高巖溫隧道初期支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)及安全性研究

唐興華 ，王明年 ，童建軍 ，董從宇 ，張 沖

（1. 西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；2. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都610031；3. 鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300140）

在深埋隧道中，受巖漿、溫泉等活動(dòng)影響會(huì)導(dǎo)致圍巖溫度增高，從而使隧道施工時(shí)空氣溫度超過28 ℃，一般將此類隧道定義為高巖（地）溫隧道[1-2].由于高巖溫的影響，隧道初期支護(hù)在其施作養(yǎng)護(hù)期間產(chǎn)生了以下問題：圍巖與噴射混凝土之間黏結(jié)力不足；砂漿錨桿強(qiáng)度抗拔力不滿足設(shè)計(jì)要求[3]；高巖溫蒸發(fā)水分導(dǎo)致噴射混凝土產(chǎn)生裂縫[4]等. 因此，有必要開展高巖溫隧道初期支護(hù)的研究.

目前，學(xué)者們針對(duì)高巖溫隧道初期支護(hù)開展了一些研究：邵珠山等[5]利用微分方程級(jí)數(shù)求解的方法得到了高地溫隧道的溫度場(chǎng)-應(yīng)力場(chǎng)-位移場(chǎng)的熱彈性解；劉乃飛等[6]通過理論分析獲取了高地溫水工隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)特征；郭進(jìn)偉等[7]運(yùn)用數(shù)值模擬方法求解了某水工隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)在溫度應(yīng)力和內(nèi)部水壓力作用下的內(nèi)力值；許富貴等[8]采用有限差分法軟件分析了深埋高地溫隧洞的應(yīng)力、位移、塑性區(qū)特征；王玉鎖等[9]通過模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析了深埋高地溫隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和溫度變化規(guī)律以及隔熱層設(shè)置對(duì)其的影響；周建軍等[10]依托某深埋引水隧洞高地溫洞段，通過數(shù)值模擬的方法研究了圍巖在施工全過程中的變形特征，并比選了襯砌設(shè)計(jì)方案；李書杰[11]以娘擁水電站的高地溫段引水隧洞為依托，采用有限元軟件對(duì)運(yùn)行工況和檢修工況下不同厚度的襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，得出了不同情況下襯砌的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移值. 以上研究揭示了高巖溫隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，但未結(jié)合施工過程分析隧道初期支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)的演變規(guī)律，也未對(duì)不同巖溫條件下初期支護(hù)的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià).

本文研究依托拉日鐵路中的高巖溫隧道——吉沃希嘎隧道，研究不同圍巖初始溫度下，高巖溫隧道施工過程中初期支護(hù)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的演變規(guī)律，最終評(píng)價(jià)其安全性.

1 拉日鐵路吉沃希嘎隧道工程概況

拉日鐵路吉沃希嘎隧道為單線鐵路隧道，全長(zhǎng)3 974 m. 隧道位于雅魯藏布江左岸，屬中高山區(qū)，主要地層為第四系松散堆積物、燕山期閃長(zhǎng)巖等. 受南北地?zé)釒в绊懀淼涝贗IIDK117 + 690～I(xiàn)IIDK120 +375段高巖溫現(xiàn)象突出，路肩處溫度主要在28～48 ℃，對(duì)工程造成很大影響. 該段主要為Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖，初期支護(hù)參數(shù)見表1，V 加強(qiáng)級(jí)圍巖初期支護(hù)見圖1.

圖1 V加強(qiáng)級(jí)圍巖初期支護(hù)（單位：cm）Fig.1 Primary support of V enhanced rock （unit：cm）

2 高巖溫隧道初期支護(hù)數(shù)值模擬

運(yùn)用FLAC3D有限差分法軟件進(jìn)行三維的熱-應(yīng)力耦合分析，模擬隧道開挖過程，分析其溫度場(chǎng)隨施工進(jìn)程的演變規(guī)律. 熱-應(yīng)力耦合采用間接耦合的方式，即先計(jì)算模型的溫度場(chǎng)，然后將溫度應(yīng)力與模型自重應(yīng)力進(jìn)行疊加.

2.1 計(jì)算模型

本文所建立的數(shù)值模型以吉沃希嘎隧道DK117 + 850斷面為基礎(chǔ)，圍巖等級(jí)為V級(jí)，隧道埋深為85 m，模型底部距隧底35 m，水平寬度為35 m（5倍隧道跨度），縱向長(zhǎng)度為34 m. 圍巖、初期支護(hù)的數(shù)值本構(gòu)模型分別使用摩爾-庫倫模型、各向同性線彈性模型. 熱力學(xué)計(jì)算使用各向均質(zhì)導(dǎo)熱模型. 數(shù)值單元類型為Brick，圍巖、初期支護(hù)單元數(shù)量分別為100 464個(gè)和10 350個(gè). 初期支護(hù)數(shù)值模型由噴混凝土單元和包含鋼架噴混凝土單元縱向相間排列組合而成，見圖2.

圖2 計(jì)算模型Fig.2 Calculation model

2.2 計(jì)算參數(shù)

圍巖以及初期支護(hù)的計(jì)算參數(shù)由工程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)資料及相關(guān)文獻(xiàn)[12]～[14]確定，含鋼架噴混凝土參數(shù)采用等效面積法（式（1））計(jì)算求得. 具體參數(shù)結(jié)果見表2.

式中：XT為含鋼架噴混凝土的參數(shù)；XS為鋼架的參數(shù)；XC為混凝土的參數(shù)；ST為含鋼架噴混凝土截面的總面積；SS為含鋼架噴混凝土截面的鋼架面積；SC為含鋼架噴混凝土截面的噴混凝土面積.

2.3 邊界條件

數(shù)值模型力學(xué)邊界具體如下：地表為自由面，兩側(cè)為X方向位移約束，縱向兩端為Y方向位移約束，下底面為Z方向位移約束. 數(shù)值模型熱學(xué)邊界具體如下：地表溫度由最不利原則取吉沃希嘎隧址區(qū)年度最高氣溫30 ℃，兩側(cè)邊界的溫度梯度見表3，圍巖和噴混凝土內(nèi)側(cè)表面溫度恒定為28 ℃[1].

表2 計(jì)算參數(shù)Tab.2 Calculation parameters

表3 數(shù)值模型兩側(cè)邊界溫度梯度Tab.3 Thermal boundary condition on both sides of calculation model

表3中，兩側(cè)豎向溫度梯度采用拓展分析模型獲得，即通過建立大尺寸拓展分析模型，模擬大范圍內(nèi)的地層溫度場(chǎng)，并與鉆孔實(shí)測(cè)溫度比較來確定計(jì)算模型兩側(cè)邊界豎向溫度梯度. 以路肩標(biāo)高處圍巖初始溫度48 ℃時(shí)為例，具體該方法如下：

（1） 拓展分析模型中，隧道埋深85 m，底部以下為200 m，兩側(cè)為300 m，見圖3. 熱分析時(shí)本構(gòu)模型同樣選用各向均質(zhì)導(dǎo)熱模型. 拓展分析模型中，上邊界溫度根據(jù)吉沃希嘎隧道區(qū)域夏季極端高溫取為 30 ℃，下邊界溫度分別擬定為 60、80、100、120 ℃4種工況.

（2） 通過對(duì)不同溫度邊界的拓展分析模型進(jìn)行溫度場(chǎng)數(shù)值模擬，獲得以上4種工況中隧道路肩標(biāo)高處圍巖初始溫度，見表4.

圖3 圍巖溫度場(chǎng)拓展分析模型（單位：m）Fig.3 Spreading model of rock temperature field (unit: m)

表4 不同溫度邊界下的隧道路肩巖溫Tab.4 Rock temperature at tunnel shoulder with various boundary conditions

對(duì)表4數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理可知，當(dāng)模型下邊界溫度約為105 ℃時(shí)，隧道路肩處圍巖溫度為48 ℃，與DK117 + 850斷面鉆孔實(shí)測(cè)路肩巖溫48 ℃一致.

（3） 將拓展分析模型的下邊界溫度設(shè)置為105 ℃，并進(jìn)行溫度場(chǎng)數(shù)值模擬，得到計(jì)算模型底面的溫度，進(jìn)而得到計(jì)算模型兩側(cè)溫度邊界條件（豎向溫度梯度）.

2.4 計(jì)算工況

根據(jù)路肩標(biāo)高處圍巖初始溫度分為48、60、80 ℃3種工況. 開挖方法為上下臺(tái)階法，具體施工步序依次為上臺(tái)階施工、下臺(tái)階施工和仰拱施工，相應(yīng)的循環(huán)進(jìn)尺為 1、2、3 m.

3 高巖溫隧道初期支護(hù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試依托拉日鐵路吉沃希嘎隧道開展，試驗(yàn)段里程DK118 + 960～DK119 + 000，全長(zhǎng)為40 m，等里程布置4個(gè)測(cè)試斷面，其路肩標(biāo)高處初始圍巖溫度在50～55 ℃之間. 試驗(yàn)段采用振弦式溫度計(jì)測(cè)量溫度，測(cè)點(diǎn)分別布置在拱頂、左拱腰、左邊墻、右拱腰、右邊墻共5個(gè)位置，每個(gè)測(cè)點(diǎn)中初始支護(hù)的中間和靠近圍巖一側(cè)分布布置1個(gè)振弦式溫度計(jì).混凝土應(yīng)力量測(cè)采用振弦式應(yīng)變計(jì)，與溫度量測(cè)相同的測(cè)點(diǎn)布置，在每個(gè)部位的初期支護(hù)中間位置設(shè)置1個(gè)應(yīng)變計(jì)，具體布置方案見圖4，圖中，C1～C5為溫度測(cè)點(diǎn)，C6～C10為應(yīng)力測(cè)點(diǎn).

圖4 初期支護(hù)溫度和應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置Fig.4 Measuring point arrangement of initial support temperature and stress

4 高巖溫隧道初期支護(hù)溫度演化規(guī)律

由文中數(shù)值模擬得到的結(jié)果，繪制隧道初期支護(hù)拱頂部位的溫度-時(shí)間曲線，分析高巖溫隧道初期支護(hù)溫度場(chǎng)變化規(guī)律，見圖5.

圖5 初期支護(hù)溫度隨時(shí)間變化曲線（數(shù)值模擬）Fig.5 Temperature change with time curve of initial support （from numerical simulation）

由圖5可知：不同的路肩標(biāo)高處圍巖初始溫度下，初期支護(hù)溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律類似，即在開始的5 d時(shí)間內(nèi)，初期支護(hù)拱頂外表面的溫度大幅度降低，其減小幅度達(dá)到了92.7%～94.8%，5～60 d之間溫度降低的幅度不大；由于初期支護(hù)厚度較小，第60 d后其溫度穩(wěn)定于28 ℃，接近洞內(nèi)氣溫. 隧道初期支護(hù)其它部位的溫度演化規(guī)律類似.

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段實(shí)測(cè)結(jié)果，得到初期支護(hù)溫度-時(shí)間曲線，見圖6.

圖6 初期支護(hù)溫度隨時(shí)間變化曲線（現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試）Fig.6 Temperature change with time curve of initial support （from in-situ test）

由圖6可知，隧道開挖7 d后，各測(cè)點(diǎn)初期支護(hù)溫度趨于穩(wěn)定，拱頂、拱腰、邊墻等測(cè)點(diǎn)的溫度在26.6～26.9 ℃之間，略高于洞內(nèi)空氣溫度（25～26 ℃）.

由數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試所得到的初期支護(hù)溫度隨時(shí)間變化曲線可知，兩者溫度演變規(guī)律基本一致，表明了數(shù)值模擬的正確性.

5 高巖溫隧道初期支護(hù)應(yīng)力演變規(guī)律及安全性評(píng)價(jià)

根據(jù)數(shù)值模擬，獲得不同路肩標(biāo)高處圍巖初始溫度下，不同施工步序時(shí)高巖溫隧道初期支護(hù)的最大主應(yīng)力最值，見表5、6，表中：“范圍”指主應(yīng)力最值在分布位置上的法向?qū)挾?；拱腰外?cè)（邊墻外側(cè)）的“范圍”為左右拱腰外側(cè)（邊墻外側(cè)）的范圍之和.

表5 各施工步序初期支護(hù)最大主應(yīng)力最大值Tab.5 Maximum of major principal stress in primary support by various construction step

表6 各施工步序初期支護(hù)最小主應(yīng)力最小值Tab.6 Minimum of minimum principal stress in primary support by various construction step

根據(jù)表5、6可知：

（1） 在同一路肩標(biāo)高處圍巖初始溫度下，隧道下臺(tái)階施工后，初期支護(hù)最大主應(yīng)力最大值及范圍增大，而在仰拱施工后，最大主應(yīng)力最大值及范圍降低，表明初期支護(hù)最大拉應(yīng)力及隨著隧道開挖斷面的增大而增大，而其封閉成環(huán)及仰拱施作可有效降低其拉應(yīng)力，改善其受力狀態(tài). 與此不同的是，初期支護(hù)的最小主應(yīng)力最小值及范圍則隨著施工進(jìn)行不斷增大，表明其最大壓應(yīng)力逐漸增大，充分發(fā)揮噴射混凝土的抗壓性能.

（2） 從常巖溫到高巖溫，隨著路肩標(biāo)高處圍巖初始溫度增大，在不同施工步序中，初期支護(hù)的最大主應(yīng)力最大值和最小主應(yīng)力最小值均增大，但最大主應(yīng)力增幅相比更大，表明高巖溫對(duì)初期支護(hù)應(yīng)力的影響十分顯著.

（3） 根據(jù)文獻(xiàn)[15-16]，C25 噴射混凝土極限抗壓強(qiáng)度為20 MPa，極限抗拉強(qiáng)度為1.4 MPa，以此作為初期支護(hù)安全性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn). 在各路肩初始溫度條件下，初期支護(hù)最小主應(yīng)力最小值均小于C25噴射混凝土極限抗壓強(qiáng)度. 在路肩標(biāo)高處圍巖初始溫度大于48 ℃后，初期支護(hù)噴射混凝土的最大主應(yīng)力最大值大于其極限抗拉強(qiáng)度，所以初期支護(hù)安全性受控于噴射混凝土抗拉強(qiáng)度，當(dāng)路肩標(biāo)高處圍巖初始溫度超過60 ℃，隧道下臺(tái)階施工后，噴射混凝土將產(chǎn)生受拉破壞.

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，獲得4個(gè)斷面初期支護(hù)各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值，見表7.

表7 初期支護(hù)應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Primary support stress by test MPa

根據(jù)表7可知，初期支護(hù)壓應(yīng)力小于噴射混凝土極限抗壓強(qiáng)度，拉應(yīng)力除第3斷面左拱腰之外均小于噴射混凝土極限抗拉強(qiáng)度. 對(duì)比表5和表7可知：現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段路肩初始圍巖溫度為50～55 ℃，最大拉應(yīng)力發(fā)生在第3斷面的左拱腰處，量值為1.68 MPa；數(shù)值模擬中當(dāng)路肩初始圍巖溫度為48 ℃時(shí)，最大拉應(yīng)力為1.37 MPa，當(dāng)路肩初始圍巖溫度為60 ℃，最大拉應(yīng)力為1.77 MPa，均發(fā)生在下臺(tái)階開挖后的墻腳內(nèi)側(cè)處. 雖然現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)表明，當(dāng)路肩標(biāo)高處圍巖初始溫度為50～55 ℃時(shí)，初期支護(hù)將發(fā)生拉裂破壞，初步驗(yàn)證了數(shù)值模擬的結(jié)果，但是，其它方面與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比，差異較大，其中原因較多，比如：高巖溫隧道初期支護(hù)在圍巖荷載和溫度應(yīng)力作用下其應(yīng)力狀態(tài)較為復(fù)雜，數(shù)值模擬斷面與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段存在地形地質(zhì)條件上的差異，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試未考慮隧道開挖方法的影響以及測(cè)試斷面數(shù)量有限，數(shù)值模擬技術(shù)的局限性造成與工程實(shí)際的出入等等，因此，后續(xù)需開展更為深入的研究.

6 結(jié) 論

針對(duì)高巖溫隧道施工過程中初期支護(hù)的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的演變問題，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試之間的對(duì)比研究，得到了以下結(jié)論：

（1） 受施工通風(fēng)影響，初期支護(hù)溫度在隧道開挖后約5 d內(nèi)急劇降低，之后基本恒定且與洞內(nèi)氣溫一致.

（2） 受上下臺(tái)階法施工工序影響，初期支護(hù)最大拉應(yīng)力先增后減，最大壓應(yīng)力持續(xù)增加，表明初期支護(hù)封閉成環(huán)和仰拱施作減小了其拉應(yīng)力，增大了其壓應(yīng)力，有效改善了初期支護(hù)受力狀態(tài).

（3） 隨著路肩標(biāo)高處圍巖初始溫度增大，在不同施工步序中，初期支護(hù)的最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力均增大，表明高巖溫降低了初期支護(hù)的安全性.

（4） 高巖溫隧道初期支護(hù)安全性受控于噴射混凝土抗拉強(qiáng)度，當(dāng)圍巖初始溫度超過60 ℃時(shí)，噴射混凝土將產(chǎn)生受拉破壞.