高地溫?zé)岷?duì)隧道及圍巖影響的研究進(jìn)展

扶鳳姣 胡玄旺 吳銀芳 張軍勝 趙慧玲 袁 嘯

1. 中電建路橋集團(tuán)有限公司 北京 100048；2. 上海大學(xué)土木工程系 上海 200444

隨著交通強(qiáng)國戰(zhàn)略的推進(jìn)，隧道工程建設(shè)范圍和里程不斷擴(kuò)大，隧道穿越的地質(zhì)條件越來越復(fù)雜。西部山區(qū)巖層隧道工程常遇到難以避繞的高地溫不良地質(zhì)，如已建成的西康（西安—安康）鐵路秦嶺隧道圍巖地溫達(dá)40 ℃。隧址區(qū)的高地溫場(chǎng)主要取決于深部熱流背景、巖漿活動(dòng)、地下水活動(dòng)、放射性生熱元素含量等。隧道施工中，高地溫不僅會(huì)使隧道內(nèi)作業(yè)環(huán)境惡化，增加安全風(fēng)險(xiǎn)，降低施工效率，而且圍巖高溫會(huì)使得隧道初襯混凝土黏結(jié)強(qiáng)度降低、噴射困難，二襯混凝土水泥水化熱不易散發(fā)導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度降低。同時(shí)，高地溫圍巖易使隧道襯砌產(chǎn)生溫度附加應(yīng)力，引起襯砌開裂，嚴(yán)重影響隧道的安全性與圍巖的穩(wěn)定性。

目前，針對(duì)高地溫環(huán)境問題的研究主要集中在隧道工程通風(fēng)降溫等技術(shù)方面，而高地溫對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)施工與力學(xué)行為影響的研究相對(duì)較少。本文對(duì)國內(nèi)外高地溫隧道研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)與分析，闡述高地溫對(duì)隧道襯砌施工力學(xué)行為、隧道襯砌混凝土耐久性以及隧道圍巖的影響，期望能為后續(xù)工程及研究提供一定的依據(jù)。

1 高溫?zé)岷?duì)隧道襯砌施工力學(xué)的影響

隧道開挖后，土體的原有平衡被破壞，隧道襯砌作為隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)維持圍巖的穩(wěn)定性。在高地溫環(huán)境下，圍巖溫度較高，需采取降溫措施控制隧道內(nèi)部溫度以保證施工環(huán)境。此時(shí)襯砌外表面承受圍巖高溫，內(nèi)表面溫度與施工環(huán)境保持一致，內(nèi)外的溫度差導(dǎo)致隧道形成圍巖-襯砌-氣流的傳熱系統(tǒng)，三者之間不斷進(jìn)行熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射，隧道圍巖溫度場(chǎng)不斷變化。受溫度場(chǎng)影響，襯砌的內(nèi)外表面產(chǎn)生不同程度的熱膨脹，導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度附加應(yīng)力而開裂，且在噴射混凝土?xí)r，溫度差導(dǎo)致混凝土黏結(jié)性能差，均不利于高地溫隧道的施工。

因此，已有學(xué)者針對(duì)高地溫隧道溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的變化等對(duì)隧道襯砌施工方面的影響，進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬研究。

1.1 高地溫隧道溫度場(chǎng)

隧道的圍巖-襯砌-氣流傳熱系統(tǒng)中，熱量交換主要通過圍巖與隧道之間的熱傳導(dǎo)、襯砌與隧道內(nèi)氣流之間的對(duì)流換熱進(jìn)行。熱輻射存在于整個(gè)傳熱系統(tǒng)中，但相對(duì)于熱傳導(dǎo)與對(duì)流換熱，熱輻射引起的熱量傳遞要小得多，故往往不予考慮。

目前的熱傳導(dǎo)與熱對(duì)流理論多基于三維均質(zhì)熱傳導(dǎo)偏微分方程與對(duì)流熱傳遞方程進(jìn)行求解，考慮到均質(zhì)環(huán)境下熱量呈環(huán)狀擴(kuò)散，Lai等[1]在極坐標(biāo)系下采用無量綱法、攝動(dòng)法求解二維熱傳導(dǎo)控制微分方程的近似解，得到了較為完備的解析。但由于隧道的施工條件復(fù)雜，方程的初始條件、邊界條件等需根據(jù)環(huán)境的改變而改變。如考慮到隧道圍巖的非均質(zhì)性對(duì)隧道傳熱的影響，需對(duì)近開挖面圍巖分層列出熱平衡微分方程進(jìn)行疊加求解；考慮到不同程度的高溫對(duì)隧道傳熱的影響，需對(duì)整個(gè)隧道進(jìn)行離散化分析。

在解析的基礎(chǔ)上，利用相關(guān)數(shù)值軟件也可實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)分布的計(jì)算，確定合理的數(shù)值模型，并有利于進(jìn)行復(fù)雜的耦合場(chǎng)計(jì)算。其中，與流場(chǎng)耦合不僅需考慮水分的熱傳遞，還需要考慮相變帶來導(dǎo)熱性能的變化。Zhang等[2]結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，充分考慮水分傳遞與熱傳導(dǎo)的耦合效應(yīng)建立熱平衡方程，運(yùn)用數(shù)值方法得到其半解析解，并應(yīng)用Galerkin法推導(dǎo)出隧道溫度場(chǎng)的有限元計(jì)算方法。考慮到隧道內(nèi)部氣流會(huì)隨著時(shí)間變化呈正弦規(guī)律變化，對(duì)隧道溫度場(chǎng)產(chǎn)生影響，Krarti等[3]通過建立簡化分析模型，基于隧道能量守恒原理，獲得了地下風(fēng)洞內(nèi)氣體溫度場(chǎng)的解析解。

目前已有研究均基于二維熱傳導(dǎo)方程進(jìn)行解析，沒有考慮隧道開挖方向上的熱傳遞影響；解析多為瞬態(tài)溫度場(chǎng)的分布情況，未能考慮在熱源影響下所形成的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，因此適用性和解答的精度受到限制。

1.2 高地溫隧道應(yīng)力場(chǎng)

隧道開挖敷上襯砌后，隧道形成了新的應(yīng)力場(chǎng)，在高地溫影響下，襯砌內(nèi)外受熱不均勻，應(yīng)力場(chǎng)隨著熱量傳遞而不斷變化。基于已形成的溫度場(chǎng)，學(xué)者們加入不同的熱本構(gòu)關(guān)系來聯(lián)立彈性方程，進(jìn)而求出指定溫度場(chǎng)狀態(tài)下的應(yīng)力場(chǎng)與位移場(chǎng)。劉乃飛等[4]提出高地溫隧道中襯砌受熱導(dǎo)致自生溫度應(yīng)力，同時(shí)襯砌與圍巖熱膨脹系數(shù)不同導(dǎo)致約束應(yīng)力，求解時(shí)需分開。其中，襯砌的自生溫度應(yīng)力計(jì)算模型如圖1所示，相關(guān)公式如式（1）～式（3）所示。

圖1 溫度應(yīng)力計(jì)算模型

其余參數(shù)意義可參見圖1。

求解約束應(yīng)力時(shí)假定襯砌與圍巖完全接觸，基于拉梅應(yīng)力公式可得彈性約束溫度應(yīng)力計(jì)算公式，如式（4）、式（5）所示。

式中：ps—熱彈性約束力。

鑒于隧道圍巖的不均勻性與施工條件的復(fù)雜性，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬結(jié)合往往成為研究的有效手段。研究[5]發(fā)現(xiàn)，隨著圍巖溫度的升高，初期支護(hù)的最大主應(yīng)力均迅速增大，高溫狀態(tài)下主應(yīng)力與無溫度場(chǎng)狀態(tài)下主應(yīng)力的比值隨溫度升高呈二次函數(shù)關(guān)系增長，分布范圍也存在擴(kuò)大趨勢(shì)，在溫度大于50 ℃時(shí)，初期支護(hù)已有可能發(fā)生破壞。將圍巖壓力按照規(guī)范[6]中深埋隧道的荷載模式簡化為垂直壓力與水平壓力，發(fā)現(xiàn)垂直壓力與水平壓力均隨著溫度升高呈增大趨勢(shì)，且垂直壓力增長速度更快，襯砌拱頂受壓增長速率最大，為最不利位置。高溫情況下，二次襯砌的最小安全系數(shù)迅速下降。當(dāng)溫度高于50 ℃時(shí)，最小安全系數(shù)甚至難以達(dá)到規(guī)范要求。因此，通常采取在初襯與二襯之間添加一層隔熱層以提高二襯承載能力。研究發(fā)現(xiàn)，隔熱層的施加可以顯著減小二襯的內(nèi)力，但對(duì)分布形式影響較小。工程實(shí)際應(yīng)用中，隔熱層的敷設(shè)方式與選用材料各有優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同的工程條件，其中貼壁式與夾心式隔熱層運(yùn)用廣泛，適用性好；干法硅酸鋁纖維板與硅酸鹽質(zhì)復(fù)合絕熱卷氈隔熱材料兼具隔熱性與經(jīng)濟(jì)性[7]。

1.3 高溫?zé)岷?duì)隧道襯砌黏結(jié)強(qiáng)度的影響

在噴射初期支護(hù)混凝土?xí)r，高巖溫加速了混凝土內(nèi)部水分的損失，尤其是處于高溫低濕的環(huán)境下，水分流失更快，噴射混凝土與巖層之間的黏結(jié)強(qiáng)度大大降低，且水分的缺失導(dǎo)致混凝土水化反應(yīng)中止快，水化產(chǎn)物不致密，混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為疏松多孔，黏結(jié)強(qiáng)度降低。同時(shí)，混凝土水化熱在高巖溫環(huán)境下不易散失，產(chǎn)生過多的溫度應(yīng)力，也不利于混凝土與巖層的黏結(jié)。

在高溫狀態(tài)下，混凝土需要更多的養(yǎng)護(hù)時(shí)間來達(dá)到其設(shè)計(jì)強(qiáng)度，故對(duì)襯砌混凝土的養(yǎng)護(hù)要求比較高。一般考慮在混凝土硬化之前盡早采取保溫保濕養(yǎng)護(hù)措施，目前針對(duì)施工、養(yǎng)護(hù)方法研究較多，多采用通風(fēng)降溫作為主要手段；并考慮于高巖溫洞段添加隔熱層或者采用耐高溫混凝土，張俊儒等[8]提出采用高性能隔熱輕骨料噴射混凝土代替?zhèn)鹘y(tǒng)的普通噴射混凝土初期支護(hù)與有機(jī)隔熱材料。但研究多針對(duì)高地溫環(huán)境下的養(yǎng)護(hù)與防護(hù)措施，有關(guān)混凝土與圍巖膠結(jié)面的破壞機(jī)理研究較少。

1.4 高溫?zé)崴h(huán)境對(duì)襯砌的影響

工程中一般在勘察設(shè)計(jì)階段就合理規(guī)劃隧道選線，避開高溫?zé)崴貐^(qū)，如難以避開，為減少地下熱水對(duì)隧道施工及運(yùn)營的影響，應(yīng)保持隧道在高溫?zé)崴嬷稀Ｒ恍┑貐^(qū)受其地層特性、地質(zhì)構(gòu)造以及地下水等因素影響，很可能出現(xiàn)高溫涌水等問題。在一些富水高地溫圍巖還存在著滲流與溫度效應(yīng)耦合，形成溫度場(chǎng)、流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)三場(chǎng)耦合的復(fù)雜問題。不僅需要考慮流體在溫度場(chǎng)中的熱傳遞，還要考慮土體間應(yīng)力對(duì)于滲流的影響。考慮流場(chǎng)、熱場(chǎng)、力場(chǎng)等多場(chǎng)耦合的高地溫隧道問題較為復(fù)雜，例如高地溫隧道過水導(dǎo)致襯砌受力與變形相比未考慮溫度場(chǎng)的情況增幅更大、高溫涌水導(dǎo)致圍巖襯砌黏結(jié)性能差等。另外，二次襯砌作為隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的載體，過水后其應(yīng)力增大，安全系數(shù)降低，更容易發(fā)生破壞。

同時(shí)，在高溫?zé)崴拈L期浸泡下，受水中負(fù)離子的侵蝕，隧道內(nèi)部支護(hù)結(jié)構(gòu)易被腐蝕，且混凝土內(nèi)部空隙被孔隙水填充，混凝土的飽和度增加，混凝土顆粒間的相互作用減小，材料強(qiáng)度降低，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)下降。華陽等[9]基于規(guī)范中材料性能計(jì)算方法，在有限元軟件中建立了有關(guān)混凝土溫度、飽和度、力學(xué)性能的耦合關(guān)系，對(duì)高溫?zé)崴绊懴碌乃淼懒踊卣鬟M(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)高地溫隧道襯砌拱頂在熱水作用下安全系數(shù)下降最快，拱肩次之。

2 高溫?zé)岷?duì)襯砌耐久性能的影響

在高地溫隧道工程噴射混凝土施工過程中，隧道內(nèi)與圍巖存在溫度差，噴射混凝土內(nèi)部形成溫度梯度，升溫或者降溫過程中均會(huì)產(chǎn)生熱變形。當(dāng)變形受約束而產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過混凝土自身抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土容易發(fā)生開裂。除了進(jìn)行及時(shí)合理的養(yǎng)護(hù)，工程中常選用合理骨料級(jí)配與水灰比、加入添加劑來防止裂縫產(chǎn)生。

2.1 混凝土長期強(qiáng)度

混凝土養(yǎng)護(hù)過程中，溫度越高、濕度越低，混凝土的抗?jié)B性能與抗碳化性能就越弱，混凝土的長期強(qiáng)度就越低。在養(yǎng)護(hù)過程中，隧道內(nèi)的地?zé)崤c圍巖溫度較高，混凝土內(nèi)部的膠凝材料水化速度快，生成的水化產(chǎn)物來不及均勻擴(kuò)散，初凝與終凝的時(shí)間大大縮短。雖然初凝時(shí)間縮短可以使混凝土的前期強(qiáng)度提高，但導(dǎo)致了內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松，混凝土的后期強(qiáng)度增長緩滯，且溫度越高、濕度越大，對(duì)混凝土抗氯離子滲透性能和抗碳化性能的影響越大。

對(duì)此，通常采用不同的骨料級(jí)配、配合比調(diào)整和添加相應(yīng)材料以增加混凝土的耐久性能。添加粉煤灰與礦渣粉，可以有效地抑制高地溫環(huán)境下襯砌混凝土的力學(xué)性能劣化。尤其是粉煤灰，在水化反應(yīng)中生成膠凝顆粒填充微觀空隙，使混凝土整體結(jié)構(gòu)更為緊密，有效地提高了混凝土的耐久性能。但粉煤灰通常在80 ℃超高地溫環(huán)境下表現(xiàn)較好，在50～60 ℃時(shí)礦渣粉的抑制劣化效果更優(yōu)；且過多地?fù)饺敕勖夯視?huì)導(dǎo)致水泥含量降低，強(qiáng)度不升反降，故需根據(jù)實(shí)際情況合理選擇粉煤灰摻量。王艷等[10]通過模塊試驗(yàn)研究不同齡期、不同摻合料混凝土的強(qiáng)度特性，并借助XRD和SEM測(cè)試手段，對(duì)比了摻和礦渣粉煤灰與單摻粉煤灰的差異，給出了不同溫度下不同配合比的更優(yōu)選擇。

2.2 混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)

高溫導(dǎo)致混凝土的早期水化反應(yīng)加快，會(huì)在混凝土內(nèi)部中留下許多孔洞，在長期使用過程中，內(nèi)部空隙由內(nèi)部擴(kuò)散至表面，形成裂紋，也會(huì)大大影響襯砌混凝土的耐久性能。摻入纖維可以有效提高混凝土的延展性，抑制混凝土裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展，降低混凝土的質(zhì)量損失與強(qiáng)度損失。纖維混凝土相比普通混凝土有更優(yōu)越的抗壓、抗剪性能，能夠滿足高地溫隧道襯砌的設(shè)計(jì)要求。王瑞興等[11]通過混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)，對(duì)比混凝土中摻加高熔點(diǎn)的鋼纖維、低熔點(diǎn)的丙烯纖維與玻化微珠后，對(duì)于抑制混凝土由于溫度效應(yīng)產(chǎn)生微裂縫的情況。郭麗萍等[12]發(fā)現(xiàn)摻入有機(jī)纖維可以減少高溫作用下混凝土的水分蒸發(fā)量，降低混凝土的質(zhì)量損失。

3 高溫?zé)岷?duì)隧道圍巖的影響

高溫?zé)岷Σ粌H會(huì)影響隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，也會(huì)影響隧道周圍巖層。地層巖石性質(zhì)復(fù)雜多變，其中復(fù)雜的礦物晶體的空間排列方式與結(jié)晶方式導(dǎo)致了巖石熱膨脹的各向異性。受熱時(shí)，內(nèi)部的礦物晶體會(huì)發(fā)生不同程度的膨脹，產(chǎn)生裂縫。同時(shí)巖石受熱微觀結(jié)構(gòu)改變、分子間約束力降低，裂紋產(chǎn)生及發(fā)展，物理性質(zhì)發(fā)生變化。

3.1 溫度對(duì)巖石物理參數(shù)的影響

研究發(fā)現(xiàn)巖石受熱導(dǎo)致內(nèi)部礦物成分發(fā)生復(fù)雜的物理或者化學(xué)變化，從而引起巖石物理力學(xué)性質(zhì)的改變。例如溫度升高會(huì)導(dǎo)致巖石內(nèi)聚力降低、內(nèi)摩擦角增大、彈性模量降低、脆性增加；在20～40 ℃范圍內(nèi)，彈性模量隨著溫度的升高而降低，泊松比隨著溫度的升高而升高，高于40 ℃后，彈性模量和泊松比受溫度影響的幅度降低[13]。萬志軍等[14]通過與溫度耦合的三軸試驗(yàn)測(cè)定了花崗巖的熱膨脹系數(shù)，指出熱膨脹系數(shù)隨著溫度升高而增加，且數(shù)值受圍巖圍壓影響較大。Yavuz等[15]通過試驗(yàn)研究與文獻(xiàn)調(diào)研，概述了花崗巖彈性模量、單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、泊松比、線性熱膨脹系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)、比熱和熱傳導(dǎo)率等物理性質(zhì)隨著溫度的變化。郤保平等[16]考慮了熱-水-力耦合，試驗(yàn)研究了高溫花崗巖遇水冷卻后抗壓抗拉強(qiáng)度、彈性模量與溫度的關(guān)系。

3.2 高溫下巖石熱應(yīng)力破壞特征

巖石在高溫狀態(tài)下產(chǎn)生熱應(yīng)力，受力狀態(tài)改變，嚴(yán)重時(shí)甚至產(chǎn)生裂縫。學(xué)者們對(duì)于巖石裂縫的研究主要采用電子計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）或掃描電子顯微鏡（SEM）等微觀方式，或者基于巖石破裂聲發(fā)射特征進(jìn)行觀察。研究發(fā)現(xiàn)，溫度升高后，在不均勻的熱膨脹下拉應(yīng)力增大，巖石產(chǎn)生裂縫甚至發(fā)生破壞，斷裂韌性降低[17]。根據(jù)聲發(fā)射變化規(guī)律，巖石熱破裂存在閾值，不同溫度段巖石的裂紋發(fā)展情況不同。趙陽升等[18]利用聲發(fā)射特征與三軸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)巖石溫度高于熱破裂閾值時(shí)，熱破裂隨溫度變化具有隨機(jī)性、間斷性與多期性。

武晉文等[19]提出巖石在升溫與降溫過程中產(chǎn)生破壞的類型也不同，其中升溫主要表現(xiàn)為彈塑性破裂，為壓剪破裂；降溫主要表現(xiàn)為脆性破裂，為拉剪破裂。除了受熱產(chǎn)生熱膨脹，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)巖石在高溫冷卻過程中會(huì)發(fā)生收縮，溫度越高收縮越大，巖石內(nèi)部拉應(yīng)力越大，越容易產(chǎn)生裂縫。

4 結(jié)語

1）高地溫隧道環(huán)境下，襯砌內(nèi)外存在溫度差，襯砌產(chǎn)生溫度應(yīng)力，致使襯砌產(chǎn)生裂縫，嚴(yán)重時(shí)甚至影響隧道及圍巖穩(wěn)定性。溫度越高，初次襯砌所受的溫度應(yīng)力越大，二次襯砌的安全系數(shù)更低。但是在初次襯砌與二次襯砌之間設(shè)置隔熱層可以有效地提高二次襯砌的安全系數(shù)，保證隧道的穩(wěn)定性。

2）在高地溫隧道施工過程中，隧道內(nèi)溫度較低，混凝土噴射到溫度較高的圍巖上時(shí)會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力，不利于兩者的黏結(jié)。在富含地下水巖層中，襯砌混凝土在高溫?zé)崴拈L期浸泡下，受水中負(fù)離子的侵蝕，耐久性能下降。同時(shí)，混凝土內(nèi)部空隙被孔隙水所填滿，導(dǎo)致混凝土性能發(fā)生劣化。

3）混凝土在養(yǎng)護(hù)過程中，環(huán)境溫度過高導(dǎo)致混凝土水化反應(yīng)不完全，終凝達(dá)不到所需時(shí)間，導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松，混凝土長期承載能力下降。同時(shí)，養(yǎng)護(hù)溫度過高導(dǎo)致早期混凝土水化反應(yīng)中留下許多孔洞，孔隙率增大，也降低了混凝土的耐久性能。

4）高溫?zé)岷χ率怪車鷰r層產(chǎn)生熱膨脹與熱應(yīng)力，引起巖土微觀結(jié)構(gòu)的改變、孔隙率的增大與圍巖物理力學(xué)性質(zhì)的改變。增加了周圍環(huán)境的復(fù)雜性與不穩(wěn)定性，是高地溫隧道施工與長期使用需要考慮的因素。