川西高海拔寒區(qū)富水隧道溫度測試與凍脹分析

李又云，張玉偉, ，趙亞偉，李盈燦

(1. 長安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710064；2. 西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

近年來，寒區(qū)隧道凍害問題一直受到研究人員的重視，但目前仍未有良好的處理方法，因此如何有效避免寒區(qū)隧道凍害問題仍是目前研究的重點。現(xiàn)有資料表明圍巖溫度場與水壓分布對凍脹力影響顯著[1?12]，因此研究溫度場和水壓分布是解決寒區(qū)隧道凍害問題的關(guān)鍵。乜風(fēng)鳴[13]對嫩林線西羅奇2號隧道溫度場進行了測試和分析，得出隧道洞內(nèi)和洞外氣溫的分布曲線；吳紫汪等[14]對青海227國道寧張段的大坂山公路隧道進行了溫度場的現(xiàn)場測試和研究，得出了隧道洞內(nèi)和隧道洞壁的溫度變化規(guī)律；陳建勛等[15]對秦青公路梯子嶺隧道進行了溫度場的現(xiàn)場測試和分析；賴金星等[16]對地處青藏高原東部的青沙山隧道地溫場進行現(xiàn)場實測和分析，獲得了青藏高原東部地區(qū)寒區(qū)特長隧道地溫場的基本特征；張先軍等[17?18]先后對寒區(qū)隧道的圍巖溫度場進行了測試分析?，F(xiàn)有研究初步明確了溫度場變化規(guī)律，但其影響因素眾多，既有內(nèi)部因素，如隧道周邊介質(zhì)的原始溫度，介質(zhì)自身的導(dǎo)熱性能及其內(nèi)部裂隙水含量等，同時也存在外部因素，如隧道洞口地形狀況，當(dāng)?shù)仫L(fēng)向、風(fēng)速、隧道長度、環(huán)境溫度的變化規(guī)律等，結(jié)合影響因素來分析隧道溫度尚須更深入的研究。另外水壓分布對隧道凍害也有明顯的影響，因此本文以圍巖溫度場和水壓測試成果為基礎(chǔ)，通過數(shù)值分析手段，得到基于巖體滲透特性的溫度場分布規(guī)律，并系統(tǒng)分析了其對凍脹力的影響。研究結(jié)果為解決寒區(qū)富水隧道的凍害問題提供借鑒。

1　現(xiàn)場測試分析

1.1　工程概況

據(jù)觀測站資料統(tǒng)計，隧址區(qū) 1月份平均氣溫＜?7℃，最熱月平均氣溫8.8 ℃，年平均氣溫1.1 ℃，屬于川西高原高海拔、低氣壓、嚴寒地區(qū)，且季節(jié)性凍融凍脹顯著；該地區(qū)多年平均降水量906 mm，最大年降水量1 217.5 mm(1965年)，年最小降水量678.1 mm(1961年)，日最大降水量56.9 mm，可能暴雨量約200 mm，多集中于6～9月，4個月降雨量占全年總降雨量的75%。地質(zhì)勘查報告顯示：該隧道地下水類型主要為基巖裂隙水和第四系松散堆積物孔隙(潛)水，在隧道進出口埋深較淺段，隧道圍巖屬強透水層，地表水易滲入，該隧道在施工過程中，基巖裂隙水呈現(xiàn)線狀水流形式的滲出現(xiàn)象。

現(xiàn)有文獻表明，隧道凍脹病害的發(fā)生與隧道初支背后的地下水的存在有密切關(guān)系，對于含水率較低的圍巖段雖然環(huán)境溫度較低，但是誘發(fā)的凍脹現(xiàn)象不明顯，因此測試斷面的布設(shè)主要在接近隧道洞口的富水段。測試主要內(nèi)容分3部分：首先是隧道洞內(nèi)環(huán)境溫度，其次是初支背后圍巖內(nèi)的水壓情況，最后為圍巖內(nèi)部溫度沿徑向的分布。

1.2　測試方案

1) 隧道環(huán)境溫度與水壓測試

結(jié)合寒區(qū)溫度場分布規(guī)律及隧道施工開挖過程中圍巖滲水情況，共布設(shè)了6個斷面，里程樁號為：K117+690，K117+660，K117+610，K117+510，K117+410和K117+310布設(shè)，具體布設(shè)位置如圖1所示。

圖1　縱斷面布置圖Fig.1　Layout along the tunnel longitudinal direction

隧道內(nèi)氣溫測試元件主要采用溫濕度計，溫濕度計安放在百葉箱內(nèi)，為減小隧道施工環(huán)境及人為因素對溫度測試的影響，將百葉箱固定在隧道邊墻表面，安裝位置如圖2所示。為方便分析，洞內(nèi)環(huán)境溫度測試斷面的選擇與圍巖溫度測試斷面位置一致。隧道洞口附近空氣交換量大，易受到洞外大氣溫度變化的影響，測試斷面的布設(shè)原則為由洞口向洞內(nèi)按不等距布設(shè)，洞口至洞內(nèi)測試間距逐漸增加。

圖2　溫濕度計及滲壓計斷面布置圖Fig.2　Layout of the hygrothermograph and the osmometer

隧道富水段的水壓力采用滲壓計進行測量，滲壓計具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊合理、抗震性能好和安裝快捷的特點，能在惡劣的環(huán)境下長期穩(wěn)定工作，頻率穩(wěn)定，不受電纜電阻等影響的特點。在滲壓計埋設(shè)時，為了便于測試數(shù)據(jù)比對，分別在隧道仰拱底貼近仰拱位置與在測溫元件鉆孔內(nèi)貼近洞壁處進行布設(shè)，其中滲壓計上下測點的豎向間距為2 m，具體位置如圖2所示。

2) 圍巖溫度測試

測溫元件緊靠洞壁等間距埋入圍巖內(nèi)，間距為1 m，埋設(shè)時采用預(yù)先鉆孔，將溫度傳感元件放置到預(yù)定位置，然后注漿回填封孔，保證測溫元件與圍巖密貼。為了鉆孔的方便，鉆孔方向與水平向間的夾角為5°～10°之間，如圖3所示。

1.3　測試結(jié)果及分析

1) 隧道環(huán)境溫度分析

洞內(nèi)環(huán)境溫度測試自2013年4月開始到2015年3月底結(jié)束，歷時2年，數(shù)據(jù)分析選取了自2013年10初至2014年9月底期間的數(shù)據(jù)，為一個環(huán)境溫度變化的完整周期，環(huán)境溫度變化規(guī)律如圖 4所示。

圖3　測溫元件布設(shè)示意圖Fig.3　Temperature measuring elements in radial direction

由圖4可知，溫度大致呈正弦規(guī)律變化[15]，洞口處每年日平均低于0 ℃的天數(shù)約為152 d，在靠近九龍縣隧道洞口處的最低環(huán)境溫度為?25.3 ℃，最高環(huán)境溫度為23.5 ℃，最大溫差為48.8 ℃。根據(jù)寒區(qū)隧道分區(qū)方法，該寒區(qū)隧道屬于中病害區(qū)，在中季節(jié)凍深和深季節(jié)凍深兩者之間。由于某寒區(qū)隧道較長，隧道溫度測試進深最大斷面 K117+310處的氣溫曲線波谷比洞口外大氣氣溫變化曲線波谷延遲10 d左右，最大溫差為22 ℃左右，最低溫度為?11.2 ℃，最高溫度為10.9 ℃。這主要是因為在隧道封閉的環(huán)境內(nèi)，洞內(nèi)外空氣交換量等因素的影響所致。

圖4　各斷面環(huán)境溫度隨時間變化曲線Fig.4　Curves of ambient temperature of each section

2) 斷面水壓分析

在現(xiàn)場測試測試過程中，發(fā)現(xiàn)各測試斷面圍巖內(nèi)存在一定的范圍的裂隙水，且該裂隙水造成的孔隙水壓力基本穩(wěn)定，大小基本一致。該測試結(jié)果為圍巖裂隙水在夏季未凍結(jié)的條件下獲得，在冬季時孔隙水壓力傳感原件位于凍結(jié)區(qū)域，周邊裂隙水處于結(jié)冰狀態(tài)，外圍未凍結(jié)區(qū)域的孔隙水壓不能有效傳遞，導(dǎo)致孔隙水壓力測試失效。其中，典型斷面K117+510的水壓測試結(jié)果隨時間的變化規(guī)律，如圖5所示。

圖5　K117+510斷面水壓力隨時間變化曲線Fig.5　Water pressure of K117+510

由圖5可知：在近70 d的測試時間內(nèi)，水壓力隨時間雖出現(xiàn)小幅波動，但基本接近穩(wěn)定，圍巖孔隙水的補給量(地表入滲與外圍巖體孔隙水補給等)與隧道圍巖內(nèi)裂隙水通過隧道排水體系的排出量基本維持平衡。這表明隧道支護結(jié)構(gòu)體系在夏季始終受到靜水壓力的影響，當(dāng)冬季來臨時，裂隙水結(jié)冰時，其還將受到圍巖裂隙水凍脹的影響。表1為各測試斷面的水壓測試結(jié)果。

表1　各測試斷面水壓值Table1　Water pressure of each measuring point kPa

由表1可知，各斷面A測點與B測點的水壓力差值大致等于兩點的水頭差，這是因為各斷面滲壓計測點An與Bn的高差為2 m所致。這說明各測試斷面圍巖裂隙水水頭高度基本維持在同一高度，地下水的排放與補給維持在一個基本平衡的狀態(tài)；基于A與B測點水壓差與高程差的分析，圍巖內(nèi)裂隙水是相互連通且飽和的。究其原因首先是各測試斷面除K117+310位于Ⅳ級圍巖段外，其余測試斷面全部位于Ⅴ級圍巖段，巖體節(jié)理較發(fā)育，呈易碎結(jié)構(gòu)，且屬于強透水層；其次是隨著隧道施工開挖，圍巖變形的發(fā)展，圍巖裂隙進步發(fā)展，聯(lián)通性進步增強。按照水壓力公式p=ρgh推算，可得各測試斷面的水壓力沿洞身規(guī)律，以K117+660斷面為例，其周邊水壓力沿洞身分布如圖6所示。

圖6　K117+660斷面水壓力分布圖Fig.6　Water pressure distribution in the K117+660 section

由隧道防排水設(shè)計、各斷面水壓測試與溫度場測試結(jié)果可知：該隧道中心排水溝位于仰拱上部，處于冬季凍結(jié)區(qū)范圍內(nèi)，加之隧道周邊防排水系統(tǒng)也位于凍結(jié)區(qū)，當(dāng)冬季溫度降低時，在未鋪設(shè)保溫層的條件下，隧道周邊圍巖裂隙水勢必處于結(jié)冰狀態(tài)，隧道洞身全部處于凍結(jié)區(qū)，圍巖裂隙處于被冰完全填充封閉的狀態(tài)，圍巖內(nèi)部排水通道失效，未凍結(jié)區(qū)域內(nèi)的圍巖孔隙水不能及時排到洞外，隨著外圍巖體孔隙水與地表水的滲入，水頭勢必增大，此時，水壓力必然大于非凍結(jié)狀態(tài)下的水壓力。隧道支護結(jié)構(gòu)在該種狀態(tài)下將受到圍巖壓力、凍脹力與不斷增大的水壓力的三重作用，此時隧道支護結(jié)構(gòu)受力處于最不利狀態(tài)。

3) 各斷面圍巖溫度分析

基于現(xiàn)場隧道圍巖測試數(shù)據(jù)分析，選取1月份和7月份即平均溫度最低與最高月份的圍巖平均溫度進行分析，其分布規(guī)律見圖7與圖8所示。其中縱坐標為隧道軸向距離，按照測試斷面位置，距洞口最大距離為400 m，橫坐標為測試斷面徑向距離，橫向范圍取距二次襯砌內(nèi)表面(二次襯砌厚度+初期支護厚度為60 cm)距離為0.6～4.6 m的區(qū)域。

圖7　1月份圍巖平均溫度沿徑向變化Fig.7　Average temperature of surrounding rock in January

圖8　7月份圍巖平均溫度沿徑向變化Fig.8　Average temperature of surrounding rock in July

由圖7可以看出，在1月份，隧道洞口處圍巖與初支結(jié)合部位的最低平均溫度為?20 ℃左右，距隧道洞口400 m位置處的該部位最低平均溫度為?5℃左右，由外至內(nèi)平均溫度呈現(xiàn)由低至高的趨勢分布，且溫度變化梯度逐漸減?。辉谒淼缽较?，自初支與圍巖結(jié)合部圍巖溫度向外逐漸增加，增加梯度自初支處向外逐漸降低?；趪鷰r負溫區(qū)域分布范圍看，自洞口向洞內(nèi)負溫區(qū)逐漸減小。由圖8可以看出，在7月份，隧道周邊圍巖溫度場分布的規(guī)律與1月份相比，呈現(xiàn)相反的變化，即洞口處圍巖溫度高，洞內(nèi)圍巖溫度低。

2　滲流條件下溫度場與凍脹力分析

2.1　圍巖熱學(xué)參數(shù)及模型

由水壓測試結(jié)果可知，測試段地下水較豐富，據(jù)地勘資料顯示，K114+965～K116+126段隧道的枯水期涌水量為303 m3/d，豐水期涌水量為609 m3/d，平水期涌水量為456 m3/d，滲流量較大。計算時假定空氣與圍巖的對流交換熱系數(shù)：α=15.0 W/(m2·℃)。根據(jù)九龍縣氣象站資料及溫度場實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，將模擬計算模型的外邊界溫度條件設(shè)定為5 ℃的恒溫。因為測試段圍巖為Ⅳ級和Ⅴ級，較為破碎，含水率為15%，計算時采用平均未凍含水率為2%。結(jié)合現(xiàn)場圍巖情況選取的參數(shù)見表2。

表2　圍巖熱力學(xué)參數(shù)Table2　Thermodynamic parameters of surrounding rock

模型中的邊界條件為模型底部邊界為不滲水邊界，隧道支護結(jié)構(gòu)不滲水，滲水沿模型頂部邊界豎向入滲，假定沿該邊界的入滲量按平水期涌水量計算，單位時間入滲量Q1=0.016 4 m3/h，根據(jù)隧道排水溝實測排水量Q2=0.014 3 m3/h。根據(jù)圍巖自身情況，取圍巖的滲水系數(shù)為Ky=Kx=1.36×10?5m/s，圍巖的孔隙率為23%。根據(jù)相關(guān)研究資料，隧道圍巖距離隧道中心超過20 m以后，圍巖溫度基本恒定，所以取外邊界為邊長 40 m的正方形，建立ANSYS 計算模型如圖9所示。

圖9 溫度場二維有限元模型Fig.9　Two-dimensional model of temperature field

2.2　溫度與最大凍結(jié)深度分析

圖10與圖11分別為各測試斷面圍巖溫度沿徑向的變化規(guī)律曲線。由圖10可知：在1月份，在靠近洞口的前3個斷面的圍巖凍結(jié)深度均大于測試區(qū)范圍，即由二次襯砌內(nèi)表面算起，凍結(jié)深度大于4.6 m，剩余3個測試斷面的凍結(jié)深度小于測試區(qū)范圍，圍巖凍結(jié)范圍小于4.0 m。由圖10可知：在7月份，由于環(huán)境溫度較高，所有測試斷面的圍巖溫度均大于0 ℃，可見隧道測試段范圍內(nèi)，圍巖凍結(jié)屬于季節(jié)性的。

圖10　1月份圍巖平均溫度云圖Fig.10　Average temperature of surrounding rock in January

圖11　7月份圍巖平均溫度云圖Fig.11　Average temperature of surrounding rock in July

通過有限元分析，得到了1月份30 d的隧道圍巖最終溫度場分布，并將其與現(xiàn)場測試進行對比，具體見表3。

由表3可以看出：計算值與現(xiàn)場測試值之間的最大誤差為1.5 ℃，計算結(jié)果與現(xiàn)場測試結(jié)果基本一致，反映了現(xiàn)場圍巖溫度場的徑向變化規(guī)律，基于數(shù)值分析，得到了各測試斷面在滲流條件下的圍巖實際凍結(jié)最大深度，具體見表4。

表3　圍巖徑向模擬溫度與實測溫度Table3　Comparison of simulated and measured temperature

表4　各測試斷面最大凍深計算值Table4　Calculated maximum frozen depth of each seetion

2.3　凍脹力分析

計算模型采用PLANE13熱應(yīng)力耦合單元，所用到的熱應(yīng)力物理參數(shù)見表5。

表5　襯砌與圍巖物理力學(xué)與熱力學(xué)參數(shù)Table5　Physical mechanics and thermodynamics parameters of lining and surrounding rock

圍巖發(fā)生凍脹的條件需要滿足富水和 0 ℃以下，基于現(xiàn)場水壓測試結(jié)果，模型中a區(qū)為隧道襯砌、b區(qū)為凍脹圍巖、c區(qū)為未凍脹圍巖、d區(qū)為溫度0 ℃以上圍巖，其中對于c區(qū)而言，因其內(nèi)部裂隙水基本排放，雖然存在少量地下水，但其引起的凍脹力較小，不予考慮，具體如圖 12所示。計算時，不同的斷面計算模型b區(qū)的凍脹深度分別為為6.1，5.3，5.0，4.1，3.8和3.6 m，對應(yīng)樁號為K117+690，K117+660，K117+610，K117+510，K117+410和K117+310斷面。不同斷面的模擬計算模型邊界都是40 m。計算分區(qū)如下圖12所示。

數(shù)值模型的假設(shè)條件：1) 模型水壓力為0的排水線不是水平的，假定是沿隧道徑向，如圖 12所示；2) 為簡化計算，假設(shè)圍巖排水線以上的圍巖不含水，溫度降至0 ℃以下后不會發(fā)生凍脹。排水線以下的圍巖含水飽和，溫度降至0 ℃以下后會凍結(jié)膨脹，產(chǎn)生凍脹力；3) 模擬圍巖凍脹時不考慮圍巖土體中水份的遷移；4) 不考慮隧道不同斷面圍巖巖石節(jié)理的發(fā)育及其方向?qū)鷰r凍脹產(chǎn)生的凍脹力的影響。

表6給出各斷面凍脹力分布，分析可知，凍脹力最大處位于隧道拱腳，其次是隧道拱底、邊墻與拱腰位置，其中在拱腳位置各監(jiān)測斷面的凍脹力依次為8.54，7.63，5.96，4.65，3.82和3.40 MPa，主要與各測試斷面的最大凍結(jié)深度密切相關(guān)；拱頂受到的凍脹力很小，這是由于拱頂無水，即使圍巖溫度降至0°以下，也不會發(fā)生圍巖的凍結(jié)膨脹，拱頂襯砌受到的凍脹力主要來自邊存水圍巖部分凍結(jié)膨脹產(chǎn)生的凍脹力擠壓傳遞而至的。

圖12　凍脹力數(shù)值模擬模型Fig.12　Numerical simulation model of frost heaving force

表6　各斷面凍脹力Table6　Frost heaving force of each monitoring section MPa

3　結(jié)論

1) 隧道環(huán)境溫度與圍巖溫度均呈正弦函數(shù)周期變化，此外 1月份各測試斷面環(huán)向一定區(qū)域內(nèi)溫度均呈負溫，而7月份溫度為正溫，該隧道屬于季節(jié)性凍融隧道。

2) 圍巖裂隙水壓力隨時間變化基本穩(wěn)定，隧道圍巖給水與排水維持在基本平衡狀態(tài)，且基巖裂隙水聯(lián)通性較好，水壓大小結(jié)果表明隧道結(jié)構(gòu)基本被地下水包圍。

3) 隧道溫度場數(shù)值計算值與現(xiàn)場測試值基本一致，在此基礎(chǔ)上得到各測試斷面的徑向最大凍結(jié)深度，及其圍巖滲透系數(shù)與圍巖最大凍結(jié)深度之間的關(guān)系。

4) 基于溫度場與水壓測試結(jié)果得到在凍結(jié)條件下隧道洞身環(huán)向凍脹力的分布規(guī)律，為高寒富水隧道施工期隧道支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工優(yōu)化等提供了重要依據(jù)。