季凍區(qū)客運(yùn)專線隧道局部存水凍脹對(duì)襯砌力學(xué)性能的影響分析

王雪來 崔光耀 侯占鰲 呂曉聰

(1. 北方工業(yè)大學(xué)， 北京 100144；2. 中鐵隧道集團(tuán)一處有限公司， 重慶 401121)

目前，國內(nèi)外在建或已建成的部分寒區(qū)隧道在施工或運(yùn)營階段都不同程度地出現(xiàn)了凍害現(xiàn)象，影響到隧道的正常運(yùn)營。我國在東北等高緯度嚴(yán)寒地區(qū)修建的隧道中，有許多處于凍土區(qū)域，對(duì)這些隧道冰凍災(zāi)害進(jìn)行調(diào)查后，發(fā)現(xiàn)有約80%的隧道存在凍害，可見我國對(duì)隧道防凍技術(shù)的研究迫在眉睫[1-2]。

對(duì)于季凍區(qū)隧道的研究，主要應(yīng)用局部存水凍脹模型、破碎凍融圈整體凍脹模型以及含水風(fēng)化層凍脹模型三大凍脹模型來研究其凍脹機(jī)理。局部存水凍脹模型認(rèn)為，隧道初支和二襯之間存在儲(chǔ)水的空間，溫度降低時(shí)，儲(chǔ)水空間中的水將會(huì)結(jié)冰，并且由于不斷的水源補(bǔ)給遷移至冰面將會(huì)形成巨大的凍脹力。破碎凍融圈整體凍脹模型認(rèn)為，隧道襯砌一定深度范圍的圍巖形成凍結(jié)圈，凍結(jié)圈范圍的巖石中孔隙均勻且飽和，則凍結(jié)圈范圍內(nèi)的水凍成冰由將整體凍脹，從而對(duì)隧道襯砌產(chǎn)生凍脹力。含水風(fēng)化層凍脹模型認(rèn)為，凡是有凍害的隧道，襯砌周邊的圍巖均有10～20 cm左右厚的風(fēng)化層，凍脹力正是由緊貼襯砌的圍巖含水風(fēng)化層的凍脹而產(chǎn)生的[3-6]。

國內(nèi)外有關(guān)專家、學(xué)者對(duì)季凍區(qū)隧道的凍脹機(jī)理及抗凍措施等進(jìn)行了部分研究，主要有：張祉道等人對(duì)三大凍脹模型的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了探討并提出的凍脹力計(jì)算公式以及建議的保溫結(jié)構(gòu)，可供設(shè)計(jì)工作者參考[7]；李集光通過研究隧道病害特點(diǎn)及區(qū)域適應(yīng)性，提出了已損二次襯砌加強(qiáng)和增設(shè)防寒保溫措施的相關(guān)處治方案[8]；程濤等人基于伴有相變的瞬態(tài)傳熱理論和abaqus有限元模型模擬了圍巖凍結(jié)溫度場(chǎng)動(dòng)態(tài)分布規(guī)律以及圍巖凍脹后的襯砌內(nèi)力及變形特征[9]；董宇倉等人采用理論分析與數(shù)值模擬方法，對(duì)鐵路隧道在不同斷面形式、圍巖級(jí)別以及襯砌背后不同積冰厚度和積冰位置時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)凍脹力大小及分布規(guī)律進(jìn)行了研究[10]。綜上，目前針對(duì)寒區(qū)隧道積冰位置不同對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)影響方面的研究較少。本文依托吉圖琿客運(yùn)專線五峰山隧道，運(yùn)用有限元數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)不同積冰位置情況下，局部存水凍脹力對(duì)隧道襯砌力學(xué)性能的影響進(jìn)行了分析，研究成果可為季凍區(qū)隧道抗凍設(shè)計(jì)及凍害整治提供參考。

1 吉圖琿客運(yùn)專線五峰山隧道工程概況

1.1 地質(zhì)條件

吉圖琿客運(yùn)專線五峰山隧道位于吉林省安圖縣石門鎮(zhèn)龍城屯附近，隧道進(jìn)口位于龍城屯東南約300 m處，出口位于榆樹川西側(cè)的陡坡上。隧道地處敦化隆起與延吉盆地的交界部位，地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，隧址區(qū)域內(nèi)受構(gòu)造影響，華力西晚期巖漿巖侵入強(qiáng)烈，隧址區(qū)通過地層主要表層為華力西晚期第二、第三花崗巖。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

五峰山隧道斷面為馬蹄形，跨度13.62 m，高度10.31 m。隧道全長 3 705 m，最大埋深283 m。隧道洞身段二次襯砌采用C30素混凝土，厚度40 cm。

2 凍脹力計(jì)算

襯砌結(jié)構(gòu)所受的凍脹力是由襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖之間積存的水體凍脹引起的，其方向始終垂直于襯砌結(jié)構(gòu)。根據(jù)寒區(qū)硬巖隧道凍脹力產(chǎn)生的機(jī)理，范磊等人推導(dǎo)了凍脹力的計(jì)算公式[11]：

(1)

式中：α——冰的凍脹率；

t——水體深度；

Krm——圍巖的彈性抗力系數(shù)的平均值；

K1m——襯砌結(jié)構(gòu)的彈性當(dāng)量系數(shù)的平均值；

Kim——冰的彈性當(dāng)量系數(shù)的平均值。

根據(jù)設(shè)計(jì)資料，隧道襯砌采用C30素混凝土，襯砌厚度40 cm，襯砌的彈性當(dāng)量系數(shù)取75 kPa/mm。隧道圍巖為Ⅳ級(jí)圍巖，圍巖的彈性抗力系數(shù)取500 kPa/mm，冰的彈性當(dāng)量系數(shù)的平均值取175 kPa/mm。冰的凍脹率取10%。具體計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 計(jì)算參數(shù)

通過局部存水凍脹力的計(jì)算公式(1)，計(jì)算得到局部存水凍脹力大小為0.91 MPa。

3 襯砌力學(xué)性能影響分析

3.1 計(jì)算模型

根據(jù)設(shè)計(jì)資料，用ANSYS軟件對(duì)隧道建立地層結(jié)構(gòu)模型。襯砌材料按線彈性考慮。襯砌材料采用BEAM單元，圍巖材料采用PLANE42單元，建立計(jì)算模型并劃分網(wǎng)格單元。計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型圖

3.2 計(jì)算工況

為研究不同積冰位置，局部存水凍脹力對(duì)隧道襯砌力學(xué)性能的影響，建立8組計(jì)算模型進(jìn)行對(duì)比研究，如表2所示。

表2 計(jì)算工況

選取計(jì)算工況各監(jiān)測(cè)斷面的拱頂、左拱肩、左邊墻，如圖2所示。

圖2 隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置形式圖

3.3 內(nèi)力分析

提取不同工況襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力(以工況1、2、5、8彎矩為例)，如圖3所示。提取各工況襯砌結(jié)構(gòu)最大彎矩值，并與工況1進(jìn)行對(duì)比，如表3所示。

上述農(nóng)諺即是農(nóng)民長期經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，不管是農(nóng)作物栽種、施肥還是五畜飼養(yǎng)都要具體問題具體分析，根據(jù)各自的特點(diǎn)，尊重客觀規(guī)律，做到一切從實(shí)際出發(fā)。

圖3 各工況隧道襯砌彎矩圖

表3 各工況最大彎矩值

由圖3及表3可知，施加局部凍脹力后，隧道襯砌受力處彎矩突變明顯，襯砌最大彎矩值與工況1相比有明顯提高，最大提高3.49倍。

3.4 安全系數(shù)

提取各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的彎矩、軸力值，由公式(2)、公式(3)計(jì)算襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)[12]，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

KN≤φαRabh

(2)

(3)

式中：b——截面寬度，取1 m；

h——截面厚度；

Ra——混凝土抗壓極限強(qiáng)度；

K——安全系數(shù)；

φ——構(gòu)件縱向彎曲系數(shù)；

α——軸向力偏心影響系數(shù)。

表4 各工況最小安全系數(shù)

繪制各種工況的安全系數(shù)包絡(luò)圖(以工況1、2、5、8為例)，如圖4所示。

圖4 各工況隧道襯砌安全系數(shù)包絡(luò)圖

由表4及圖4可知，當(dāng)凍脹力分別作用在隧道拱頂、拱肩、拱腰時(shí)，隧道安全系數(shù)相較于無凍脹力作用時(shí)都會(huì)降低，當(dāng)凍脹力作用于拱頂時(shí)，安全系數(shù)降低更為顯著。當(dāng)存水位置位于隧道拱頂時(shí)，影響最大，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)最小值由10.33降至4.62，下降55.28%。

4 結(jié)論

(1)局部存水凍脹可對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全性造成一定的不利影響，存水位置不同，影響程度有所差別。

(2)施加局部凍脹力后，隧道襯砌受力處彎矩突變明顯，襯砌最大彎矩值與工況1相比有明顯提高，最大提高3.49倍。

(3)當(dāng)隧道拱頂、拱肩、拱腰處積冰時(shí)，隧道安全系數(shù)相較于無凍脹力作用時(shí)都會(huì)降低，當(dāng)拱頂處積冰時(shí)，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)降低更為顯著，安全系數(shù)最小值由10.33降至4.62，下降55.28%。