5.6.4 隧道冻害及整治措施
我国幅员辽阔，冻土地区分布广泛（其中多年冻土占整个陆地面积的五分之一），在寒冷地区修建隧道是不可避免的。隧道冻害会导致衬砌冻胀开裂，以至疏松剥落，造成隧道衬砌结构的失稳破坏，降低衬砌结构的安全可靠性，严重影响运输的安全和隧道的正常使用。防治与整治隧道冻害是十分必要的。
5.6.4.1 冻害的种类及其危害
1.冰柱、冰溜子
渗漏的地下水通过混凝土裂缝逐渐渗出，在渗出点出口处受低温影响积成冰柱。尤其在施工接缝处，渗水点多，积冰明显，累积成十至几十厘米厚的冰溜子（又称为挂冰）。如不清理，冰溜子越积越大，侵入限界，危及行车安全。
拱部渗漏形成的冰柱（冰葫芦），在一般地区仅仅是影响限界。但在电气化牵引区段，冰柱下垂，挂在接触网高压电线上造成短路，坠断电线造成放电、跳闸，严重时危及人身安全。隧道排水沟槽设施保温不良引起的冰冻称冰塞。因结冰堵塞，水沟地下排水困难，使水沟（管或槽）冻裂破损，衬砌周边因水结冰而冻胀，致使隧道内各种冻害接踵而来。
2.衬砌发生冰楔
围岩之间结冰冻胀，产生冰冻压力，再传递给衬砌。经缓慢发展，常年积累冰冻的压力像楔子似的，使衬砌发生破碎、断裂、掉块等现象。
3.围岩冻胀破坏
隧道修筑在不良地质地段（Ⅴ级围岩及破碎花岗岩、砂岩），如果围岩层面及结构内含水较多时，冬季就易发生冻胀破坏，主要有如下几类。
（1）隧道拱部衬砌发生变形与开裂。拱部受冻害影响时，拱顶下沉内层开裂，衬砌开裂严重时尚有错牙发生，拱脚变形移动。冻融时又有恢复（留有残余裂缝），多次循环危及结构安全。
（2）隧道边墙变形严重。边墙壁后排水不畅，积水成冰，产生冻胀压力，造成拱脚不动，墙顶内移，有的是墙顶不动墙中发生内鼓现象，也有墙顶内移致使断裂成多段。
（3）隧道内线路冻害。线路结构下部无排水设施，在地下水丰富地区，水在冬季冻结，道床隆起。在水沟之处因保温不好，与线路一样有冻结，这样水沟全长也会高低不平。冻融使线路和道床翻浆冒泥、水沟断裂破坏。水沟破坏后排水困难，水渗入线路又加大了线路冻害范围。
（4）衬砌材料冻融破坏。隧道混凝土设计强度较低，抗渗性差，在地下水丰富地区，水就渗入混凝土内部。冬季时水在混凝土结构内冻结，膨胀产生冻胀压力，经年冻融循环使结构变酥，强度降低，造成冻融破坏。洞口段冻融变化大，衬砌结构内因含水受冻害外，岩体的冻胀压力也促使衬砌发生纵向裂纹和环向裂纹。
（5）隧底冻胀和融沉。对多年冻土隧道，隧底季节融化层内围岩若有冻胀性，而底部没有排水设备时，每年必出现冻胀融沉交替，无铺底的线路很难维持正常状态；有时铺底和仰拱的隧道也发生隆起或下沉开裂。
5.6.4.2 冻害的成因
（1）寒冷气温的作用。隧道冻害与所在的地区气温（低于0℃或正负交替）有直接关系。
（2）季节冻结圈的形成。沿衬砌周围各最大冻结深度连成的一个圈叫作季节冻结圈。当衬砌周围超挖尺寸大小不等，超挖回填用料不当及回填密实不够产生积水时，则形成冻结圈。在严寒冬季，较长的隧道两端各有一段长度能形成冻结圈，叫作季节冻结段。中部的一段，因不会形成季节冻结圈，叫作不冻结段。隧道两端冻结段长度不一定相等。同一座隧道内季节冻结段的长度恒小于洞内季节负温段的长度。
隧道的排水设备如埋在冻结圈内，冬季易发生冰塞。在冻结圈范围内的岩土，由于受强烈频繁的冻融破坏，风化破碎程度与日俱增，也是冻害成因之一。
（3）围岩的岩性对冻胀的影响。隧道的季节冻结圈内如果是非冻胀土，就不会发生冻胀性病害。冻结圈内冻土的分布情况决定了发生冻害的部位。如果隧道围岩全是冻胀性土且均匀分布，则冻胀沿衬砌外围对称均匀分布；如果是冻胀性土与非冻胀性土成层状分布，就可能出现冻胀部位不对称和非均匀分布。
（4）隧道设计和施工的影响。隧道在设计和施工时，对防冻问题没有考虑或考虑不周，造成衬砌防水能力不足，洞内排水设施埋深不够，治水措施不当，加上施工单位未能按规范认真施工等，都会造成和加重运营阶段隧道的冻害。
5.6.4.3 冻害的整治措施
严寒及寒冷地区隧道冻害的防治与整治，其基本措施是综合治水、更换土壤、保温防冻、防止融塌、结构加强等，可根据实际情况综合运用。
1.综合治水
隧道冻害的根本原因就是围岩地下水的冻结，如果能将水排除在冻结圈以外，杜绝水进入冻结圈，就能达到防治冻害的目的，即综合治水是防治冻害的最基本措施。
为防治冻害而采取的治水措施主要是：消灭衬砌漏水缺陷，保证衬砌圬工不再充水受冻，同时加强结构层和接缝防水（所用防水材料要有一定的抗冻性），对有冻害的段落，要设置防、排水系统，不允许衬砌背后积水，衬砌背后空隙用砂浆回填密实；排水设施或泄水沟应保证在任何季节、任何条件下不冻结，在严寒地区可在中心深埋泄水洞。
2.更换土壤
把冻结圈内的围岩更换或改造，将冻胀土变为非冻胀性土，从而达到防治冻害的目的。更换土壤就是将强冻胀土（主要是细粒土），更换为透水性强的粗粒土。换土厚度为：允许保留总冻胀量不大于允许值的冻胀土时，可取为冻深的80%～90%；若充分发挥排水设施的作用，可为冻深的70%。
把冻胀性土改造为非冻胀性土的方法主要有：向冻结圈内注入水泥浆液或其他化学浆液，使围岩固结而消除冻胀性；向冻结圈内注入憎水性填充材料，使之堵塞所有孔隙、裂隙，从而通过阻止土中水分迁移和聚冰作用来消除围岩冻胀。
3.保温防冻
保温防冻就是通过控制温度，使围岩中的水分达不到冰点，达到防治冻害的目的。保温防冻的类型主要有：保温、降低水的冰点、供热。
（1）在隧道内加筑保温层。在消除隧道渗水、漏水的基础上，在隧道衬砌的内缘（或外缘）或双层衬砌之间加筑一层保温衬层，防止衬砌周围形成季节冻结圈，以消除冻害。所采用的保温材料主要有加气混凝土、泡沫混凝土、浮石混凝土、膨胀珍珠岩混凝土等，一般厚度为20～40m。保温衬层的四周应设防潮层，以避免受潮失效，而且不能与结构层共同受力。
（2）降低水的冰点。在对隧道局部范围的冻害做临时处理时，可向围岩注入丙二醇、氯化钙、氯化钠等，使水的冰点降低，从而降低围岩的起始冻结温度，达到防冻的目的。
（3）供热防冻。供热防冻采用不多，一般只在紧急情况下使用，主要的方法有红外线融冰、电热、锅炉采暖等。
4.防止融塌
在洞内就是要防止基础融沉和道床春融翻浆。前者可以将边墙加深至冻土上限以下或冻而不胀层，后者可加强底部排水，疏干底部围岩含水或采用换土法。两者只要能防止冬季冻胀，就可同时解决春季融沉问题。
5.结构加强
结构加强的主要措施是：加大侧向拱度，使拱轴线能更好地抵抗侧向冻胀；增加拱部衬砌厚度，一般加厚10cm左右；提高衬砌混凝土强度等级或采用钢筋混凝土；隧底增设混凝土支撑。