當(dāng)金山隧道防寒泄水洞適宜埋設(shè)位置數(shù)值分析

劉利瑋,何文社,路仕洋,曾祥茜

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院,蘭州　730070； 2.甘肅省道路橋梁與地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州　730070；3.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安　710043)

隨著蘭新鐵路、青藏鐵路的修建，預(yù)示著修建寒區(qū)隧道已成為發(fā)展西部經(jīng)濟(jì)的重要途徑[1]。作為溝通新疆、青海、甘肅、西藏四省區(qū)便捷通道的重要樞紐，當(dāng)金山隧道的正常運(yùn)營任重而道遠(yuǎn)。由于隧道所處地海拔2 864 m，晝夜溫差極大，冬季寒冷常年積雪，決定了當(dāng)金山隧道為高海拔寒區(qū)隧道。

寒區(qū)隧道工程是基礎(chǔ)建設(shè)中的一項(xiàng)特殊工程，凍害是影響寒區(qū)隧道正常使用年限的重要因素，而凍害產(chǎn)生的本質(zhì)是隧道內(nèi)部排水體系尚未完善。目前，我國寒區(qū)隧道排水系統(tǒng)包括保溫水溝、中心深埋水溝、防寒泄水洞以及盲溝、橫溝、橫導(dǎo)洞等配套排水設(shè)備[2]。在寒冷地區(qū)，如果工程所在地最冷月平均氣溫低于-25 ℃，當(dāng)?shù)仞ば酝恋膬鼋Y(jié)深度大于2.5 m，可以采用防寒泄水洞。寒冷和嚴(yán)寒地區(qū)冬季有水的隧道，由于氣溫低，水溝內(nèi)水流容易凍結(jié)，從而引起隧道內(nèi)線路凍脹隆起等一系列凍害現(xiàn)象，影響安全行車[3]。隨著寒區(qū)隧道防寒泄水洞的大量運(yùn)用，防寒泄水洞不同埋置深度問題將會(huì)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，工程造價(jià)以及隧道正常運(yùn)營等方面產(chǎn)生較大的影響。因而，防寒泄水洞適宜埋置深度將具有一定的研究空間，為實(shí)際工程施工提供相應(yīng)的理論根據(jù)。

本文以當(dāng)金山隧道為例[4]，利用MIDAS/GTS有限元軟件，取里程DK195+390～DK195+490同時(shí)含有主隧道、平導(dǎo)及防寒泄水洞的100 m為研究對(duì)象[5]。以平導(dǎo)超前防寒泄水洞，防寒泄水洞超前主隧道模擬開挖過程[6]。(1)以主隧道拱底為基準(zhǔn)，在豎直方向調(diào)整防寒泄水洞與主隧道間距。(2)以主隧道與平導(dǎo)間距中點(diǎn)為基準(zhǔn)，在水平方向上調(diào)整防寒泄水洞位置。由《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》(TG/T D70—2010)相關(guān)規(guī)定，考慮最大凍結(jié)深度及工程造價(jià)，泄水洞不同方向距離調(diào)整均在小范圍內(nèi)進(jìn)行。通過上述(1)、(2)兩方面的數(shù)值模擬，從位移及應(yīng)力變化兩方面對(duì)比分析，從而確定當(dāng)金山隧道防寒泄水洞適宜埋設(shè)位置[7]。具體方案設(shè)計(jì)如表1所示。

表1　方案設(shè)計(jì)

1　工程概況

1.1　地形及水文條件

當(dāng)金山隧道位于甘肅省阿克塞縣境內(nèi)，線路在長草溝以20.14 km的隧道穿越祁連山-阿爾金山的分水嶺當(dāng)金山[8]。隧道進(jìn)口高程為2 864.83 m，出口高程為3 107.00 m，位于當(dāng)金山中高山區(qū)，溝谷大多呈“V”字形，地表風(fēng)化嚴(yán)重，巖體破碎。隧道屬高寒半干旱氣候區(qū)，季節(jié)性溫差較大，多年平均氣溫3.1 ℃，最低-34.3 ℃，最熱35.9 ℃，相對(duì)濕度在30%；年平均降水量127 mm，年平均蒸發(fā)量為3 297.9 mm，最冷月平均氣溫-13.1 ℃，最大積雪厚度約16 cm，最大凍結(jié)深度為235 cm。

1.2　地質(zhì)構(gòu)造

當(dāng)金山山區(qū)基巖裸露，僅在山體南北兩側(cè)及山間斷陷盆地中有第四系地層覆蓋，隧道洞身主要通過第四系、志留系、長城系、加里東期花崗巖及構(gòu)造巖[9]。敦煌附近分布第四系全新統(tǒng)湖相及沼澤相沉積的黏性土及沖、洪積成因的砂類土、次生黃土。當(dāng)金山、塞什騰山等山區(qū)基巖裸露，出露第三系、侏羅系、石炭系、泥盆系、志留系、奧陶系震旦系等地層。沉積巖，變質(zhì)巖，巖漿巖均有出露，巖性復(fù)雜多變，軟硬交互。Ⅱ～Ⅲ級(jí)圍巖占52.81%，Ⅳ～Ⅴ級(jí)圍巖占47.19%

2　模型建立及參數(shù)確定

2.1　計(jì)算模型的建立

當(dāng)金山隧道最大埋深764 m，最小埋深52 m。模型左右邊界按距離隧道輪廓線5倍洞徑取值，考慮防寒泄水洞豎向距離及埋深，因此上下邊界按照距離隧道輪廓線5倍洞高取值[10]。取隧道平均埋深300 m進(jìn)行模擬，上邊界施加6.04 MPa的法向均布荷載，以模擬上覆巖層的自重。主隧道、平導(dǎo)及防寒泄水洞具體位置如下：平導(dǎo)位于主隧道左側(cè)40 m處，防寒泄水洞位于主隧道與平導(dǎo)下方，且平導(dǎo)拱底低于主隧道拱底1.02 m。當(dāng)金山隧道工程實(shí)體圖、模型網(wǎng)格劃分及三者之間位置關(guān)系如圖1所示。

圖1　工程實(shí)體圖及模型網(wǎng)格劃分(單位：m)

數(shù)值模擬按以下假定進(jìn)行[11]：(1)圍巖為連續(xù)均質(zhì)體，且服從摩爾-庫倫準(zhǔn)則；(2)忽略底層構(gòu)造應(yīng)力，初始應(yīng)力場由自重場構(gòu)成。

2.2　施工過程模擬及材料力學(xué)參數(shù)確定

施工時(shí)采用臺(tái)階法，以平導(dǎo)超前防寒泄水洞，防寒泄水洞超前主隧道開挖。以10 m為一個(gè)循環(huán)進(jìn)尺，隧道進(jìn)深方向取100 m，分為10個(gè)工步掘進(jìn)[12]。主隧道、平導(dǎo)以及防寒泄水洞初期支護(hù)均采用C25噴射混凝土，支護(hù)滯后開挖位置一個(gè)工步。具體施工過程如表2所示。結(jié)合文獻(xiàn)[13]，圍巖及支護(hù)措施力學(xué)參數(shù)如表3所示。

表2　施工過程

表3　圍巖、支護(hù)材料力學(xué)參數(shù)

3　計(jì)算結(jié)果及分析

3.1　防寒泄水洞與主隧道拱底不同豎向距離條件下位移變化情況分析

隧道開挖是圍巖打破自身三軸應(yīng)力狀態(tài)且進(jìn)行應(yīng)力重分布的過程，由于圍巖特殊水平層理構(gòu)造，將導(dǎo)致隧道臨空面產(chǎn)生鼓脹、破裂、折斷及脫落[14]。因此通過比較分析防寒泄水洞在不同位置處，隧道開挖時(shí)各洞位移與應(yīng)力變化情況來確定當(dāng)金山隧道防寒泄水洞適宜埋設(shè)位置[7，15]。圖2為防寒泄水洞在不同位置處隧道橫剖面部分位移云圖。由圖2可見，在3 m處主隧道位移等值線略小于平導(dǎo)，這與最終穩(wěn)定后的值略有出入。主要是因?yàn)槟M開挖長度較小，圍巖變化還沒達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所致。

圖2　防寒泄水洞與主隧道拱底不同豎向距離條件下位移云圖(單位：m)

圖3為防寒泄水洞與主隧道拱底不同豎向距離條件下主隧道各控制點(diǎn)位移變化。由圖3可見，主隧道各控制點(diǎn)位移變化趨勢基本一致，在位移值上表現(xiàn)為拱頂最大，拱底次之，拱腳最小。由于施加初期支護(hù)，在埋深相同的情況下，拱底位移值大于拱腳。拱頂與拱腳位移值在豎向距離為4～6 m處較小，拱底位移值在豎向距離為3～5 m時(shí)較小。

圖4為防寒泄水洞與主隧道拱底不同豎向距離條件下平導(dǎo)各控制點(diǎn)位移變化。由圖4可見，平導(dǎo)各控制點(diǎn)位移變化整體趨勢基本與主隧道一致，但變化幅度比主隧道較小。是由于主隧道斷面較平導(dǎo)大，水平層理對(duì)其影響大，進(jìn)而圍巖向臨空面產(chǎn)生的位移較大。當(dāng)開挖完成后圍巖達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，同一豎向距離條件下，主隧道位移值大于平導(dǎo)，較符合實(shí)際情況。當(dāng)泄水洞與主隧道拱底豎向距離處于3～5 m時(shí)，各控制點(diǎn)位移變值較小。

圖5為防寒泄水洞與主隧道拱底不同豎向距離條件下自身各控制點(diǎn)位移變化。由圖5可見，防寒泄水洞拱底位移值較大，主要是受地層埋深加大所致。拱頂處位移值比拱底處小，是由于主隧道及平導(dǎo)拱底隆起抵消了防寒泄水洞拱頂部分沉降量。

圖3　主隧道各控制點(diǎn)位移

圖4　平導(dǎo)各控制點(diǎn)位移

圖5　防寒泄水洞各控制點(diǎn)位移

由上述分析可知，防寒泄水洞開挖過程當(dāng)中，主隧道、平導(dǎo)及防寒泄水洞三者之間的影響是相互的。當(dāng)防寒泄水洞與主隧道拱底豎向距離為4～6 m時(shí)，主隧道、平導(dǎo)及防寒泄水洞變化情況處于相對(duì)最佳階段。

通過對(duì)比分析雁口山隧道(Y)埋深25 m情況與當(dāng)金山隧道(D)埋深300 m情況下主隧道及防寒泄水洞各控制點(diǎn)位移變化(表4、表5所示)可知，主隧道及防寒泄水洞各控制點(diǎn)位移變化規(guī)律基本一致。但本文主隧道及平導(dǎo)拱腳隆起量相比拱頂沉降量小，是由于防寒泄水洞拱頂沉降抵消了部分隆起量。

表4　主隧道各控制點(diǎn)位移變化量對(duì)比分析

表5　防寒泄水洞各控制點(diǎn)位移變化量對(duì)比分析

3.2　防寒泄水洞與主隧道拱底不同豎向距離條件下應(yīng)力變化情況分析

圖6為防寒泄水洞與主隧道拱底不同豎向距離條件下主隧道各控制點(diǎn)應(yīng)力變化。由圖6可見，防寒泄水洞開挖對(duì)主隧道拱頂?shù)谝恢鲬?yīng)力影響不大，是由于初期支護(hù)一定程度上降低了沉降量。主隧道各控制點(diǎn)第一主應(yīng)力在豎向距離5 m時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)變。在3～5 m范圍內(nèi)呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7為防寒泄水洞與主隧道拱底不同豎向距離條件下平導(dǎo)各控制點(diǎn)應(yīng)力變化。由圖7可見，相對(duì)于拱頂，拱底及拱腳處的第一主應(yīng)力所受影響較大。各控制點(diǎn)在豎向距離為3～5 m時(shí)應(yīng)力值較小，變化趨勢相對(duì)平緩

圖8為防寒泄水洞與主隧道拱底不同豎向距離條件下自身各控制點(diǎn)應(yīng)力變化。由圖8可見，拱底第一主應(yīng)力應(yīng)力值在豎向距離為5～6 m范圍內(nèi)較小，拱頂?shù)谝恢鲬?yīng)力在豎向距離為4～6 m范圍內(nèi)呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。

通過對(duì)比分析雁口山隧道(Y)埋深25 m情況與當(dāng)金山隧道(D)埋深300 m情況下主隧道及防寒泄水洞各控制點(diǎn)應(yīng)力變化(表6、表7所示)可知，主隧道及防寒泄水洞應(yīng)力變化趨勢也基本一致，在防寒泄水洞與主隧道豎向距離為5 m處基本處于谷值，兩者主隧道及防寒泄水洞應(yīng)力在拱底處均表現(xiàn)為最小值。

圖6　主隧道各控制點(diǎn)應(yīng)力

圖7　平導(dǎo)各控制點(diǎn)應(yīng)力

圖8　防寒泄水洞各控制點(diǎn)應(yīng)力

防寒泄水洞距主隧道距離/m2345678拱頂2250213020402000203020702130D/kPa拱底1980133011501220127013601590拱腳2930268025102290312031603200拱頂232233230228230231232Y/kPa拱底84757372738280拱腳823810795792794795794

結(jié)合位移及應(yīng)力變化情況，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)影響等因素，最終確定當(dāng)金山隧道防寒泄水洞與主隧道拱底適宜豎向距離為5 m。經(jīng)工程施工現(xiàn)場確認(rèn)可知，當(dāng)金山隧道防寒泄水洞實(shí)際位置為距離主隧道仰拱5 m處，故本文數(shù)值模擬結(jié)果較符合工程實(shí)際設(shè)計(jì)要求。

表7　防寒泄水洞各控制點(diǎn)應(yīng)力變化量對(duì)比分析

3.3　防寒泄水洞與主隧道在水平方向不同凈距條件下位移變化情況分析

由于當(dāng)金山隧道平導(dǎo)拱底低于主隧道拱底1.02 m；為了兼顧平導(dǎo)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，因此在確定防寒泄水洞與主隧道拱底豎向距離為5 m的基礎(chǔ)上，調(diào)整防寒泄水洞與主隧道在水平方向的凈距，通過位移及應(yīng)力變化兩方面研究，確定防寒泄水洞水平向適宜埋設(shè)位置。

圖9為防寒泄水洞與主隧道在水平方向不同凈距條件下主隧道各控制點(diǎn)位移變化。由圖9可見，主隧道各控制點(diǎn)位移值較不同豎向距離條件下位移值較小。由于所取水平凈距變化區(qū)間較小，位移值在主隧道與平導(dǎo)間距中點(diǎn)處上下波動(dòng)。在水平凈距為-3～-1 m范圍內(nèi)呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，在1 m處各控制點(diǎn)應(yīng)力值均較小。

圖10為防寒泄水洞與主隧道在水平方向不同凈距條件下平導(dǎo)各控制點(diǎn)位移變化。由圖10可見，平導(dǎo)各控制點(diǎn)位移值較主隧道較小，是由于平導(dǎo)橫斷面較小，圍巖向臨空面移動(dòng)的程度較小。防寒泄水洞左移與右移位移值均變小，在水平凈距為1 m時(shí)處于谷值。

圖11為防寒泄水洞與主隧道在水平方向不同凈距條件下自身各控制點(diǎn)位移變化。由圖11可見，防寒泄水洞拱頂處位移值比拱底小，是由于主隧道及平導(dǎo)拱底隆起抵消了拱頂部分沉降量。拱底位移值大可能是由于地層埋深較大所致。在水平距離-1～1 m范圍內(nèi)呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。

由上述分析可知，當(dāng)防寒泄水洞水平距離為-1～1 m時(shí)，主隧道、平導(dǎo)及防寒泄水洞變化情況處于相對(duì)最佳階段。

圖9　主隧道各控制點(diǎn)位移

圖10　平導(dǎo)各控制點(diǎn)位移

圖11　防寒泄水洞各控制點(diǎn)位移

3.4　防寒泄水洞與主隧道在水平方向不同凈距條件下應(yīng)力變化情況分析

圖12為防寒泄水洞與主隧道在水平方向不同凈距條件下主隧道各控制點(diǎn)應(yīng)力變化。由圖12可見，主隧道拱頂及拱腳處第一主應(yīng)力變化幅度較大。整體變化趨勢以主隧道及平導(dǎo)間距的中點(diǎn)呈對(duì)稱分布，拱底處第一主應(yīng)力在水平凈距為-1 m與1 m處處于谷值。

圖13為防寒泄水洞與主隧道在水平方向不同凈距條件下平導(dǎo)各控制點(diǎn)應(yīng)力變化。由圖13可見，當(dāng)泄水洞向主隧道偏移時(shí)平導(dǎo)各控制點(diǎn)第一主應(yīng)力均有所變小，但變化幅度不大。說明泄水洞在水平方向與主隧道凈距的變化對(duì)平導(dǎo)影響較小，這在一定程度上使得泄水洞在水平向的位置變化較靈活。

圖14為防寒泄水洞與主隧道在水平方向不同凈距條件下自身各控制點(diǎn)應(yīng)力變化。由圖14可見，防寒泄水洞各控制點(diǎn)應(yīng)力值以主隧道及平導(dǎo)間距中點(diǎn)處應(yīng)力值為基準(zhǔn)對(duì)稱分布；在水平凈距-1～1 m范圍內(nèi)應(yīng)力值處于谷值。

圖12　主隧道各控制點(diǎn)應(yīng)力

圖13　平導(dǎo)各控制點(diǎn)應(yīng)力

圖14　防寒泄水洞各控制點(diǎn)應(yīng)力

結(jié)合位移及應(yīng)力變化情況，最終確定當(dāng)金山隧道防寒泄水洞在水平方向與主隧道適宜凈距為偏向主隧道1 m處。

3.5　不同距離條件下，襯砌截面的安全系數(shù)計(jì)算

通過對(duì)比研究不同距離條件下，襯砌截面的安全系數(shù)變化情況，從而確定防寒泄水洞適宜埋設(shè)位置。根據(jù)材料的極限強(qiáng)度計(jì)算出偏心受壓構(gòu)件的極限承載力與實(shí)際內(nèi)力相比較，得出截面的抗壓(或抗拉)強(qiáng)度安全系數(shù)，檢查其是否滿足鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范要求[16]。表8及表9分別為防寒泄水洞與主隧道拱底不同豎向距離及防寒泄水洞與主隧道不同水平凈距條件下主隧道襯砌截面安全系數(shù)。

表8　不同豎向距離條件下襯砌截面安全系數(shù)

表9　不同水平凈距條件下襯砌截面安全系數(shù)

由表8及表9可見，襯砌截面安全系數(shù)在防寒泄水洞與主隧道拱底豎向距離為5 m處為最大值，且隨著豎向距離的增大呈非線性變化，拱腳處因應(yīng)力集中是低安全系數(shù)的危險(xiǎn)區(qū)。防寒泄水洞與主隧道不同水平凈距條件下的襯砌截面安全系數(shù)也呈非線性變化，但變化幅度較小，在水平凈距為1 m處呈現(xiàn)最大值。

4　結(jié)論

(1)通過分析防寒泄水洞與主隧道拱底不同豎向距離條件下位移(拱頂處以沉降為主，拱底及拱腳處以隆起為主；圖中所示數(shù)據(jù)均為位移值的絕對(duì)值)及應(yīng)力(根據(jù)計(jì)算，應(yīng)力均為壓應(yīng)力，拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)，圖中所示數(shù)據(jù)均為應(yīng)力值的絕對(duì)值)變化情況，確定防寒泄水洞與主隧道拱底適宜豎向距離為5 m。

(2)通過分析防寒泄水洞與主隧道在水平方向不同凈距條件下的位移及應(yīng)力變化情況，考慮主隧道、平導(dǎo)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及安全運(yùn)營，確定防寒泄水洞與主隧道在水平方向的適宜凈距為偏向主隧道1 m處。

(3)通過不同距離條件下，襯砌截面安全系數(shù)的計(jì)算及對(duì)比分析得出，當(dāng)防寒泄水洞與主隧道拱底豎向距離為5 m、與主隧道水平凈距為1 m時(shí)襯砌截面相對(duì)安全。

(4)結(jié)合當(dāng)金山隧道所在地最大凍結(jié)深度為2.35 m的情況，以及考慮安全經(jīng)濟(jì)要求、結(jié)構(gòu)影響等因素，最終確定當(dāng)金山隧道防寒泄水洞適宜埋設(shè)位置為豎向距主隧道拱底5 m處，橫向距主隧道中線19 m處(距平導(dǎo)中線21 m處)。

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