程度、冻害发生时间、持续性、反复性、防治技 术措施难易程度及资金投入等）划分为不同的冻害区。 【 122.2.2分区的依据寒区隨道的分区主要依据冻土类型和土（岩）的冻结深度；是多年冻土 还是季节冻土是受区域的气候环境所制约的。地面年平均温度为0C是划分 多年冻土区与季节冻土区的依据，只有低于或等于o r,而且持续一定时间， 才有生成发育的条件，因此考虑冻土类型能从宏观上较好反映寒区区域特 . 西南交通大学硕士研究生学位
36、论文 第1 3页征。土（岩）层冻结深度与冻结持续时闾是外界气候条件与土层內存性质、 表面形态共同作用的综合指标的反映，用冻结深度作为划分依据，能基本反 映寒区險道分区划分的特色。不同冻土类型及不同冻结深度给寒区降道造成 的冻害这早有共识。多年冻土区冻害发生最为广泛，最为严重；季节冻土区 冻害比多年冻土区轻。在季节冻土医内冻害发生的频率和强度，从区域性看， 般是随冻结深度增大而明显增强。2.2.3分区指标界限的确定2.2.3.1冻害区下界的确定冻害区下界确定主要考虑三方面的因素：冬季冰冻是否危及随道衬砲层 的稳定性；随道衬砌层是否有可能遭受围岩较强烈冻融作用而破裂；冬季随 道涌水冻结成冰是否影响
37、正常交通运行，用常规设施的排水条件下，能否达 到排除洞内积水的目的，而不被冰冻或仅局部冻结而不危害正常排水和通 行。这个范围大致在季节冻结深度在0.8米左右，所谓中季节冻结深度的下 限、冻结期不超过3个月，对于隨道而言，主要是进出口段、在年最冷期间 (1月份），洞内围岩冻结一股限在衬砌层之内，隧道自身围岩一般不冻结。2.2.3.2重冰冻冻害区界线的确定有多年冻土分布、包括稀疏分布岛状多年冻土的区域均划分归此类。在 这个界线附近，多年冻土仅零星分布，多属残余性多年冻土，而大部分仍属 非多年冻土，这个界线在大兴安岭地区大致与年平均气温-0.5C吻合，而在 青藏高原则在-2.(rc左右。 这也是通称
38、的多年冻土分布区域，在这区域内非 多年冻结土（岩）层冻结深度大于2.5米，冻结基岩最大达7.0米，冻结曰 期在180天以上。而多年冻土（岩），季节融化深度一般大于2-3米。对于 險道工程洞内围岩特别是进出口段围岩，在开挖中可能为非多年冻土，但一 般具有形成多年冻土的基本条件。在没有保护措施条件下，險道围岩在11 月就冻结、最大深度在3月末，随运行时间、最大冻深出现时间就随之后移， 直至局部多年冻土的形成。2.i3.3中-轻冻害区界限的确定在这个区域均属于季节冻土区，不具备形成多年冻土的条件，问题在于 这个区域下界与上界（即与重冰冻多年冻结冻害区界线），不论冻结深度与 冻害程度均有极大差别，这个
39、界线划分主要是考虑将中季节冻土与深季节冻 . 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3页土给予区别，在中季节冻土区排水设施只要适当加大埋深即可，不需要采用 特殊技术，而深度季节冻土区不但排水设施需深埋，还需一定保温措施与衬 砲层的增强结构，这个界线取冻结深度为1.8米，大于此值为深季节冻土区。 在这个区域最大冻结深度为3.0米左右，冻结期一般为4-5个月。表2-：2寒区降道分区说明简表2.3寒医隧道的分类对寒区隨道进行科学、合理的分类，是人们认识寒区隨道特征，正确 进行寒区随道设计、施工的基础。在这一方面，中国科学院寒区旱区环境与 工程研究所经过多年的调查研究，对中国寒区險道进行了比较科学的分
40、区分 类，具体的分类方法可归纳如下： 32】2.3.1按多年冻土分布划分寒E即表明有多年冻土或中、深季节冻土。在我国，多年 冻土定义为冻 结状态持续3年或3年以上的土（岩）层，其中年平均气温在-0.82.(rC之 间为不连续冻土；季节冻土是指冬季冻结，夏季完全融化，冻结时间超过一 个月的土层或岩层，年平均气:温大约8.014C，最低月平均气温低于 0C。 我国多年冻土的厚度情况如下 ：我国东北的多年冻土区，连续多年 冻土区厚度由50m至100m或超过lOOm;不连续多年冻 土区的冻土厚度为 520m；在年平均气温-5.(rC 线以南的岛状多年冻土， 冻土厚度为35m到 分区 符号分区名称 冻土
41、类型 冻结深度（m) 冻结曰 期（d)对应年平均气温（与年较差）VI 轻病害区 中季节冻土 20.8 901,8-90- 180 (20-2.0 -23,S-0 5ffl 重病害区 多年冻土与 深季节冻土0.25-1806.0 10.5. 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3页1015m不等。西部高山高原多年冻土区的冻土厚度随海拔升高而增厚。海 拔每升高100m，多年冻土层厚度增加1420m (崔之久等，1980), 如祁连 山海晏、门源海拔为35003600in,多年冻土层厚度为 5.035m;热水海拔 为348(K4050m ，冻土层厚度为2090m; 木里海拔为40004300m,
42、冻土层 厚度为3095m (范锡朋， 1963)。在昆企山、唐古拉山及其丘陵地带海拔高 度47004900in，多年冻土层厚度为60-120m (周幼吾等，1982);海拔高 于4900m,厚度可达140175m,按照随道可能穿越的冻土类型，将寒区膝道分为三大类型：1.全多年寒区隨道，即降道通过的围岩均属多年冻土，这是一种典型， 但较为少见的类型，这类型随道分布要具备如下条件：在大片分布多年冻土 区，且随道为中等埋深，即仅在多年冻土中穿越，按我国多年冻土分布特点， 險道埋深一般只有浅于7080米，才有可能遇到这种情况，即使在像青藏公 路沿线，冻土温度最低的昆仓山斑口，风火山等越岭地段，西北向坡
43、地可能 为全多年冻土，而东南坡侧一般不可能完全从多年冻土中穿越，除非提高线 路高度，减小随道埋深。在岛状冻土分布区，冻土埋藏厚度较薄，一般在 4050米之间，險道最大埋深在这一深度之内，也属于全多年寒区随道，这 在中重丘地形地段可能遇到。再一种情况是浅埋的短程傍山随道，例如青藏 铁路穿越昆金山乱石沟就遇到这种情况。2.局部多年寒区隧道，这是指随道穿越围岩进出口段为多年冻土，或 仅在某一侧为多年冻土，即險道沿程多年冻土与非多年冻土并存，这种类型 隨道在多年冻土区内分布较为广泛。根据我国多年冻土温度与厚度情况，目 前在多年冻土区中有30多个铁路、公路降道，属此类型的随道占30%以上， 此类随道代表
44、性有如下两种：虽然属于大片分布多年冻土，但險道埋深普遍 大于8090米； 岛状冻土分布区中的中、浅埋深随道。3.非多年寒E随道，这是指隨道沿程均没有多年冻土，此 类險道分布 在岛状冻土区和季节冻土区，在我国寒区随道中这是分布最为广泛的一种。 属于这种类的有如下三种：其一是岛状冻土分布面积较大地区.，深埋隨道基 本是没有多年冻土的，但是險道顶部有多年冻土帽覆盖。其二是零星分布岛 状多年冻土区，此地E绝大部分險道均从非多年冻土穿越，青海大坂山險道 就属此类。其三是中、深季节冻土区的全部随道均属此类：_西南交通大学硕士研究生学位论文 _ 第14页2.3.2按地下水赋存与补给条件分类寒区中，水对各类工
45、程影响是很大的，尤其是深季节冻土区与多年冻土 分布区。水（包括液相水与固相冰、）是造成工程病害的主要因素，这个问题 在險道工程中更为突出，特别是在随道运营阶段，基本病害几乎都离不开 “水”这个因素。干燥的寒区随道，基本不存在冻害问题。我们分析讨论的是 含水（冰）围岩，渗水随道，按照随道围岩含水状态、赋存条件与补给条件， 可将寒区随道分为下列五类：2.3.2.1含固相地下水、(冰）围岩隨道即属于前一节所讨论的全多年寒区險道的一种，均分布于重冰冻区中， 隊道穿越含冰围岩，它分布条件与全多年寒区降道相同，即只有在大片连续 分布的中、浅埋深随道，片状岛状分布多年冻土的浅埋随道和大片分布多年 冻土的浅埋
46、短程傍山險道。此类围岩降道在开挖过程中，特别是暖季，冻结 围岩要逐步发生融化，富水围岩要发生滴水。2.3.2.2封闭、半封闭含液相水围岩隧道这是与区域含水层没有直接联系，上部又被多年冻土封闭覆盖的冻结层 下水，一般具有承压作用，水温接近OC。这主要分布在多年冻土较发育的 中、低温多年冻土区，尤其是低温冻土区。通常在山岭证口地段，多年冻土 之下常有“含水围岩核”埋藏，当險道在此高程穿越，必然是进出口段为多年 冻土，中间段为融化的含水围岩。降道通过此类含水层，在开挖过程中可见 有围岩渗水，但渗水量随时间而减小，到完全消失。2.3.2.3开放的深层含水围岩降道这是指没有直接受大气降水垂直渗入补给（即
47、在隨道上部没有地表水直 接滲入补给通道）的深层含水围岩險道，地下水与区域深层含水有水力联系， 因此此类随道仅接受水平方向地下水补给。此类隨道有二种情况，其一是降 道所处地区冻土分布发育，随道上部有一定厚度的隔水层覆盖可以是非渗透 性、非含水的基岩，也可能是隔水的粘性土类。这类随道围岩涌、渗水量为 常年性，呈一定承压性，且流量较为稳定。这类險道多数有冻害发生，特别 是多年冻土覆盖的險道，常因汇集于險道排水沟的地下水，因持续受冻土围 岩低温和冷空气的影响，排水系统设施常被冻，失去排水功能，从而产生严 重的积冰冻害。. 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3页2.3.2.4开放的垂直与水平混合补给
48、含水围岩随道这类險道围岩既能接受大气降水、地表水的直接垂直渗入补给，同时有 稳定的深层地下水补给（即所谓的水平补给），在我国的寒区这是一种分布 最为广泛的險道，多分布于多年冻土区，特别是岛状分布多年冻土区与中、 深季节冻土区。据已有隙道分析，大气降水地表的直接渗入主要有以下途径： 在多年冻土区，穿越随道的构造破碎带，两种基岩接触的风化过渡带，随道 浅埋段之上非冻结的风化基岩、裂隙发育基岩和风化松散层。这种补给水源 最大的特点是季节性变化明显，暖季地表水直接渗入补给，涌水量大、水温 高。寒季主要消耗暖季储存的水量，水温低，这种水在寒季由于在表土层冻 结封闭，往往自由潜水逐渐随土层冻结深度的增大转
49、为局部承压或承压水。 这类随道围岩由于有多种补给水源，在开挖、运营过程中往往有大量地下水 渗入，出水点多，涌水量大，常年性出流。例如大坂山險道全部可能补给的 汇水区并不大，但是冬季泄水洞最小涌水量仍大于200rnV日。隨道衬砌层 施工时若留有孔洞、裂隙或因受冻融作用而产生破裂，围岩中的地下水即渗 入洞中，这是发生冰冻病害最多，最严重的一类随道。2.3.2.5干燥围岩随道这类随道在各类冻土分布区均有分布，特别示在干旱地区、黄土地区的 中、浅埋深降道。该类險道由于所处地区气候干早，力1上地下水不发育，隨 道周边基本无水，在幵娃与运营中基本不存在渗漏水问题，因此基本上不发 生冻害。2.3.3按气候参数分类上述两面种分类是按冻土、地下水在随道中的分布关系作定性划分。与 寒区隨道关系最密切的因素是气候参数，它能较好反映冻土生成、分布的物 理机制，在冻土工程中常被采用的气候参数是年平均气温、地温、年冻结指 数、年最大冻深和冻结日期等。这种分类实质上是对寒区險道冰冻区分区的 个补
