高巖溫隧道圍巖-支護(hù)結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)演化規(guī)律

王明年， 唐興華， 吳秋軍， 童建軍， 董從宇

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610031)

當(dāng)隧道埋深過(guò)大，或受到巖漿活動(dòng)、溫泉等地下熱水的影響時(shí)，圍巖溫度升高，使隧道施工作業(yè)時(shí)洞內(nèi)空氣溫度超過(guò)28 ℃，影響施工安全和人員健康[1-2]，這類隧道可認(rèn)為是高巖(地)溫隧道。與常巖溫隧道相比，高巖溫隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了各種問(wèn)題，比如：砂漿錨桿抗拔力以及噴射混凝土與圍巖黏結(jié)強(qiáng)度不足[3]、噴射混凝土因高巖溫蒸發(fā)水分而產(chǎn)生裂縫[4]、二次襯砌混凝土由于溫度應(yīng)力產(chǎn)生裂縫[5]等，而研究并解決這些問(wèn)題的前提，是弄清高巖溫隧道圍巖、初期支護(hù)、二次襯砌溫度場(chǎng)在施工過(guò)程中的變化過(guò)程，明確隧道開(kāi)挖、施工通風(fēng)對(duì)各類溫度場(chǎng)的影響規(guī)律。所以，開(kāi)展高巖溫隧道溫度場(chǎng)研究是十分必要的，也是很有意義的。

目前，高巖溫隧道溫度場(chǎng)的研究主要采用理論分析、數(shù)值模擬的方式，比如：邵珠山等[6]采用二維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程和平衡方程，研究了圓形隧道溫度場(chǎng)分布；盧達(dá)[7]以拉日鐵路雅江峽谷地?zé)岙惓^(qū)為研究對(duì)象，根據(jù)測(cè)溫鉆孔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用數(shù)值模擬方法，研究了隧道的溫度場(chǎng)分布；徐長(zhǎng)春等[8]以高黎貢山隧道為背景，采用有限元分析法分析了隧道結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的變化規(guī)律；劉乃飛等[9]采用解析方法研究了新疆布侖口-公格爾水電站高地溫隧洞圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的溫度分布規(guī)律；謝強(qiáng)等[10]采用有限單元法模擬秦嶺隧道區(qū)域地溫場(chǎng)，對(duì)隧道巖溫進(jìn)行預(yù)測(cè)并進(jìn)行分區(qū)；彭浩等[11]依據(jù)熱傳導(dǎo)-對(duì)流模型，對(duì)齊熱哈塔爾水電站引水隧洞溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值分析，研究了隧址區(qū)發(fā)育的泉水對(duì)溫度異常的影響。上述研究可分為兩類，一是分析高巖溫隧道穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，二是預(yù)測(cè)隧道原始地溫場(chǎng)，兩者皆未涉及高巖溫隧道溫度場(chǎng)在施工中的瞬態(tài)變化。

鑒于此，本文依托拉日鐵路典型的高巖溫隧道——吉沃希嘎隧道，研究了在施工通風(fēng)作用下隧道溫度場(chǎng)的變化過(guò)程和規(guī)律，以期為高巖溫隧道支護(hù)材料特性、結(jié)構(gòu)受力及相關(guān)研究提供支持和參考。

1 拉日鐵路高巖溫隧道概況

新建拉薩至日喀則線(簡(jiǎn)稱拉日線)鐵路位于青藏高原西南部，途經(jīng)雅魯藏布江峽谷區(qū)域，由于受南北向斷裂構(gòu)造控制的條帶狀熱儲(chǔ)構(gòu)造的影響，色麥至仁布段地?zé)岙惓?，里程為IDK87+697～ⅢDK145+170，涉及隧道工點(diǎn)6個(gè)，見(jiàn)表1。

表1 拉日線高巖溫隧道統(tǒng)計(jì)表

在表1中，最典型的高巖溫隧道是吉沃希嘎隧道，其起訖里程為ⅢDK117+520～ⅢDK121+494，全長(zhǎng)3 974 m，為單線隧道。該隧道洞身地?zé)釂?wèn)題突出，在ⅢDK117+690～ⅢDK120+375段，地勘測(cè)溫顯示，隧道路肩部位的巖溫值在28～48 ℃，孔內(nèi)溫度值最高達(dá)65.4 ℃，施工中根據(jù)掌子面超前鉆孔測(cè)溫，最高溫度達(dá)55.1 ℃。

2 高巖溫鐵路隧道溫度場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及數(shù)值模擬

2.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

選取拉日線典型的特高巖溫隧道-吉沃希嘎隧道開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)段里程DK118+960～DK119+000，長(zhǎng)為40 m。隧道圍巖為Ⅳ級(jí)，埋深60～66 m。溫度量測(cè)采用振弦式溫度計(jì)。初期支護(hù)溫度測(cè)點(diǎn)布置在斷面的拱頂、左拱腰、左邊墻、右拱腰、右邊墻，每個(gè)位置布置2個(gè)溫度計(jì)，分別位于初期支護(hù)靠近圍巖一側(cè)和初期支護(hù)中間位置；二次襯砌溫度測(cè)點(diǎn)布置在二次襯砌左、右邊墻高1 m處，位置在靠近初期支護(hù)一側(cè)，且兩側(cè)邊墻沿隧道縱向均布置9個(gè)溫度計(jì)，間距1 m。具體布置方案見(jiàn)圖1、圖2。

2.2 數(shù)值模擬

運(yùn)用FLAC3D有限差分法軟件，進(jìn)行高巖溫隧道施工階段的三維熱分析。選擇吉沃希嘎隧道DK117+850截面建立三維計(jì)算模型(見(jiàn)圖3)，其中隧道埋深85 m，隧底圍巖厚35 m，左右兩側(cè)寬度取5倍隧道跨度約為35 m，縱向長(zhǎng)度為34 m。

計(jì)算模型上邊界溫度考慮最不利影響，根據(jù)吉沃希嘎隧道區(qū)域夏季極端高溫取為30 ℃，左右邊界簡(jiǎn)化為固定溫度梯度(見(jiàn)表2)，隧道開(kāi)挖后其圍巖及初期支護(hù)內(nèi)表面溫度為28 ℃[1]。

計(jì)算工況以隧道路肩處圍巖初始溫度為準(zhǔn)，總共分為3組，見(jiàn)表2。

表2 計(jì)算工況及模型兩側(cè)溫度梯度

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察設(shè)計(jì)資料以及文獻(xiàn)[12-14]等確定圍巖和初期支護(hù)的計(jì)算參數(shù)，含鋼架噴混凝土的計(jì)算參數(shù)通過(guò)等效面積進(jìn)行換算，見(jiàn)表3。

選擇隧道軸向第7 m處為分析斷面，在該斷面拱頂上方豎直方向20 m內(nèi)設(shè)立14個(gè)分析點(diǎn)，在邊墻兩側(cè)水平方向15 m內(nèi)設(shè)立12個(gè)分析點(diǎn)，在仰拱下方豎直方向15 m內(nèi)設(shè)立9個(gè)分析點(diǎn)。通過(guò)提取分析點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)，研究圍巖和初期支護(hù)溫度場(chǎng)演化規(guī)律。

表3 計(jì)算參數(shù)

3 高巖溫鐵路隧道圍巖溫度演化規(guī)律

3.1 隧道開(kāi)挖對(duì)圍巖溫度的影響范圍

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，以圍巖初始溫度48 ℃的工況為例，繪制隧道周邊圍巖分析點(diǎn)在不同開(kāi)挖時(shí)間的溫度曲線，見(jiàn)圖4。

由圖4可知，隨著隧道開(kāi)挖的進(jìn)行，由于隧道內(nèi)連續(xù)通風(fēng)散熱，同一圍巖分析點(diǎn)溫度逐漸降低，并且發(fā)生降溫的分析點(diǎn)數(shù)量增加，即圍巖降溫范圍擴(kuò)大。當(dāng)隧道開(kāi)挖60 d后，拱頂上方、邊墻外側(cè)、仰拱下方圍巖降溫范圍(即開(kāi)挖對(duì)圍巖溫度場(chǎng)影響范圍)分別是17、14、13 m。同理，可得當(dāng)圍巖初始溫度分別為60、80 ℃時(shí)，隧道開(kāi)挖60 d后對(duì)圍巖溫度場(chǎng)的影響范圍，見(jiàn)圖5。

由圖5可知，圍巖初始溫度越高，隧道開(kāi)挖對(duì)圍巖溫度場(chǎng)影響范圍越大；隧道拱頂上方的圍巖溫度場(chǎng)影響范圍最大，達(dá)到2.9～3.6倍洞徑，邊墻兩側(cè)和仰拱下方的影響范圍基本一致，分別達(dá)到2.2～3.3倍洞徑和2.0～3.3倍洞徑。

根據(jù)圖5，通過(guò)數(shù)學(xué)擬合，得到影響范圍與圍巖初始溫度的關(guān)系式，方差均為1。

( 1 )

式中：Lg為拱頂上方影響范圍，m；Lb為邊墻外側(cè)影響范圍，m；Ly為仰拱下方影響范圍，m；T為隧道路肩處圍巖初始溫度，℃。

3.2 隧道周邊圍巖的降溫方式和幅度

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，以圍巖初始溫度48 ℃的工況為例，繪制隧道拱頂上方圍巖分析點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線，見(jiàn)圖6。

由圖6可知，拱頂上方1.4 m內(nèi)圍巖在開(kāi)挖5 d內(nèi)溫度快速降低，降幅較大，而5 d后溫度下降較小或變化不大，60 d總降幅達(dá)22%～37%；拱頂上方1.4 m外圍巖溫度隨時(shí)間逐漸降低，60天總降幅小于20%。這表明：隧道開(kāi)挖后的施工通風(fēng)對(duì)1.4 m范圍內(nèi)圍巖的降溫影響顯著，表現(xiàn)為突變式降溫且降幅大于20%。由此，可得不同圍巖初始溫度時(shí)，隧道周邊圍巖的降溫方式和幅度，見(jiàn)表4。

表4 隧道周邊圍巖降溫方式和幅度

由表4可知：

(1) 隧道周邊圍巖降溫方式可分為突變式和漸變式。突變式降溫是指圍巖溫度在0～5 d急劇降低，在5～60 d緩慢降低；漸變式降溫是指圍巖溫度在0～60 d較均勻地逐漸降低。發(fā)生突變式降溫的圍巖范圍隨其初始溫度的增大而增大。

(2) 隧道周邊圍巖降溫幅度與圍巖初始溫度、圍巖位置有關(guān)。圍巖初始溫度越高，降溫幅度越大；拱頂上方、邊墻兩側(cè)、仰拱下方圍巖的降溫幅度依次增大。

4 高巖溫鐵路隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)溫度演化規(guī)律

4.1 初期支護(hù)溫度演化規(guī)律

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，以初期支護(hù)拱頂為例，繪制初期支護(hù)溫度隨時(shí)間變化曲線，見(jiàn)圖7。

由圖7可知，盡管圍巖初始溫度不同，初期支護(hù)拱頂外表面溫度均在隧道開(kāi)挖5 d內(nèi)出現(xiàn)了大幅度下降，占總降幅的92.7%～94.8%，而在之后的55 d里溫度變化很小，基本恒定在28 ℃左右，與洞內(nèi)空氣溫度基本一致，原因是初期支護(hù)較薄，其溫度場(chǎng)受通風(fēng)降溫影響顯著。初期支護(hù)其余部位同樣受到施工通風(fēng)的影響，其溫度變化規(guī)律與拱頂處相同。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，繪制初期支護(hù)溫度隨時(shí)間變化曲線，見(jiàn)圖8。

由圖8可知，7 d內(nèi)初期支護(hù)拱頂、拱腰、邊墻等各部溫度迅速降低，7 d后溫度則波動(dòng)均很小，接近洞內(nèi)空氣溫度。

比較數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，兩者反映出的初期支護(hù)溫度變化規(guī)律基本一致，即初期支護(hù)降溫方式表現(xiàn)為突變式降溫，且5～7 d后溫度與洞內(nèi)空氣溫度基本一致。

4.2 二次襯砌溫度演化規(guī)律

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，繪制二次襯砌溫度隨時(shí)間變化曲線，見(jiàn)圖9。

由圖9可知，二次襯砌左右邊墻溫度在0～7 d內(nèi)大幅度降低，7 d后變化很小，基本在34.5～35.5 ℃范圍內(nèi)，與洞內(nèi)空氣溫度差異不大(試驗(yàn)段后期通風(fēng)措施減弱，空氣溫度有所上升)。該溫度變化規(guī)律與初期支護(hù)一致。

5 結(jié)論

針對(duì)高巖溫鐵路隧道施工中溫度場(chǎng)的變化過(guò)程，運(yùn)用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試兩種方法開(kāi)展研究，可得到以下結(jié)論：

(1) 隧道開(kāi)挖對(duì)圍巖溫度場(chǎng)的影響范圍與圍巖初始溫度呈正相關(guān)關(guān)系，拱頂上方、邊墻兩側(cè)和仰拱下方圍巖的影響范圍可表示為圍巖初始溫度的二次函數(shù)。

(2) 隧道周邊圍巖降溫方式可分為突變式和漸變式；圍巖初始溫度越高，降溫幅度越大，拱頂上方、邊墻兩側(cè)、仰拱下方圍巖的降溫幅度依次增大。

(3) 隧道初期支護(hù)、二次襯砌降溫方式也表現(xiàn)為突變式降溫，即5～7 d內(nèi)溫度急劇下降，后期則基本與洞內(nèi)空氣溫度一直。這表明施工通風(fēng)的降溫效果顯著，高巖溫對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的作用時(shí)間有限，不利影響也是暫時(shí)的。

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