隧道防寒泄水洞適宜埋置深度數(shù)值分析

毛正君，魏榮譽(yù)，李廣平

(1.西安科技大學(xué)　地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西　西安　710054；2. 山西省交通科學(xué)研究院　黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西　太原　030006；3. 中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西　西安 710075)

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隧道防寒泄水洞適宜埋置深度數(shù)值分析

毛正君1, 2，魏榮譽(yù)1，李廣平3

(1.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西西安710054；2. 山西省交通科學(xué)研究院黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西太原030006；3. 中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西西安 710075)

基于MIDAS/GTS有限元分析軟件，以雁口山隧道為實(shí)例，固定隧道主洞位置并貫通，僅調(diào)整防寒泄水洞的埋置深度，通過分析防寒泄水洞在不同埋置深度條件下的位移變化規(guī)律、應(yīng)力變化規(guī)律和塑性區(qū)變化規(guī)律，揭示了防寒泄水洞在不同埋置深度條件下對隧道主洞結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明：隧道主洞與防寒泄水洞之間的結(jié)構(gòu)影響是相互的；從位移變化規(guī)律來看，雁口山隧道防寒泄水洞的適宜有效埋深為5～6m；從應(yīng)力變化規(guī)律來看，雁口山隧道防寒泄水洞的適宜有效埋深為5～6m；在考慮防寒泄水洞支護(hù)和材料受力均一性的基礎(chǔ)上，從塑性區(qū)變化規(guī)律來看，雁口山隧道防寒泄水洞的適宜有效埋深為4～6m。在綜合考慮隧址區(qū)最大凍結(jié)深度、安全經(jīng)濟(jì)要求以及結(jié)構(gòu)影響因素，最終確定了雁口山隧道防寒泄水洞適宜的有效埋置深度為5m，即雁口山隧道防寒泄水洞適宜埋置深度為8m。

隧道工程；埋置深度；MIDAS/GTS；防寒泄水洞；雁口山隧道

0　引言

土層年凍結(jié)深度大于80cm的地區(qū)稱為寒區(qū)，我國有一半以上的國土面積屬于寒區(qū)，寒區(qū)隧道工程是基礎(chǔ)建設(shè)中的一項(xiàng)特殊工程[1]。隨著我國交通運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大力發(fā)展，在寒區(qū)修建的隧道越來越多，對于寒區(qū)隧道建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)問題日益受到工程界的關(guān)注和重視[2-5]。凍害是影響我國寒區(qū)隧道安全行車與運(yùn)營管理的主要問題之一[6-10]。

目前對于寒區(qū)隧道排水系統(tǒng)，主要有雙側(cè)保溫水溝、中心深埋保溫水溝和防寒泄水洞3種形式[11]。嚴(yán)寒地區(qū)，最冷月份平均氣溫低于-25 ℃，當(dāng)?shù)仞ば酝羶鼋Y(jié)深度大于2.5m時(shí)，如采用明挖中心溝時(shí)，埋深過大，施工困難，且有可能影響邊墻和隧道的穩(wěn)定時(shí)，可在主隧道下設(shè)置防寒泄水洞[12]。防寒泄水洞在寒區(qū)隧道的應(yīng)用，可以追溯到位于青藏高原東北部的大坂山隧道，該隧道為了保證洞內(nèi)防排水設(shè)施的運(yùn)作，在隧道主洞正下方5.0m處設(shè)置了防寒泄水洞[1, 13]。防寒泄水洞和泄水橫洞對于緩解和防止大坂山隧道圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹有重要作用[14]。目前，對于防寒泄水洞的研究主要集中在以下3個(gè)方面：(1)防寒泄水洞的施工工藝和防寒保溫措施[15-20]；(2)對運(yùn)營的寒區(qū)隧道防寒泄水洞的實(shí)地調(diào)研和使用效果評價(jià)[14]；(3)對防寒泄水洞進(jìn)行溫度場模擬研究[21-24]。

然而，對于防寒泄水洞位于隧道主洞下方的合理埋置深度還有待于進(jìn)一步研究。防寒泄水洞的埋置深度即指隧道主洞底至其下方防寒泄水洞底的高度[25]。對于防寒泄水洞埋置深度的確定，公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則(TG/TD70—2010)規(guī)定：“應(yīng)保證溝內(nèi)水流不凍結(jié)，且不小于隧址區(qū)圍巖最大凍結(jié)深度；應(yīng)滿足暗挖時(shí)不至于引起隧底坍塌的要求；埋置深度不宜過深，避免不必要的延長防寒泄水洞的長度和增加工程造價(jià)。”因此，對于具體的寒區(qū)隧道，防寒泄水洞的埋置深度必須綜合考慮隧址區(qū)最大凍結(jié)深度、安全經(jīng)濟(jì)要求以及結(jié)構(gòu)影響因素。

本文以雁口山隧道為實(shí)例，采用數(shù)值仿真分析手段，基于MIDAS/GTS有限元分析軟件，從隧道主洞與防寒泄水洞結(jié)構(gòu)相互影響出發(fā)，按照隧道主洞貫通后，再分別以埋置深度為5～12m范圍施做防寒泄水洞，從而確定出適宜的雁口山隧道防寒泄水洞埋置深度。

1　工程概況

雁口山隧道位于青海省玉樹州稱多縣歇武鎮(zhèn)東北方向約10km處，為分離式隧道，左線長3 966.0m，進(jìn)出口設(shè)計(jì)路面高程4 333.99～4 235.74m，設(shè)計(jì)縱坡-2.500%，右線長3 950.0m，進(jìn)出口設(shè)計(jì)路面高程4 333.01～4 236.26m，設(shè)計(jì)縱坡-2.480%，軸線方位228°，單洞設(shè)計(jì)凈寬10.0m，洞凈高8.0m。隧址區(qū)處于青藏高原三江源地區(qū)，通天河、扎曲河及歇武河交匯處，屬構(gòu)造剝蝕低山丘陵地貌，地形總體呈西北-東南向，地形起伏較大。

隧址區(qū)深處內(nèi)陸高原腹地，海拔高，受海洋季風(fēng)影響較微弱，屬典型的高原大陸性半干旱氣候類型。冬季氣候寒冷漫長，多風(fēng)雪，易成雪災(zāi)；夏季氣候涼爽短促，雨水較充足。中高山脈終年霜雪不斷，降水分布地區(qū)差異明顯，隨地勢升高降水量增加，氣溫和蒸發(fā)量隨海拔高度的增加而相對下降和減少。四季不分明，晝夜溫差大，空氣稀薄，氣壓低含氧量少。隧址區(qū)年平均氣溫-1.7 ℃，極端最高氣溫24.0 ℃，極端最低氣溫-33.0 ℃。年平均相對濕度為81%，年平均蒸發(fā)量為1 649.2mm。全年冰凍期長達(dá)7個(gè)月，最大積雪深度14cm，最大凍結(jié)深度3.08m。日照充足，年平均日照率達(dá)50%～60%。

隧址區(qū)多年平均降水量約615.2mm，年平均降雨日數(shù)約為170d，月最大降雨量為425mm，降雨量多集中在每年的5—9月份，約占全年降雨量的54%。大氣降水沿坡面流入沖溝內(nèi)，最后匯入歇武河。歇武河河水常年流水不斷，雨季時(shí)水量較大，旱季時(shí)水量較小；歇武河河床較為狹窄，河漫灘較為平緩。

依據(jù)地下水的賦存條件可將隧址區(qū)地下水劃分為第四系松散巖孔隙水和基巖裂隙水。第四系松散巖孔隙水分布于坡體及溝谷，賦存于碎石土、粉質(zhì)黏土中，補(bǔ)給源為大氣降水及地下水側(cè)向補(bǔ)給；基巖裂隙水主要賦存于中生界三疊系統(tǒng)上巴顏喀拉山群(T3by)砂巖和頁巖互層風(fēng)化帶的裂隙中，受控于風(fēng)化層厚度變化，透水性及富水性較好，補(bǔ)給源為大氣降水，受季節(jié)影響，水量變化大。

2　模型建立及確定參數(shù)

2.1基本假設(shè)

基于MIDAS/GTS有限元分析軟件，作出以下基本假設(shè)：隧道主洞位置固定，并開挖結(jié)束已貫通，僅調(diào)整防寒泄水洞的埋置深度；土體設(shè)置為莫爾-庫倫材料，初期支護(hù)采用噴射混凝土；初始應(yīng)力場僅考慮圍巖自重應(yīng)力場，不考慮圍巖的構(gòu)造應(yīng)力；模型上邊界定義為自由面，模型左、右邊界定義為法向約束，模型下邊界采用全約束條件。

2.2模型建立

考慮隧道的影響范圍，模型左、右邊界按照距隧道輪廓線側(cè)面3～5倍洞徑取值，模型底部邊界按照距隧道輪廓線底部3～5倍洞高取值，模型上邊界按照距隧道輪廓線上部取值為隧道平均埋深25m，從而得到模型尺寸為110m×75m。隧道主洞及防寒泄水洞設(shè)置見圖1，模型網(wǎng)格劃分見圖2。

圖1　隧道主洞及防寒泄水洞示意圖(單位：mm)Fig.1　Schematic diagram of main tunnel and cold-proof drainage hole(unit：mm)

圖2　模型網(wǎng)格劃分圖(單位:m)Fig.2　Model meshing(unit:m)

注：X為防寒泄水洞有效埋深；2 900+X為防寒泄水洞埋置深度。

雁口山隧道在開挖完隧道主洞后，再進(jìn)行防寒泄水洞施工，施工工況定義見表1。方案設(shè)計(jì)如表2所示。

表1　施工工況定義表Tab.1　Definition of construction state

表2　方案設(shè)計(jì)表Tab.2　Design scheme

2.3確定參數(shù)

所選取的圍巖材料力學(xué)參數(shù)如表3所示。

表3　圍巖材料力學(xué)參數(shù)[26]Tab.3　Mechanical parameters of surrounding rock materials

3　數(shù)值模擬計(jì)算

3.1位移變化規(guī)律

圖3　防寒泄水洞不同埋置深度條件下位移云圖(單位：mm)Fig.3　Displacement nephograms in different embedded depths for cold-proof drainage hole(unit:mm)

為了分析在防寒泄水洞不同埋置深度條件下的位移變化規(guī)律，將初始狀態(tài)位移量清零，所得防寒泄水洞不同埋置深度下的位移云圖見圖3。從圖3可以看出，防寒泄水洞埋置深度越大，位移等值線受到影響的程度越?。划?dāng)防寒泄水洞有效埋深處于5～6m時(shí)，即埋置深度處于8～9m時(shí)，防寒泄水洞的開挖對位移等值線的影響基本消除。

圖4　防寒泄水洞不同埋置深度條件下隧道主洞各控制點(diǎn)位移量Fig.4　Displacements of main tunnel control sites in different embedded depths for cold-proof drainage hole

防寒泄水洞處于隧道主洞正下方不同埋置深度處的隧道主洞各控制點(diǎn)位移量變化見圖4。從圖4可以看出：當(dāng)防寒泄水洞處于不同的埋置深度時(shí)，隧道主洞各控制點(diǎn)的位移量變化趨勢是基本一致的，但在影響程度上表現(xiàn)出拱底的沉降量最大，拱腳次之，拱頂最小。防寒泄水洞有效埋深處于4m之前，開挖防寒泄水洞對隧道主洞的結(jié)構(gòu)影響變化率較大；有效埋深處于4～7m時(shí)，變化率變小，出現(xiàn)平緩階段，即影響明顯變小。

圖5　防寒泄水洞不同埋置深度條件下防寒泄水洞各控制點(diǎn)位移量Fig.5　Displacements of cold-proof drainage hole control sites in different embedded depths for cold-proof drainage hole

防寒泄水洞處于隧道主洞正下方不同埋置深度處的防寒泄水洞各控制點(diǎn)位移量變化見圖5。從圖5可以看出：防寒泄水洞有效埋深處于4m之前，其各控制點(diǎn)沉降量都較小，沉降量變化率較大，這可能是因?yàn)樗淼乐鞫垂暗滋幋嬖诘某跗谥ёo(hù)對于防寒泄水洞在結(jié)構(gòu)上具有過梁作用所致；防寒泄水洞有效埋深處于4～7m時(shí)，其各控制點(diǎn)沉降量變化率變小，出現(xiàn)平緩階段，可能是隧道主洞拱底過梁作用影響減小導(dǎo)致；防寒泄水洞有效埋深處于7m以后，其各控制點(diǎn)沉降量變化率顯著增大，這主要是受地層埋深加大的結(jié)果，隧道主洞拱底過梁作用影響已經(jīng)基本消失。

通過對防寒泄水洞不同埋置深度條件下的位移變化規(guī)律分析，隧道主洞與防寒泄水洞之間的結(jié)構(gòu)影響是相互的，當(dāng)防寒泄水洞有效埋深處于5～6m時(shí)，隧道主洞與防寒泄水洞處于最佳控制階段。

3.2應(yīng)力變化規(guī)律

防寒泄水洞處于隧道主洞正下方不同埋置深度處的隧道主洞各控制點(diǎn)應(yīng)力見圖6。從圖6可以看出：隧道主洞拱頂?shù)牡谝恢鲬?yīng)力基本保持不變，這可能是因?yàn)樗淼乐鞫吹某跗谥ёo(hù)作用導(dǎo)致防寒泄水洞的開挖對其影響降低；與拱頂相比，防寒泄水洞的開挖對隧道主洞拱底與拱腳處的第一主應(yīng)力影響較大，隨著防寒泄水洞埋置深度的增加，其第一主應(yīng)力的變化在防寒泄水洞有效埋深為5～6m處都出現(xiàn)了谷值狀態(tài)。從圖6還可以看出：隧道主洞的拱腳第三主應(yīng)力整體趨勢是隨著防寒泄水洞埋置深度的增大而增大，但是防寒泄水洞有效埋深在4～7m左右出現(xiàn)了平緩階段；隧道主洞的拱頂和拱底則表現(xiàn)出明顯的規(guī)律，隨著防寒泄水洞埋置深度的增大，其第三主應(yīng)力的變化在防寒泄水洞有效埋深為4～7m處都出現(xiàn)了谷值狀態(tài)。

圖6　防寒泄水洞不同埋置深度條件下隧道主洞各控制點(diǎn)應(yīng)力Fig.6　Stresses of main tunnel control sites in different embedded depths for cold-proof drainage hole

圖7　防寒泄水洞不同埋置深度條件下防寒泄水洞各控制點(diǎn)應(yīng)力Fig.7　Stresses of cold-proof drainage hole control sites in different embedded depths for cold-proof drainage hole

防寒泄水洞處于隧道主洞正下方不同埋置深度處的防寒泄水洞各控制點(diǎn)應(yīng)力見圖7。從圖7可以看出：防寒泄水洞拱頂處的第一主應(yīng)力在其有效埋深為4m處發(fā)生了較大的轉(zhuǎn)變，有效埋深處于5～8m范圍內(nèi)出現(xiàn)了穩(wěn)定區(qū)；防寒泄水洞拱底在其有效埋深為4～7m時(shí)，可以清楚地看到第一主應(yīng)力出現(xiàn)了谷值；防寒泄水洞拱腳處的第一主應(yīng)力在其有效埋深為4～6m時(shí)出現(xiàn)了穩(wěn)定區(qū)。從圖7還可以看出：防寒泄水洞的拱頂和拱底處第三主應(yīng)力在其有效埋深為4m處都出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折點(diǎn)，并在其有效埋深處于4～8m范圍內(nèi)同時(shí)出現(xiàn)了穩(wěn)定區(qū)；對于防寒泄水洞拱腳處的第三主應(yīng)力，整體表現(xiàn)為隨防寒泄水洞埋置深度的增大而增大；對于防寒泄水洞拱腳處的第三主應(yīng)力，在其有效埋深為4～7m范圍內(nèi)出現(xiàn)了波動。

通過對防寒泄水洞不同埋置深度條件下的應(yīng)力變化規(guī)律分析，隧道主洞與防寒泄水洞之間的結(jié)構(gòu)影響是相互的，當(dāng)防寒泄水洞有效埋深處于5～6m時(shí)，隧道主洞與防寒泄水洞處于最佳控制階段。

圖8　防寒泄水洞不同埋置深度條件下塑性區(qū)云圖Fig.8　Plastic zone nephograms in different embedded depths for cold-proof drainage hole

3.3塑性區(qū)變化規(guī)律

防寒泄水洞不同埋置深度條件下的塑性區(qū)云圖見圖8。從圖8可以看出：對于防寒泄水洞在不同埋置深度條件下開挖，隧道主洞在拱腳部位均表現(xiàn)為卸荷狀態(tài)，這可能是由于防寒泄水洞在不同埋置深度條件下的開挖導(dǎo)致了隧道主洞底部發(fā)生應(yīng)力重分布的結(jié)果。從圖8還可以看出：防寒泄水洞不同埋置深度條件下，其塑性區(qū)面積隨著埋置深度的增大而增大，同時(shí)其塑性區(qū)由拱頂沿著兩側(cè)向拱腳位置對稱發(fā)展；防寒泄水洞拱腳和拱底處于卸荷狀態(tài)，這是由于防寒泄水洞自身開挖釋放圍巖應(yīng)力的結(jié)果。

通過對防寒泄水洞不同埋置深度條件下的塑性區(qū)變化規(guī)律分析，隧道主洞與防寒泄水洞之間的結(jié)構(gòu)影響是相互的，考慮到防寒泄水洞支護(hù)和材料受力的均一性，因此選用塑性區(qū)分布比較均一的埋深方案，即當(dāng)防寒泄水洞有效埋深處于4～6m時(shí)，隧道主洞與防寒泄水洞處于最佳控制階段。

4　結(jié)論

(1)雁口山隧道隧址區(qū)冬季寒冷漫長，年平均氣溫-1.7 ℃，極端最高氣溫24.0 ℃，極端最低氣溫-33.0 ℃，全年冰凍期長達(dá)7個(gè)月，最大積雪深度14cm，最大凍結(jié)深度3.08m。為了防止雁口山隧道出現(xiàn)凍害，從而造成隧道襯砌結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)破壞，降低襯砌結(jié)構(gòu)的安全可靠性，影響其安全運(yùn)營和正常運(yùn)行，設(shè)置防寒泄水洞是有效的整治措施。

(2)基于MIDAS/GTS有限元分析軟件，固定雁口山隧道主洞位置并貫通，僅調(diào)整防寒泄水洞的埋置深度，通過分析防寒泄水洞不同埋置深度條件下的位移變化規(guī)律、應(yīng)力變化規(guī)律和塑性區(qū)變化規(guī)律，揭示了防寒泄水洞不同埋置深度條件下對隧道主洞結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明：隧道主洞與防寒泄水洞之間的結(jié)構(gòu)影響是相互的；從位移變化規(guī)律來看，雁口山隧道防寒泄水洞的適宜有效埋深為5～6m；從應(yīng)力變化規(guī)律來看，雁口山隧道防寒泄水洞的適宜有效埋深為5～6m；在考慮防寒泄水洞支護(hù)和材料受力均一性的基礎(chǔ)上，從塑性區(qū)變化規(guī)律來看，雁口山隧道防寒泄水洞的適宜有效埋深為4～6m。

(3)在綜合考慮隧址區(qū)最大凍結(jié)深度、安全經(jīng)濟(jì)要求以及結(jié)構(gòu)影響因素，最終確定了雁口山隧道防寒泄水洞適宜的有效埋置深度為5m，即雁口山隧道防寒泄水洞適宜埋置深度為8m。

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Numerical Analysis of Suitable Embedded Depth for Cold-proof Drainage Hole of Tunnel

MAO Zheng-jun1, 2, WEI Rong-yu1, LI Guang-ping3

(1.SchoolofGeologyandEnvironment,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’anShaanxi710054,China;2.KeyLaboratoryofHighwayConstructionandMaintenanceTechnologyinLoessRegion,ShanxiTransportResearchInstitute,TaiyuanShanxi030006,China; 3.CCCCFirstHighwayConsultantsCo.,Ltd.,Xi’anShaanxi710075,China)

BasedontheMIDAS/GTSfiniteelementanalysissoftware,takingYankoushantunnelasanexample,fixingthepositionofmaintunnelandholingthrough,justadjustingtheembeddeddepthofthecold-proofdrainagehole,thechangerulesofdisplacement,stressandplasticzoneindifferentembeddeddepthsofcold-proofdrainageholeareanalyzed.Theinfluenceofdifferentembeddeddepthsforcold-proofdrainageholeonthestructureofmaintunnelisrevealed.Theresultshowsthat(1)theinfluencebetweenmaintunnelandcold-proofdrainageholeismutuality; (2)fromthepointofdisplacementchangerule,theoptimaleffectiveembeddeddepthforthecold-proofdrainageholeofYankoushantunnelisfrom5mto6m; (3)fromthepointofstresschangerule,theoptimaleffectiveembeddeddepthforthecold-proofdrainageholeisalsofrom5mto6m; (4)basedonthestresshomogeneityofthesupportandthematerial,fromthepointofplasticzonechangerule,theoptimaleffectiveembeddeddepthforthecold-proofdrainageholeisfrom4mto6m; (5)eventually,onthebasisofcomprehensiveconsiderationofthelargestfrozendepth,requirementsofsafeandeconomy,andinfluencingfactorsofconstructionoftunnelingengineeringarea,thepropereffectiveembeddeddepthofthecold-proofdrainageholeisconfirmedtobe5m,i.e.,theproperembeddeddepthofthecold-proofdrainageholeisconfirmedtobe8m.

tunnelingengineering;embeddeddepth;MIDAS/GTS;cold-proofdrainagehole;Yankoushantunnel

2015-10-22

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51378071)；黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題項(xiàng)目(KLTLR-Y13-19)

毛正君(1983-)，男，寧夏固原人，博士.(zhengjun_mao@163.com)

U458.1

A

1002-0268(2016)08-0106-08

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.08.016