基于FIB計(jì)算方法的高溫?zé)崴h(huán)境對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全影響分析

華 陽,劉金松,粟 威,匡 亮,鄭長(zhǎng)青

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,成都 610031)

隨著我國交通、水電等行業(yè)的大力發(fā)展，大埋深、高海拔、特長(zhǎng)隧道工程數(shù)量明顯增多，建設(shè)過程中遇到的環(huán)境更為惡劣，地質(zhì)條件愈發(fā)復(fù)雜。深大活動(dòng)斷裂發(fā)育、火山或巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈、地溫梯度異常、地表熱顯著發(fā)育的地區(qū)，隧道修建過程中可能出現(xiàn)高巖溫或高溫?zé)崴葻岷ΜF(xiàn)象[1]，如國內(nèi)大瑞鐵路高黎貢山隧道、拉日鐵路吉沃希嘎隧道、齊熱哈塔爾電站引水隧洞，日本安房公路隧道，意大利Appenine鐵路隧道等工程施工揭示溫度均達(dá)50 ℃以上[2-3]。地溫異常環(huán)境給隧道工程設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營(yíng)維護(hù)各階段帶來一系列問題[4]。

高地溫包含高巖溫和高溫?zé)崴?汽)兩種熱害現(xiàn)象[5]，高巖溫或高溫?zé)崴畬?duì)結(jié)構(gòu)影響不盡相同?，F(xiàn)行TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》等規(guī)定了常溫下隧道襯砌的設(shè)計(jì)施工方法、防排水技術(shù)，但不能滿足高巖溫、高水溫條件鐵路隧道建設(shè)需要；TB 10005—2010《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》也缺少對(duì)高溫環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的具體說明，沒有相應(yīng)作用等級(jí)及設(shè)防措施要求。目前，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)高地溫對(duì)隧道結(jié)構(gòu)影響規(guī)律已開展了廣泛的研究工作。

理論研究方面，周小涵等[6]根據(jù)能量守恒定律，建立了隧道結(jié)構(gòu)與高溫圍巖及隧道內(nèi)空氣間的傳熱方程；賈善坡等[7]借助數(shù)值手段建立了巖石熱-力-損傷耦合模型及其參數(shù)演化方程，分析巖石熱-力完全耦合作用及其對(duì)力學(xué)參數(shù)和熱特性參數(shù)的影響；王明年等[8]基于高地溫隧道實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，開展力學(xué)試驗(yàn)，建立考慮溫度損傷效應(yīng)的巖石-混凝土界面剪切本構(gòu)模型；邵珠山等[9]考慮了高巖溫和壓力荷載的共同作用，建立了隧道的熱傳導(dǎo)方程和平衡方程，獲得了隧道結(jié)構(gòu)和圍巖的溫度場(chǎng)、位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的解析解。

數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究方面，孫其清等[10]通過溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的耦合，建立三維荷載-結(jié)構(gòu)模型，研究不同地溫、不同齡期混凝土二次襯砌受力特性，并提出相應(yīng)工程應(yīng)對(duì)措施。馬飛等[11]采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)值分析等方法，研究了高溫水工隧洞圍巖溫度場(chǎng)分布規(guī)律及預(yù)測(cè)方法。吳根強(qiáng)[12]通過數(shù)值模擬分析了不同地溫下，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力隨通風(fēng)時(shí)間的變化情況；吳彪等[13]依托拉林鐵路桑珠嶺隧道工程，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了溫度和隔熱層對(duì)襯砌受力特性的影響，發(fā)現(xiàn)設(shè)置隔熱層可改善襯砌結(jié)構(gòu)受力，二次襯砌軸力和彎矩顯著減小，但其分布特征相似；王瑞興等[14]通過混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)，分析了高溫養(yǎng)護(hù)混凝土出現(xiàn)的溫度效應(yīng)，峰值強(qiáng)度和彈性模量隨溫度升高呈下降趨勢(shì)；穆震[15]對(duì)含有摻合料混凝土進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，研究高溫養(yǎng)護(hù)條件下，含摻合料對(duì)混凝土前期強(qiáng)度提高，后期降低這一溫度效應(yīng)的改善作用。王明年等[16]通過熱-應(yīng)力耦合數(shù)值模擬，研究了高巖溫鐵路隧道初期支護(hù)和二次襯砌在不同巖溫下的安全性，通過室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試了鐵路隧道常用防水材料及兩種新型防水材料的高溫性能，通過有限元數(shù)值模擬比選了高巖溫鐵路隧道新型支護(hù)結(jié)構(gòu)體系。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)單一高地溫環(huán)境對(duì)隧道結(jié)構(gòu)影響已開展充分研究，從試驗(yàn)獲得高溫下材料力學(xué)性能變化規(guī)律、理論推導(dǎo)圍巖-結(jié)構(gòu)熱傳遞方程，到數(shù)值計(jì)算高地溫隧道結(jié)構(gòu)受力規(guī)律等方面，已獲得有關(guān)結(jié)構(gòu)受熱力影響特征的豐富成果。但現(xiàn)有研究鮮有針對(duì)高溫?zé)崴r下結(jié)構(gòu)力學(xué)指標(biāo)變化情況進(jìn)行分析，水-熱綜合環(huán)境導(dǎo)致的隧道結(jié)構(gòu)安全問題更缺乏討論，故有必要對(duì)熱水影響下隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全性展開分析，為高溫?zé)崴r下隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供具體指導(dǎo)。

鑒于此，基于國內(nèi)外混凝土材料研究理論成果，推導(dǎo)水-熱綜合環(huán)境下隧道襯砌劣化計(jì)算公式，結(jié)合桑珠嶺高地溫隧道現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行高地溫隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算，探明高溫?zé)崴C合因素影響下隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全變化特征。

1 高溫?zé)崴畬?duì)隧道襯砌的影響

1.1 高地溫對(duì)襯砌混凝土的影響

混凝土是含有微裂隙等初始缺陷的材料，當(dāng)受熱或承受一定載荷后，不可避免會(huì)產(chǎn)生損傷。溫度對(duì)混凝土性質(zhì)的影響極其明顯，由于夾雜膠結(jié)物的軟化，高溫下混凝土顆粒黏結(jié)力減小，使得混凝土的損傷破壞更加復(fù)雜。

高溫可能引起襯砌混凝土材料的早期強(qiáng)度升高，后期強(qiáng)度降低，而高溫地下熱水大多具有不同程度的腐蝕性，將影響襯砌混凝土結(jié)構(gòu)耐久性。根據(jù)拉日線吉沃希嘎隧道研究結(jié)果，隨著巖溫升高，二次襯砌安全系數(shù)呈下降趨勢(shì)，在巖溫60 ℃時(shí)開始發(fā)生破壞[2]。拉林線桑珠嶺隧道混凝土回彈試驗(yàn)表明：高地溫段二次襯砌混凝土強(qiáng)度合格率僅為88.8%，而常溫段混凝土強(qiáng)度合格率近100%。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)裂縫調(diào)查，高地溫段二襯裂紋比普通段明顯增多，以邊墻位置縱向裂紋為主，如圖1所示。調(diào)研資料表明，高溫加速混凝土碳化[17]，70%濕度條件下，環(huán)境溫度從10 ℃提高到50 ℃，混凝土的碳化速度提高了近3倍；同時(shí)，不均勻溫度變形產(chǎn)生局部微應(yīng)力集中，導(dǎo)致缺陷擴(kuò)展，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐久性。

圖1 拉林鐵路桑珠嶺隧道襯砌開裂

根據(jù)國際混凝土聯(lián)合會(huì)(FIB)修訂的《混凝土結(jié)構(gòu)模型規(guī)范2010》[18]，當(dāng)溫度0 ℃

(1)

式中，ft(T)為溫度T(℃)條件下的混凝土抗拉強(qiáng)度，MPa；fc(T)為溫度T(℃)條件下的混凝土抗壓強(qiáng)度，MPa；Ec(T)為溫度T(℃)條件下的混凝土彈性模量，MPa；ft為20 ℃時(shí)立方體抗拉強(qiáng)度，MPa；fc為20 ℃時(shí)立方體抗壓強(qiáng)度，MPa；Ec為20 ℃時(shí)混凝土彈性模量，MPa。

1.2 地下水滲透對(duì)襯砌的影響

當(dāng)隧道穿越高溫?zé)崴畮?，襯砌結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期處于地下水浸泡作用，混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部空隙被孔隙水滲透填充。孔隙水的存在將對(duì)混凝土材料的力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響，大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，孔隙自由水的存在顯著影響著混凝土強(qiáng)度以及變形特性，削弱了混凝土顆粒間的作用，降低了材料強(qiáng)度，但同時(shí)提高了材料的初始彈性模量，飽和濕度條件下混凝土表現(xiàn)出的力學(xué)性質(zhì)與自然濕度條件有很大差異[18]。在實(shí)際工程中有必要考慮濕度條件對(duì)混凝土材料本構(gòu)行為的影響。

(2)

式中，ftws、fcws、Ews分別為濕混凝土抗拉強(qiáng)度(MPa)、抗壓強(qiáng)度(MPa)及彈性模量(GPa)；ftds、fcds、Eds分別為干燥混凝土抗拉強(qiáng)度(MPa)、抗壓強(qiáng)度(MPa)及彈性模量(GPa)；g為飽和度，g=0為干燥，g=1為飽和；Kt、Kc、KE分別為飽和狀態(tài)較干燥狀態(tài)相比抗拉、抗壓強(qiáng)度的減小系數(shù)和初始彈性模量的增長(zhǎng)系數(shù)。Rossi試驗(yàn)中，飽和混凝土初始彈模較干燥狀態(tài)提高了40%；閆東明試驗(yàn)中，飽和狀態(tài)的抗拉強(qiáng)度較自然狀態(tài)降低41.2%，抗壓強(qiáng)度降低了20%。參考試驗(yàn)結(jié)果可取Kt=0.4，Kc=0.2，KE=0.4。

1.3 高溫?zé)崴饔孟乱r砌混凝土劣化表達(dá)

聯(lián)立式(1)、式(2)，即可獲得不同溫度、濕度條件下混凝土襯砌的力學(xué)參數(shù)

(3)

式(3)即為隧道襯砌混凝土在高溫?zé)崴h(huán)境下的力學(xué)參數(shù)計(jì)算公式。由此得到不同溫度、飽和度條件下混凝土抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及彈性模量，作為ANSYS荷載-結(jié)構(gòu)模型二襯劣化計(jì)算的輸入?yún)?shù)。

1.4 分析流程

高地溫隧道襯砌結(jié)構(gòu)劣化臨界條件判定流程如圖2所示。

圖2 高地溫隧道襯砌結(jié)構(gòu)劣化臨界條件判定流程

依據(jù)容許應(yīng)力法計(jì)算隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)，為保證隧道結(jié)構(gòu)安全性，隧道結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)應(yīng)滿足規(guī)范要求[20]。荷載組合為主要荷載的形式，因此，截面由受壓破壞控制時(shí)最小安全系數(shù)2.0，截面由受拉破壞控制時(shí)最小安全系數(shù)2.4。

2 計(jì)算模型

2.1 荷載-結(jié)構(gòu)模型

目前常用的隧道結(jié)構(gòu)受力計(jì)算方法主要有荷載-結(jié)構(gòu)模型和地層-結(jié)構(gòu)模型，經(jīng)試算后發(fā)現(xiàn)，荷載-結(jié)構(gòu)模型安全系數(shù)小于地層-結(jié)構(gòu)模型，基于安全角度出發(fā)，最終選擇荷載-結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算。

隧道襯砌采用梁?jiǎn)卧狟eam 2D elastic 3(Beam3)模擬；圍巖與襯砌之間采用彈簧Link10單元模擬，默認(rèn)圍巖不抗拉，彈簧只承受壓力；圍巖節(jié)點(diǎn)設(shè)置固端約束。計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 荷載-結(jié)構(gòu)模型

2.2 荷載施加

荷載類型主要考慮結(jié)構(gòu)自重與圍巖壓力，圍巖壓力根據(jù)TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦公式進(jìn)行計(jì)算，施加方式參照《時(shí)速200 km高速鐵路隧道復(fù)合式襯砌通用參考圖》，襯砌按承受圍巖荷載50%～70%考慮，采用等效節(jié)點(diǎn)荷載方式施加在模型上。

2.3 材料物理力學(xué)參數(shù)

為較好地指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選取具代表性的Ⅳ級(jí)圍巖作為研究對(duì)象，圍巖物理力學(xué)參數(shù)依據(jù)TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》取值，如表1所示。

表1 各級(jí)圍巖的物理力學(xué)指標(biāo)

根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，隧道二次襯砌混凝土材料參數(shù)如表2所示。

表2 襯砌材料原始參數(shù)

由式(3)分析可知，當(dāng)隧道處于高地溫環(huán)境，襯砌混凝土在溫度(T)、飽和度(g)綜合作用下趨于劣化，彈性模量、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等各項(xiàng)指標(biāo)均有折減，故計(jì)算過程中基于表2參數(shù)進(jìn)行了折減考慮。

2.4 計(jì)算工況

Ⅳ級(jí)圍巖工況下同時(shí)考慮溫度及地下水等因素作用，共計(jì)35種工況，組合情況如表3所示。

表3 計(jì)算工況

3 數(shù)值計(jì)算分析

3.1 高巖溫環(huán)境下結(jié)構(gòu)安全特性

根據(jù)熱能儲(chǔ)存形式、水文地質(zhì)特征等因素，高地溫隧道可按成因分為高巖溫和高溫?zé)崴畠纱箢?。高溫?zé)崴拇嬖诒厝徽T發(fā)高巖溫，而單一的高巖溫地層未必出現(xiàn)高溫?zé)崴甗21]。因此，首先對(duì)單一高巖溫工況下隧道結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行分析，為進(jìn)一步探明復(fù)雜高地溫條件對(duì)隧道影響規(guī)律作鋪墊。

假設(shè)隧道處于干燥無水的圍巖環(huán)境，結(jié)構(gòu)僅受地溫影響?？扇』炷溜柡投萭=0，通過改變圍巖溫度T獲得(T，K)變化規(guī)律。根據(jù)桑珠嶺、吉沃希嘎等高巖溫隧道現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，最高巖溫達(dá)89.3 ℃，故以20 ℃～90 ℃作為計(jì)算溫度取值區(qū)間，計(jì)算獲得襯砌各部位安全系數(shù)。如圖4所示。

圖4 不同溫度下襯砌各部位安全系數(shù)(g=0)

為便于對(duì)比分析，首先對(duì)常溫工況下結(jié)構(gòu)安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。由圖4可知，常溫(20 ℃)下，襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)最小值(K=2.3)分別出現(xiàn)在拱頂和拱肩，拱頂安全性最低，拱肩部位(K=3.9)次之，但均滿足安全要求；襯砌其他部位安全系數(shù)分布于15～18，數(shù)值相對(duì)較高且變化不大，表明拱肩以下部位有較大安全余量。

當(dāng)襯砌溫度由20 ℃升高至80 ℃，計(jì)算結(jié)果表明：襯砌各部位安全系數(shù)整體呈下降趨勢(shì)，其中，拱頂和拱肩部位K值降幅較小，維持在5%以內(nèi)；拱肩以下部位降幅較大，達(dá)到15%～20%，且K值越大部位降幅越顯著，但均能滿足安全要求。

從以上分析可知，溫度從20 ℃升至80 ℃過程中，襯砌結(jié)構(gòu)安全性一定程度上受溫度變化影響，但影響有限：對(duì)于安全余量較高的部位，K值仍維持在較高水平(K>10)，結(jié)構(gòu)安全未受威脅。所以，單一的高巖溫環(huán)境不會(huì)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全造成較大影響。為明確溫度與安全系數(shù)的影響關(guān)系，圖5對(duì)不同溫度下結(jié)構(gòu)安全性制點(diǎn)的K值進(jìn)行函數(shù)擬合。

圖5 T-K影響關(guān)系曲線

由圖5可知，在單一高巖溫作用下，結(jié)構(gòu)控制安全系數(shù)K隨著巖溫升高呈線性遞減，但變化幅度有限。溫度由20 ℃升至80 ℃過程中，K值由2.32減小至2.25，降幅約3.2%，均能滿足結(jié)構(gòu)安全條件。

3.2 高溫?zé)崴畻l件下結(jié)構(gòu)安全特性

通過上述分析可知，隧道結(jié)構(gòu)安全性在單一巖溫作用下并未受顯著影響。由于隧道穿越的地層復(fù)雜多變，往往處于溫度場(chǎng)、滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等多種因素耦合作用的惡劣環(huán)境，單一高溫工況的結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果偏于安全?？紤]到高地溫隧道通常伴隨著高溫?zé)崴霈F(xiàn)，故有必要對(duì)實(shí)際面臨的復(fù)雜工況下結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行分析，以便于更有效地指導(dǎo)設(shè)計(jì)施工。

3.2.1 結(jié)構(gòu)不同部位受熱水影響分析

假設(shè)隧道處于T=80 ℃高溫?zé)崴h(huán)境。通過改變襯砌飽和度g(=0.2/0.4/0.6/0.8)模擬地下水不同滲透作用下結(jié)構(gòu)安全受力特征，獲得(g，K)變化規(guī)律。計(jì)算獲得襯砌各部位安全系數(shù)，如圖6所示。

圖6 不同飽和度下襯砌各部位安全系數(shù)(T=80 ℃)

圖6繪制了高溫?zé)崴?T=80 ℃)工況下結(jié)構(gòu)安全系數(shù)K包絡(luò)圖。由圖6可知：襯砌飽和度變化對(duì)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)K分布特性無顯著影響，安全控制點(diǎn)與無水工況下一致，仍處于拱頂和拱肩；但隨著飽和度g逐漸增大，結(jié)構(gòu)整體安全系數(shù)隨之下降。

對(duì)比圖5、圖6可知，當(dāng)T=80 ℃時(shí)，與無水環(huán)境相比，高溫?zé)崴h(huán)境下(g=0.2～0.8)襯砌各部位安全系數(shù)衰減幅度顯著增大。其中，拱頂部位K值降幅最大，降幅達(dá)到20%～60%，拱肩部位次之，K值降幅為13%～40%，其余各部位降幅均維持在10%～30%以內(nèi)。由此可見，水的滲透作用對(duì)結(jié)構(gòu)安全性影響非常關(guān)鍵，且一定程度上加劇了拱頂?shù)缺∪醪课坏慕Y(jié)構(gòu)失效過程。

3.2.2 不同環(huán)境因素對(duì)結(jié)構(gòu)安全影響

由上文分析可知，溫度(T)變化對(duì)隧道整體結(jié)構(gòu)安全影響較小，而飽和度(g)對(duì)其影響較大，但未能明確不同飽和度(或溫度)工況下結(jié)構(gòu)安全性變化特征。下面通過對(duì)比不同飽和度(或溫度)條件下結(jié)構(gòu)安全變化情況進(jìn)一步分析，以探明不同飽和度(或溫度)對(duì)結(jié)構(gòu)安全的具體影響程度。

圖7繪制了不同溫度下，襯砌飽和度g由0升高至0.2過程中各部位安全系數(shù)K衰減幅度變化情況。由圖7可知，當(dāng)溫度T=20 ℃時(shí)，飽和度對(duì)結(jié)構(gòu)各部位安全的影響波動(dòng)不大，除拱頂與拱肩部位K值降幅超過10%外，其余各部位均維持在5%～10%。其中，拱墻部位降幅整體上低于其他部位，維持在7%左右。當(dāng)溫度升高至T=80 ℃，飽和度對(duì)結(jié)構(gòu)薄弱部位安全影響加劇，拱頂局部K值降幅由12%擴(kuò)大至22%，拱肩次之，局部K值降幅由10%擴(kuò)大至14%。同時(shí)，拱墻、仰拱等其他部位K值降幅受溫度變化影響較弱，仍維持在10%以內(nèi)。

由上述分析可知，溫度在一定程度上改變了飽和度對(duì)結(jié)構(gòu)安全的影響規(guī)律，主要表現(xiàn)為：溫度的升高加劇了拱頂和拱肩等薄弱部位的結(jié)構(gòu)失效過程，但結(jié)構(gòu)其他部位受其影響不大。同理，可對(duì)不同飽和度工況下結(jié)構(gòu)受溫度變化的影響規(guī)律進(jìn)行分析，如圖8所示。

圖8 不同飽和度下K值衰減幅度曲線

圖8繪制了不同飽和度下，環(huán)境溫度T由20 ℃升高至80 ℃過程中各部位安全系數(shù)K衰減幅度變化情況。由圖8可知，當(dāng)飽和度g=0，即干燥狀態(tài)下，拱頂和拱肩部位K值降幅較小，維持在5%以內(nèi)，而拱墻及仰拱部位降幅較大，超過15%；當(dāng)飽和度升高至g=0.2，溫度對(duì)結(jié)構(gòu)薄弱部位安全影響加劇，拱頂局部K值降幅由3%擴(kuò)大至7%，拱肩次之，局部K值降幅由3%擴(kuò)大至8%。同時(shí)，拱墻、仰拱等其他部位K值降幅受溫度變化影響較弱，仍維持在17%左右。

因此，飽和度在一定程度上同樣改變了溫度對(duì)結(jié)構(gòu)安全的影響規(guī)律，表現(xiàn)為飽和度升高加劇了拱頂和拱肩等部位的結(jié)構(gòu)失效，但其他部位受其影響有限。

3.3 襯砌臨界配筋條件

在高溫?zé)崴饔孟拢淼酪r砌結(jié)構(gòu)安全受溫度和飽和度等綜合因素影響，當(dāng)外部環(huán)境趨于惡劣時(shí)，安全系數(shù)逐漸降低，結(jié)構(gòu)從安全轉(zhuǎn)為不安全。因此，有必要基于高溫?zé)崴饔孟陆Y(jié)構(gòu)安全系數(shù)衰減規(guī)律，提出襯砌結(jié)構(gòu)臨界配筋條件，以利于指導(dǎo)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

假設(shè)隧道襯砌處于飽和度g=0.2～0.8地下水滲透環(huán)境，同時(shí)結(jié)構(gòu)受到熱水高溫影響，根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制不同溫度工況下結(jié)構(gòu)g-K關(guān)系函數(shù)，如圖9所示。

圖9 不同溫度下g-K曲線

圖9擬合了20 ℃和80 ℃工況下，結(jié)構(gòu)控制部位(拱頂)安全系數(shù)與飽和度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由圖9可知，80 ℃時(shí)結(jié)構(gòu)安全性較20 ℃整體偏低，但幅度有限，以K0=2.0作為安全控制界限，可以獲得不同溫度下結(jié)構(gòu)趨于不安全的臨界飽和度，即臨界配筋條件：當(dāng)20 ℃時(shí)，襯砌飽和度達(dá)到0.17時(shí)，結(jié)構(gòu)控制部位安全系數(shù)K

4 結(jié)論

依托川藏沿線高地溫隧道病害特征，基于FIB計(jì)算方法開展數(shù)值計(jì)算，分析了隧道襯砌結(jié)構(gòu)在高溫?zé)崴疂B透等因素綜合作用下的劣化規(guī)律及安全特性，結(jié)論與建議如下。

(1)高溫?zé)崴畬?duì)結(jié)構(gòu)安全不利，隧道拱頂和拱肩部位作為結(jié)構(gòu)最不利控制點(diǎn)，安全系數(shù)較低。

(2)溫度對(duì)結(jié)構(gòu)安全性產(chǎn)生不利影響，但影響有限，結(jié)構(gòu)控制點(diǎn)安全系數(shù)K隨著巖溫升高呈線性遞減，拱肩以上部位K值降幅較小，拱肩以下部位降幅較大，但均能滿足安全要求。

(3)地下水滲透對(duì)結(jié)構(gòu)安全性產(chǎn)生不利影響，與無水作用環(huán)境相比，高溫?zé)崴h(huán)境下襯砌各部位安全系數(shù)衰減幅度顯著增大，且隨著襯砌飽和度g逐漸增大，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)整體呈下降趨勢(shì)。

(4)高溫環(huán)境和地下水滲透效應(yīng)相互作用、互為影響，溫度變化在一定程度上改變了飽和度對(duì)結(jié)構(gòu)安全的影響規(guī)律，主要表現(xiàn)為，溫度升高加劇了拱頂和拱肩等薄弱部位的結(jié)構(gòu)失效過程；飽和度升高也擴(kuò)大了拱頂和拱肩等部位的結(jié)構(gòu)劣化幅度，但其他部位受其影響有限。

(5)隧道高地溫段落襯砌設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮溫度及地下水滲透作用，合理加強(qiáng)配筋設(shè)計(jì)。當(dāng)襯砌溫度T=20 ℃時(shí)，襯砌臨界配筋飽和度為g20 ℃=0.22；當(dāng)襯砌溫度T=80 ℃時(shí)，襯砌臨界配筋飽和度為g80 ℃=0.17。