在多年凍土的隧道施工中溫度場(chǎng)控制的作用

劉志高

摘要：隨著近幾年施工技術(shù)的不斷提高，尤其在多年凍土的隧道施工中要求越來(lái)越嚴(yán)格，由于地質(zhì)的影響，如何在這種較低的溫度場(chǎng)下進(jìn)行施工是各大施工單位所面臨的重要問(wèn)題。本文主要分析在多年凍土隧道施工中，如何控制好溫度場(chǎng)，便于隧道施工，同時(shí)提出各個(gè)施工階段的工程措施，為相關(guān)的人士提供參考。

關(guān)鍵詞：多年凍土；隧道施工；溫度場(chǎng)控制

中圖分類(lèi)號(hào)：U45文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：

引言

在隧道施工過(guò)程中，一般我們需要考慮的是如何進(jìn)行安全的施工，因此，在進(jìn)行施工之前我們要做好綜合分析，考慮開(kāi)挖的過(guò)程出現(xiàn)的應(yīng)力集中區(qū)及圍巖變形等情況，做好安全保障。對(duì)于復(fù)雜的地區(qū)需要特殊處理，本文主要依據(jù)相關(guān)的實(shí)例結(jié)合，分析溫度場(chǎng)的控制要點(diǎn)，并對(duì)相關(guān)施工數(shù)據(jù)進(jìn)行探討和分析。從而確保凍土隧道的施工安全性。

一、工程概況分析

本文主要工程是青藏鐵路的施工，整個(gè)工程的全長(zhǎng)1142km，其中有550krn處于海拔4 000 m以上的多年凍土區(qū)域。其中昆侖山的隧道主要位于青藏高原的多年凍土的北端部分，由于青藏高原具有嚴(yán)酷的缺氧環(huán)境，而且昆侖山的隧道工程在整個(gè)工程中具有明顯的特點(diǎn)。

昆侖山的山體主要是三疊系板巖的夾片巖，山坡上分布有坡積角礫土和碎石土以及洪積碎石土。并且隧道洞身主要通過(guò)板巖的夾片巖，其中以板巖為主，局部為夾片巖。隧道的進(jìn)口山坡為陰坡，而凍土的上限為2.7 m，出口的山坡為陽(yáng)坡，凍土的上限為2.1～3 m。整個(gè)隧道的埋深3～106 m，通過(guò)勘測(cè)資料的顯示，昆侖山的隧道多年凍土下限為100～110 m，年平均地溫為一般在-1.81～-2．65℃，是屬于多年凍土的低溫穩(wěn)定區(qū)或者低溫基本穩(wěn)定區(qū)。

二、凍土隧道施工的溫度場(chǎng)控制分析

根據(jù)實(shí)際的工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于凍土的施工中，如何加強(qiáng)溫度場(chǎng)的控制，保證正常的施工，而提出的具體實(shí)施措施，本文主要利用有限元模型進(jìn)行分析，了解溫度對(duì)施工的影響。

（1）有限元模型的建立

主要是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的施工工藝流程及凍土圍巖的特殊要求，結(jié)合周?chē)臏囟扔绊戇M(jìn)行分析。

由于昆侖山隧道的特殊情況，因此，我們選取昆侖山隧道的橫截面作為有限元的幾何模型，其中模型的厚度為一個(gè)單位，隧道的埋深30m，對(duì)于下邊界的距離隧道的底部為20.8 m，并且隧道的兩側(cè)各26.5 m。由于所建立的模型隧道具有對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，所以，沿著隧道的中線(xiàn)取一半作為有限元幾何模型。其有限元模型圖如下圖所示：

圖1 有限元模型圖及荷載與參考點(diǎn)位置圖

其中我們需要對(duì)于工程的材料參數(shù)作出一些基本的假定：①?lài)鷰r均一而且各相同性和連續(xù)；②圍巖中的裂隙冰都是均勻分布；③不考慮熱輻射的影響。其中模型的工程材料參數(shù)如下表所示：

表1 工程材料參數(shù)表

由于圍巖具有和溫度相關(guān)的熱傳導(dǎo)和比熱和焓，因此采用國(guó)際的通用單位，根據(jù)需要，計(jì)算時(shí)間的單位為小時(shí)（h），其中焓由下式確定：

Q=Lpd（W—wu)

式中：Q為焓的含量(J／m3)；L為冰的水化潛熱(J／kg)；而Pd為圍巖的干密度(g／cm3)；W為含水率；wu為未凍水含水率。由于未凍水的含水率很小，一般忽略不計(jì)，圍巖的含水率從12％～24％，一般取含水率為12％進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果偏于安全。

（2）邊界條件分析

由于昆侖山的平均地溫處在-1.81～-2.65℃，一般取隧道的圍巖初始地溫-2.5℃。根據(jù)隧道施工的現(xiàn)場(chǎng)溫度量測(cè)數(shù)據(jù)表明，將施工的環(huán)境劃分三個(gè)等級(jí):最高溫度和正常溫度以及安全溫度。其中最高溫度為9～10℃，占整個(gè)施工周期11周左右；正常溫度1～4℃，主要的施工溫度處于此范圍；而安全溫度一般就是指低于零攝氏度一下。

由于隧道內(nèi)的溫度場(chǎng)分布不均勻，造成溫度上高下低，同時(shí)沿洞身的方向的溫度分布特征主要為隧道口溫度變化最大，而襯砌施工時(shí)此處的溫度最高，而開(kāi)挖面的頂部基本處于正常溫度。因此，我們將有限元模型的洞內(nèi)溫度荷載主要分為4個(gè)分區(qū)：洞頂?shù)焦把臏囟茸罡?，其次是拱腰到拱腳的溫度，緊接著是拱腳到墻中的溫度，在緊接著是墻中到洞底的溫度。

三、凍土隧道施工溫度場(chǎng)的影響作用分析

通過(guò)分析計(jì)算，由于溫度的問(wèn)題而引起的變形在工程中很小，并且實(shí)際的施工變形量也是很小，因此，溫度所引起的變化基本可以忽略不計(jì)。因此為了弄清隧道的淺層圍巖內(nèi)部溫度的變化和施工的安全之間的關(guān)系，我們選取了一些重要的參考點(diǎn)進(jìn)行安全分析。并根據(jù)施工和觀察點(diǎn)的分析，找出最佳的溫度場(chǎng)，從而提高施工的安全性。

根據(jù)需要，我們所選的觀察點(diǎn)主要位于圍巖，對(duì)于巖層的外表溫度主要通過(guò)直接測(cè)量法進(jìn)行取得數(shù)據(jù)，而圍巖的內(nèi)部溫度主要依據(jù)參考點(diǎn)的溫度變化而進(jìn)行觀察斷定。根據(jù)實(shí)際的情況，我們將昆侖山的隧道開(kāi)挖工作，分為4各階段進(jìn)行。第一，安全施工階段；第二，相對(duì)安全階段；第三，安全預(yù)警階段；第四，安全隱患階段。我們將四個(gè)階段的溫度進(jìn)行測(cè)定，從而直接將數(shù)據(jù)進(jìn)行反映出來(lái)。

下面我們主要對(duì)以下幾個(gè)方面的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，同時(shí)總結(jié)出施工中最佳的溫度場(chǎng)。

根據(jù)分析，總結(jié)出最不利荷載的作用下，關(guān)鍵點(diǎn)的溫度和時(shí)間關(guān)系圖如下:

圖2 最不利荷載的作用下的溫度和時(shí)間坐標(biāo)圖

根據(jù)圖表明，隨著時(shí)間的一定增加，觀察點(diǎn)的溫度有所變化，而且影響變化比較快。

正常荷載作用下關(guān)鍵點(diǎn)的溫度和時(shí)間變化圖如下圖所示：

圖3 正常荷載作用下的關(guān)鍵點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化圖

通過(guò)圖3表明，觀察點(diǎn)的溫度變化與時(shí)間的變化明顯不同步，整個(gè)隧道的上部基本上快于下部，一般在240 小時(shí)之內(nèi)，隧項(xiàng)的圍巖內(nèi)15 cm點(diǎn)處一直維持在負(fù)溫的狀態(tài)。

因此，通過(guò)分析可知，施工中的四個(gè)階段的安全狀態(tài)不同，所采取的措施也是不相同。因此，我們根據(jù)不同的溫度進(jìn)行不同的措施施工，從而保證了安全事故的發(fā)生。

四、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在多年凍土的隧道施工中，我們經(jīng)常采取的有限元模型進(jìn)行實(shí)際的溫度分析，并通過(guò)分析數(shù)據(jù)，找出不同溫度階段的施工方式，從而確保整個(gè)施工正常進(jìn)行，因此，在進(jìn)行凍土隧道施工中，加強(qiáng)溫度場(chǎng)的控制是確保安全施工的重要前提條件。

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注：文章內(nèi)所有公式及圖表請(qǐng)用PDF形式查看。