寒区岩土工程冻融循环对隧道衬砌结构耐久性的影响

引言

寒区分布着大量的岩土工程，隧道作为其中重要的基础设施，在交通、水利等领域发挥着关键作用。然而，寒区特殊的气候条件使得隧道衬砌结构长期处于冻融循环环境中。冻融循环会对衬砌结构的材料性能和力学性能产生不利影响，降低其耐久性，进而威胁隧道的安全运营。因此，研究寒区岩土工程冻融循环对隧道衬砌结构耐久性的影响具有重要的现实意义。

一、冻融循环作用机理

（一）水分迁移与相变

在寒区，隧道衬砌结构周围岩土体中的水分在温度变化下会发生迁移和相变。当温度降低至冰点以下时，水分冻结成冰，体积膨胀约 9% 。这种体积膨胀会在衬砌结构内部产生巨大的冻胀应力。而当温度升高，冰融化成水，水分又会在孔隙中重新分布。反复的冻融过程使得水分不断迁移和相变，加剧了对衬砌结构的破坏。

（二）孔隙压力变化

冻融循环过程中，孔隙中的水冻结和融化会导致孔隙压力发生变化。冻结时，孔隙水结冰产生的体积膨胀使孔隙压力急剧升高；融化时，孔隙压力又迅速降低。这种孔隙压力的反复变化会对衬砌结构的微观结构造成损伤，逐渐削弱结构的强度和耐久性。

二、冻融循环对衬砌结构材料性能的影响

（一）强度降低

冻融循环会使衬砌结构材料的强度逐渐降低。以混凝土衬砌为例，多次冻融循环后，混凝土内部的微裂缝不断扩展和连通，导致其抗压强度、抗拉强度等力学性能指标下降。研究表明，经过一定次数的冻融循环后，混凝土的抗压强度可降低 20%-30% 。

（二）弹性模量减小

弹性模量是衡量材料抵抗弹性变形能力的指标。冻融循环作用下，衬砌结构材料的弹性模量会减小。这意味着在相同荷载作用下，材料的变形量会增大，结构的稳定性降低。例如，在冻融循环环境中，隧道衬砌的变形可能会超出设计允许范围，影响隧道的正常使用。

（三）抗渗性变差

冻融循环破坏孔隙结构，导致抗渗性下降，水分更易侵入；水分在孔隙中反复冻结膨胀，加剧内部微裂纹扩展；同时，渗入水携带硫酸盐、氯化物等侵蚀性物质，引发钢筋锈蚀与混凝土化学劣化，进一步削弱材料性能，形成恶性循环，加速衬砌结构整体耐久性退化。

三、冻融循环对衬砌结构力学性能的影响

（一）应力分布改变

冻融循环产生的冻胀应力改变衬砌应力分布，主要体现在三方面：一是结冰时孔隙水膨胀，在混凝土内部产生局部拉应力；二是应力集中于衬砌薄弱区或约束部位，如接缝或钢筋周围；三是反复冻融使拉应力周期性作用，超出材料抗拉极限。这些区域本按受压设计，抗拉能力弱，长期受拉导致微裂纹萌生、扩展，最终形成贯通裂缝，显著削弱结构整体性与承载力。

（二）结构变形增大

冻融循环导致材料强度下降与弹性模量降低，使衬砌承载能力减弱；内部微裂纹扩展加剧应力重分布，引发局部拉应力集中；在冻胀力与外部荷载叠加作用下，衬砌出现不均匀鼓胀、下沉或位移；变形累积超出设计容许值，直接影响隧道净空稳定性，威胁行车安全与结构耐久性。

（三）结构稳定性降低

冻融循环对衬砌结构力学性能的综合影响会导致结构稳定性降低。在地震、车辆荷载等外部作用下，结构更容易发生破坏。例如，在地震作用下，冻融损伤的隧道衬砌可能会出现严重的坍塌，造成重大的人员伤亡和财产损失。

四、冻融循环对衬砌结构耐久性指标的影响

（一）碳化深度增加

碳化是混凝土中氢氧化钙与二氧化碳反应生成碳酸钙的过程，导致孔隙液碱度下降。冻融循环使混凝土微裂纹扩展，加速二氧化碳和水分的侵入，从而加快碳化速率。碳化深度增大后，混凝土保护层失效，钢筋钝化膜难以维持。当碳化前沿抵达钢筋表面，碱性环境被破坏，钢筋由钝化转为活性，遇水与氧气即发生电化学锈蚀，锈蚀产物膨胀进一步引发混凝土开裂，形成耐久性劣化的连锁反应。

（二）钢筋锈蚀加剧

碳化破坏碱性环境，钢筋钝化膜失稳；冻融循环加剧混凝土微裂，水分与氧气更易渗入；二者叠加促进电化学锈蚀反应；锈蚀产物体积膨胀可达原铁的 2—6 倍，对周边混凝土产生环向拉应力；应力累积导致保护层开裂、剥落；裂缝又加速水分与腐蚀介质侵入，形成“锈蚀—开裂—侵蚀”恶性循环。

（三）剥落与掉块

水分渗入混凝土孔隙后结冰，体积膨胀产生内应力，导致表层开裂；反复冻融使微裂缝逐渐扩展、连通，削弱表层与内部的粘结；裂缝贯通后，表层混凝土局部剥落、掉块；暴露的内层混凝土更易受水与侵蚀介质侵入，加速损伤蔓延；结构有效截面缩减，承载能力与耐久性持续下降，形成恶性循环。

五、防治措施

（一）材料选择与改良

选用抗冻材料是提升耐久性的基础。引气混凝土通过在拌合过程中引入大量均匀分布的微小气泡，有效缓解水结冰时产生的膨胀压力，抑制内部裂缝发展；纤维的掺入则在混凝土中形成三维支撑网络，显著提升材料的抗拉强度与韧性，限制冻融过程中微裂纹的萌生与扩展；二者协同作用，从抗压、抗裂与能量耗散等多方面增强混凝土抵御反复冻融的能力，从而保障衬砌结构长期稳定性。

（二）防水与排水设计

防水设计需分层设防，设置全包式防水层，有效阻断地下水渗透路径；排水系统应结合纵向盲沟、环向排水管与中心排水沟，形成畅通的排水网络，及时疏导渗水；同时在冻土段加强排水设施防冻设计，避免冰塞，确保排水功能稳定，从而系统性减少水分积聚，降低冻融破坏风险。

（三）保温措施

采取保温措施可以降低衬砌结构周围的温度变化幅度，减少冻融循环的次数。例如，在隧道衬砌外侧铺设保温材料，如聚苯乙烯泡沫板等，可以有效阻止热量的传递，保持衬砌结构周围温度相对稳定。

（四）结构监测与维护

布设多类型传感器实时监测结构变形、应力与温度变化；通过自动化平台动态分析数据，精准识别早期异常；结合人工巡检复核预警信息，提升判断准确性；依据病害等级分类制定修复方案，及时处置裂缝与剥落，实现维护的科学化、精准化与高效化。

结论

寒区岩土工程冻融循环对隧道衬砌结构耐久性有着显著的影响。冻融循环通过水分迁移与相变、孔隙压力变化等作用机理，改变了衬砌结构材料的性能和力学性能，影响了结构的耐久性指标。为了确保寒区隧道的安全运营，需要采取材料选择与改良、防水与排水设计、保温措施以及结构监测与维护等综合防治措施。未来，还需要进一步深入研究冻融循环对隧道衬砌结构的影响机制，开发更加有效的防治技术，提高寒区隧道工程的耐久性和可靠性。

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