季凍區客運專線隧道局部存水凍脹對襯砌力學性能的影響分析

王雪來 崔光耀 侯占鰲 呂曉聰

(1. 北方工業大學， 北京 100144；2. 中鐵隧道集團一處有限公司， 重慶 401121)

目前，國內外在建或已建成的部分寒區隧道在施工或運營階段都不同程度地出現了凍害現象，影響到隧道的正常運營。我國在東北等高緯度嚴寒地區修建的隧道中，有許多處于凍土區域，對這些隧道冰凍災害進行調查后，發現有約80%的隧道存在凍害，可見我國對隧道防凍技術的研究迫在眉睫[1-2]。

對于季凍區隧道的研究，主要應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化層凍脹模型三大凍脹模型來研究其凍脹機理。局部存水凍脹模型認為，隧道初支和二襯之間存在儲水的空間，溫度降低時，儲水空間中的水將會結冰，并且由于不斷的水源補給遷移至冰面將會形成巨大的凍脹力。破碎凍融圈整體凍脹模型認為，隧道襯砌一定深度范圍的圍巖形成凍結圈，凍結圈范圍的巖石中孔隙均勻且飽和，則凍結圈范圍內的水凍成冰由將整體凍脹，從而對隧道襯砌產生凍脹力。含水風化層凍脹模型認為，凡是有凍害的隧道，襯砌周邊的圍巖均有10～20 cm左右厚的風化層，凍脹力正是由緊貼襯砌的圍巖含水風化層的凍脹而產生的[3-6]。

國內外有關專家、學者對季凍區隧道的凍脹機理及抗凍措施等進行了部分研究，主要有：張祉道等人對三大凍脹模型的優缺點進行了探討并提出的凍脹力計算公式以及建議的保溫結構，可供設計工作者參考[7]；李集光通過研究隧道病害特點及區域適應性，提出了已損二次襯砌加強和增設防寒保溫措施的相關處治方案[8]；程濤等人基于伴有相變的瞬態傳熱理論和abaqus有限元模型模擬了圍巖凍結溫度場動態分布規律以及圍巖凍脹后的襯砌內力及變形特征[9]；董宇倉等人采用理論分析與數值模擬方法，對鐵路隧道在不同斷面形式、圍巖級別以及襯砌背后不同積冰厚度和積冰位置時，襯砌結構凍脹力大小及分布規律進行了研究[10]。綜上，目前針對寒區隧道積冰位置不同對襯砌結構影響方面的研究較少。本文依托吉圖琿客運專線五峰山隧道，運用有限元數值模擬技術，對不同積冰位置情況下，局部存水凍脹力對隧道襯砌力學性能的影響進行了分析，研究成果可為季凍區隧道抗凍設計及凍害整治提供參考。

1 吉圖琿客運專線五峰山隧道工程概況

1.1 地質條件

吉圖琿客運專線五峰山隧道位于吉林省安圖縣石門鎮龍城屯附近，隧道進口位于龍城屯東南約300 m處，出口位于榆樹川西側的陡坡上。隧道地處敦化隆起與延吉盆地的交界部位，地質構造發育，隧址區域內受構造影響，華力西晚期巖漿巖侵入強烈，隧址區通過地層主要表層為華力西晚期第二、第三花崗巖。

1.2 結構設計

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 凍脹力計算

襯砌結構所受的凍脹力是由襯砌結構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構。根據寒區硬巖隧道凍脹力產生的機理，范磊等人推導了凍脹力的計算公式[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的平均值；

K1m——襯砌結構的彈性當量系數的平均值；

Kim——冰的彈性當量系數的平均值。

根據設計資料，隧道襯砌采用C30素混凝土，襯砌厚度40 cm，襯砌的彈性當量系數取75 kPa/mm。隧道圍巖為Ⅳ級圍巖，圍巖的彈性抗力系數取500 kPa/mm，冰的彈性當量系數的平均值取175 kPa/mm。冰的凍脹率取10%。具體計算參數如表1所示。

表1 計算參數

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

3 襯砌力學性能影響分析

3.1 計算模型

根據設計資料，用ANSYS軟件對隧道建立地層結構模型。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，建立計算模型并劃分網格單元。計算模型如圖1所示。

圖1 計算模型圖

3.2 計算工況

為研究不同積冰位置，局部存水凍脹力對隧道襯砌力學性能的影響，建立8組計算模型進行對比研究，如表2所示。

表2 計算工況

選取計算工況各監測斷面的拱頂、左拱肩、左邊墻，如圖2所示。

圖2 隧道監測點布置形式圖

3.3 內力分析

提取不同工況襯砌結構內力(以工況1、2、5、8彎矩為例)，如圖3所示。提取各工況襯砌結構最大彎矩值，并與工況1進行對比，如表3所示。

上述農諺即是農民長期經驗的總結，不管是農作物栽種、施肥還是五畜飼養都要具體問題具體分析，根據各自的特點，尊重客觀規律，做到一切從實際出發。

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

提取各監測點的彎矩、軸力值，由公式(2)、公式(3)計算襯砌結構安全系數[12]，計算結果如表4所示。

KN≤φαRabh

(2)

(3)

式中：b——截面寬度，取1 m；

h——截面厚度；

Ra——混凝土抗壓極限強度；

K——安全系數；

φ——構件縱向彎曲系數；

α——軸向力偏心影響系數。

表4 各工況最小安全系數

繪制各種工況的安全系數包絡圖(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包絡圖

由表4及圖4可知，當凍脹力分別作用在隧道拱頂、拱肩、拱腰時，隧道安全系數相較于無凍脹力作用時都會降低，當凍脹力作用于拱頂時，安全系數降低更為顯著。當存水位置位于隧道拱頂時，影響最大，結構安全系數最小值由10.33降至4.62，下降55.28%。

4 結論

(1)局部存水凍脹可對隧道結構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)當隧道拱頂、拱肩、拱腰處積冰時，隧道安全系數相較于無凍脹力作用時都會降低，當拱頂處積冰時，結構安全系數降低更為顯著，安全系數最小值由10.33降至4.62，下降55.28%。