寒區(qū)隧道襯砌周邊凍脹力及防治措施研究

劉 萌 周有祿

(1.甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學院，蘭州 730050； 2.中鐵西北科學研究院有限公司，蘭州 730000)

我國寒區(qū)面積約417.4×104km2，占國土面積的43.5%，其中多年凍土面積約215×104km2，占國土面積的22.3%[1-2]。寒區(qū)分布有豐富的自然資源，為了有效開發(fā)和利用自然資源，需在寒區(qū)修建鐵路和公路，而在建設過程中必然會遇到隧道。

在冰凍期內(nèi)，寒區(qū)隧道出現(xiàn)了不同程度的病害(凍脹開裂、結(jié)冰等)，凍脹病害對襯砌結(jié)構(gòu)造成影響，降低隧道使用壽命，而滴水形成浮冰對鐵路運行構(gòu)成極大安全威脅[3]。尤其在氣溫極低的高寒地區(qū)，凍害問題更是突出，嚴重威脅行車安全[4-5]。

目前，國內(nèi)外學者對隧道建設進行大量研究，但對于高寒地區(qū)的隧道防凍害技術(shù)研究相對較少[6]。為研究高寒地區(qū)高標準鐵路隧道建設中的凍脹及防治措施等問題，基于有限元軟件構(gòu)建寒區(qū)隧道凍脹模型，探討圍巖性質(zhì)、含水率和襯砌彈性模量對凍脹力的影響，提出高寒地區(qū)隧道凍害防治原則，對凍害等級進行劃分，并提出防治措施建設，為高寒地區(qū)的隧道建設提供參考。

1 工程概況

元山隧道位于軍馬一場西南方向的祁連山中高山區(qū)，平均海拔在3 000 m以上，最高海拔為3 292 m。隧道工程區(qū)主要為石炭系上統(tǒng)砂巖，山坡坡面分布有第四系粉土、細角礫土、粗角礫土等。地下水賦存類型主要為第四系孔隙潛水、基巖裂隙水和構(gòu)造裂隙水，與隧道關(guān)系較密切的為基巖裂隙水和構(gòu)造裂隙水。具有春季多雪多風，夏季涼爽多雨，秋季溫和暫短，冬季寒冷漫長的氣候特點[7]。

2 數(shù)值分析

2.1 數(shù)學模型

隧道截面縱向的變形可以看作為零，故隧道的溫度和應力場耦合計算可簡化為平面應變問題，隧道有限元模型如圖1所示。平面應變問題的邊界取3～5倍開挖洞徑，左右邊界取56 m，下邊界取56 m，左右方向約束水平自由度，底面約束豎向自由度，隧道頂面為自由面。地層采用PLANE 13號耦合單元，利用其線性膨脹系數(shù)、比熱及導熱系數(shù)來考慮溫度與應力場的耦合作用；二次襯砌采用BEAM 3號梁單元模擬；地層與襯砌之間采用LINK10號桿單元連接，單元KEYOPT(3)設置為1，僅考慮受壓狀態(tài)。

圖1 有限元模型

數(shù)值模擬參數(shù)由圍巖級別、含水率和襯砌彈性模量確定，其中隧道埋深為50 m，圍巖級別選擇為Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ級圍巖，含水率分別選擇10%、20%和30%，彈性模量分別選8 GPa、16 GPa和32 GPa，共9種工況。

材料參數(shù)取值見表1和表2。

表1 物理力學參數(shù)

表2 熱力學參數(shù)

2.2 襯砌凍脹力分析

數(shù)值分析的凍脹力定義：凍結(jié)前后圍巖與結(jié)構(gòu)接觸壓力的差值(提取LINK10的軸向壓應力)，以符號σd表示。根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，提取各條件下襯砌6個典型位置的凍脹力值(如圖2所示)，據(jù)此確定各影響因素下凍脹力的變化規(guī)律。

3 結(jié)果分析

3.1 圍巖性質(zhì)對襯砌凍脹力的影響

圖3反映了圍巖等級對襯砌周圍凍脹力的影響，由圖3可知，不同圍巖環(huán)境下襯砌周邊的凍脹力分布形狀類似，凍脹力最大處在墻腳附近，凍脹力最小處在仰拱中心，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是結(jié)構(gòu)應力集中和外荷載作用下襯砌的不均勻變形導致。此外，圍巖性質(zhì)越差，襯砌周邊凍脹力越小，但各位置的減幅不同(見表3)：圍巖從Ⅳ級到Ⅴ級時，仰拱中心處(6號點)減幅最大，從0.571 MPa減至0.432 MPa；圍巖從Ⅴ級到Ⅵ級時，拱腳處(3號點)減幅最大，從1.161 MPa減至0.003 MPa；對于最大凍脹力(4號點)，圍巖從Ⅳ-Ⅴ-Ⅵ級變化時，凍脹力變化為1.944-1.672-0.230 MPa。

圖2 典型位置凍脹力位置示意

圖3 圍巖等級對襯砌周邊凍脹力的影響(單位：MPa)

表3 各監(jiān)測點凍脹力隨圍巖等級的增幅

3.2 含水率對襯砌凍脹力的影響

當氣溫降低時，隧道圍巖中的水將會變成冰，導致體積膨脹，是圍巖-襯砌接觸面產(chǎn)生凍脹的主要原因[8]。一般而言，在相同條件下含水率越高的裂隙，其凍結(jié)過程中凍脹力就越大。在不同含水率下，Ⅳ圍巖中襯砌周邊的凍脹力如圖4所示。由圖4可知，當隧道圍巖含水率的不斷增加時，作用在襯砌上的凍脹力不斷增大。各監(jiān)測點處凍脹力的增幅見表4所示。

表4 各監(jiān)測點凍脹力隨含水率的增幅

當含水率由10%增至20%時，拱頂處(1號點)的增幅最大，凍脹力從1.034 MPa增至2.117 MPa，當含水率由20%增至30%時，墻腳處(5號點)的凍脹力增幅最大，從2.675 MPa增至4.085 MPa；對于最大凍脹力(4號點)，含水率從10%-20%-30%變化時，凍脹力變化為1.672-3.433-5.193 MPa。上述現(xiàn)場表明，寒區(qū)隧道的凍脹力對水分特別敏感，在隧道設計和施工階段，宜做好防排水措施，減少圍巖中的水分，達到降低凍脹力，提高運營期寒區(qū)隧道可靠性的目的。

圖4 含水率對襯砌周邊凍脹力的影響(單位：MPa)

3.3 襯砌彈性模量對襯砌凍脹力的影響

圖5為襯砌彈性模量對襯砌周邊凍脹力的影響，由圖5可知，當二次襯砌的彈性模量越大時，作用在二次襯砌上的凍脹力就越強，這跟含水率高低對襯砌凍脹力的影響類似，但同樣各監(jiān)測點處的增幅不同(見表5)：當彈性模量從8 GPa增至16 GPa時，拱腳處(3號點)的增幅最大，凍脹力從0.455 MPa增至0.662 MPa，增幅達31.27%，當彈性模量從16 GPa增至32 GPa時，仰拱中心處(6號點)的凍脹力增幅最大，從0.239 MPa增至0.300 MPa；對于最大凍脹力(4號點)，彈性模量從8-16-32 GPa變化時，變化為0.878-1.148-1.269 MPa。凍脹力對襯砌作用的大小跟其周圍約束程度密切相關(guān)。在相同條件下，襯砌對圍巖的約束變形越強，其對襯砌的凍脹力就越大，反之則越小。從混凝土的力學性能可知，約束力的大小和混凝土應變相關(guān)，即混凝土彈性模量越大，其抵抗變形的能力越強，約束力越大[9]。當襯砌周圍的圍巖發(fā)生凍脹時，襯砌能夠發(fā)生一定的變形，可以一定程度上減少凍脹力[10]。上述現(xiàn)象說明，容易產(chǎn)生凍脹現(xiàn)象的隧道，在承載力和變形條件允許的情況下，可以通過降低襯砌的剛度，適當增加混凝土變形來降低凍脹力對襯砌的作用，達到保護隧道的目的。

圖5 襯砌彈性模量對襯砌周邊凍脹力的影響

表5 各監(jiān)測點凍脹力隨彈性模量的增幅

4 隧道凍害的防治措施

4.1 圍巖注漿

針對隧道內(nèi)圍巖存在含水裂隙以及破碎帶圍巖層[11]。通過注漿能夠增大圍巖強度，增強破碎帶圍巖的整體性，不但起到堵水防水作用，而且還降低了圍巖在凍結(jié)過程中凍脹力作用。

當水頭壓力不大時，應在除了仰拱以外的其他所有斷面圍巖進行注漿，若圍巖水頭壓力較大時，應考慮隧道全斷面圍巖注漿[12]。注漿深度應大于隧道圍巖的凍結(jié)深度，注漿施工應在保溫隔熱層施工前進行，防止注漿中損壞保溫隔熱材料，注漿時間一般應在最大融深時進行，高寒地區(qū)的一般在每年的8月、9月。

4.2 防排水

高寒區(qū)隧道防、排水措施對降低隧道凍害程度起著至關(guān)重要的作用，成功的防水、排水措施能夠使隧道圍巖發(fā)生凍脹時襯砌結(jié)構(gòu)不破壞，排水設施不凍結(jié)[13]。

高寒區(qū)隧道建設存在3種情況：①隧道之上均為多年凍土層；②是隧道之上有零星多年凍土分布；③是隧道范圍均為非多年凍土。

高寒地區(qū)隧道圍巖大多不同程度含水，一般情況下，需設縱向?qū)?，在邊墻之?nèi)設集水盲井和排水溝或泄水洞[14]。這些措施能否發(fā)揮其功能，取決于這些排水設置能否真正構(gòu)成暢通無阻集排水系統(tǒng)。這就要求排水設施布設位置與深度要合理，最好布設在最大凍結(jié)深度范圍之外。若配合保溫、加熱等措施，也可以適當減小埋深。

4.3 隔熱保溫材料

高寒區(qū)隧道工程中常采用保溫隔熱材料來減少凍結(jié)深度和消減凍脹力作用。其中，噴涂發(fā)泡保溫材料既能夠很好的起隔熱保溫作用，而且能夠隔斷水源[15]。當在初襯和二次襯砌中間設置保溫材料時還能起到緩沖作用，從而減低圍巖凍脹力對襯砌的作用和初襯的變形對二次襯砌的作用。

根據(jù)以上分析，提出高寒區(qū)隧道凍害防治綜合措施如下。

①在隧道進出口段落設置加強配筋的抗凍混凝土；②在隧道洞口圍巖和襯砌之間設置保溫隔熱處理的隔熱層；③通過圍巖預注漿及二次注漿措施填充圍巖裂隙減少水分存儲空間；④加強隧道進出口段防排水措施，將排水設施增加埋設深度和防寒措施，有必要時可在洞口附近增設加熱措施。

4.4 寒區(qū)隧道凍害設防等級及措施建議

根據(jù)以上分析，在高寒區(qū)修建隧道，從襯砌凍脹力及洞內(nèi)結(jié)冰情況考慮，提出高寒區(qū)隧道凍害等級及相應設防措施(見表6)。

表6 寒區(qū)隧道凍害等級及相應設防措施

5 結(jié)論

(1)受隧道結(jié)構(gòu)應力集中和外荷載作用下襯砌不均勻變形的影響，襯砌周邊的凍脹力分布明顯不均勻，墻腳附近凍脹力最大，仰拱中心凍脹力最小。

(2)圍巖性質(zhì)越差，襯砌周邊凍脹力越小，但各位置的減幅不同；圍巖從Ⅳ變化至Ⅵ級時，最大凍脹力從1.944 MPa減少至0.502 MPa。

(3)隧道襯砌結(jié)構(gòu)所受凍脹力最大時，該處圍巖中的含水率較高，但隨含水率增加，各處的凍脹力增幅有所不同；當含水率從10%增加至30%時，最大凍脹力從1.672 MPa增至5.193 MPa。

(4)襯砌彈性模量越大，作用在襯砌上的凍脹力越強，但各位置處的增幅不同；彈性模量從8 GPa增至32 GPa變化時，最大凍脹力從0.878 MPa增至1.269 MPa。

(5)凍脹力與外界的約束程度密切相關(guān)，寒區(qū)隧道在做好防水的同時，在變形允許的條件下，宜適當降低襯砌結(jié)構(gòu)的彈性模型，以減少作用在襯砌上的凍脹力。

(6)提出高寒區(qū)隧道凍害防治綜合措施及原則，即采取多道防護、加強綜合整治的措施；采取注漿、防排水、隔熱保溫技術(shù)并重的原則。