高地溫環(huán)境下隧道初期支護(hù)力學(xué)性能研究

王明年， 王奇靈， 胡云鵬， 王翊丞， 劉大剛

( 1. 西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 四川 成都 610031； 2. 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)

隨著“西部大開發(fā)戰(zhàn)略”的實(shí)施，西部地區(qū)的交通得以大力發(fā)展。由于該地區(qū)山脈眾多，海拔落差，因而線路橋隧比極高，其中復(fù)雜多變的地質(zhì)情況給隧道工程帶來了各種各樣新的挑戰(zhàn)，例如：高地溫帶來的施工環(huán)境惡化、襯砌結(jié)構(gòu)安全性能下降以及支護(hù)結(jié)構(gòu)溫度場的變化規(guī)律等問題，已引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。因此，本文結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)和數(shù)值模擬，較深入地探究了高地溫隧道初期支護(hù)力學(xué)性能及其隨圍巖溫度場的變化規(guī)律。

目前，關(guān)于高地溫隧道采用的主要研究方法有現(xiàn)場試驗(yàn)法、理論分析法和數(shù)值模擬法?，F(xiàn)場試驗(yàn)?zāi)軌蜃钫鎸?shí)地反映實(shí)際規(guī)律。理論分析能得到精確的數(shù)值解，但需要做大量的條件簡化，結(jié)果與實(shí)際存在一定的差距，數(shù)值模擬法可探明多種工況下的變化規(guī)律。

王明年等[1]通過現(xiàn)場溫度測試，研究了高地溫鐵路隧道施工過程中，圍巖、初期支護(hù)和二次襯砌的溫度變化規(guī)律。周小涵等[2]根據(jù)能量守恒定律，建立隧道空氣-隧道襯砌-高溫圍巖的二維非穩(wěn)態(tài)傳熱有限差分方程，分析不同初始地溫下隧道溫度場的變化規(guī)律，同時研究了隔熱層對于傳熱的影響；白國權(quán)等[3]采用數(shù)值模擬，研究了不同地溫條件下隔熱材料的適用性及效果。賴遠(yuǎn)明等[4]結(jié)合傳熱學(xué)和滲流理論，建立了能綜合反映高地溫隧道溫度場、滲流場和應(yīng)力場的數(shù)學(xué)力學(xué)模型及控制方程。邵珠山等[5]基于彈性理論，采用微分方程級數(shù)求解法，得到了圓形隧道熱彈性理論解。羅彥斌等[6]綜合現(xiàn)場長期監(jiān)測和數(shù)值模擬，通過兩種方法的對比驗(yàn)證，探明了溫度對于隧道二次襯砌混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)狀態(tài)的影響規(guī)律。陳勤等[7]以溪洛渡無壓泄洪洞為研究對象，建立三維模型對不同初始地溫下隧道洞室的施工進(jìn)行模擬，獲得了溫度裂縫發(fā)展變化規(guī)律。王玉鎖等[8]結(jié)合模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬，研究了隔熱層對于高地溫隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)體系受力特征及安全性的影響。

綜上，學(xué)者主要通過理論推導(dǎo)和數(shù)值計算對高地溫隧道通風(fēng)降溫、圍巖溫度場以及應(yīng)力場進(jìn)行了較多研究[9-15]。但針對于高地溫隧道初期支護(hù)應(yīng)力特性的研究較少，而借助現(xiàn)場實(shí)測進(jìn)行研究的更少。因此，本文針對高地溫隧道初期支護(hù)力學(xué)性能隨圍巖溫度的變化規(guī)律問題，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測和熱-力耦合數(shù)值模擬，研究了高地溫隧道初期支護(hù)軸力和彎矩隨溫度的變化規(guī)律和初期支護(hù)應(yīng)力大小和分布范圍隨圍巖溫度的變化規(guī)律。研究結(jié)論可為高地溫隧道初期支護(hù)的施工提供一定的指導(dǎo)依據(jù)。

1 工程概況

本試驗(yàn)的依托工程為桑珠嶺隧道，是拉林鐵路的控制性工程之一。桑珠嶺隧道位于雅魯藏布江桑加峽谷區(qū)沃卡車站至巴玉車站之間，隧道全長16 449 m，最大埋深約1 480 m。隧道穿越多條斷層。桑珠嶺隧道1#橫洞長度832 m，開挖至81 m處出現(xiàn)高地溫情況，孔內(nèi)巖溫達(dá)到65 ℃，隨著隧道掘進(jìn)，巖溫逐步升高，探孔內(nèi)溫度最高可達(dá)86.7 ℃。巖石表面溫度最高可達(dá)74.5 ℃，采取一般性降溫措施后環(huán)境溫度達(dá)43.6 ℃ ，屬超高地溫作業(yè)環(huán)境。

2 高地溫隧道初期支護(hù)現(xiàn)場測試

為了實(shí)際探究高地溫隧道初期支護(hù)的力學(xué)性能，對桑珠嶺高地溫隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場測試，共設(shè)置2個試驗(yàn)斷面，斷面里程分別為D1K175+103，D1K175+125。

2.1 試驗(yàn)測點(diǎn)布置

測試斷面寬度8.26 m，高度10.43 m，均為Ⅴ級圍巖。各測試斷面布置5個混凝土應(yīng)變計，分別位于左邊墻、左拱腰、拱頂、右拱腰、右邊墻，應(yīng)變計布置見圖2。2個測試斷面共布設(shè)10個測試儀器，采集儀使用手持振線式應(yīng)變采集儀。

2.2 現(xiàn)場測試方案

隧道開挖前，混凝土應(yīng)變計進(jìn)行無應(yīng)力處理并測試元件初始讀數(shù)。隧道開挖出渣立拱完成后，試驗(yàn)人員立即進(jìn)行試驗(yàn)儀器的安裝?，F(xiàn)場試驗(yàn)應(yīng)變計處理及安裝見圖3。試驗(yàn)測試時間為30 d，初期采集頻率為1次/d，穩(wěn)定后1次/3 d。

2.3 實(shí)測結(jié)果及分析

試驗(yàn)斷面1監(jiān)控測試20 d，斷面2監(jiān)控測試35 d。由于受到地?zé)岱植疾痪鶆虻挠绊懀?2個現(xiàn)場試驗(yàn)斷面圍巖溫度初始溫度均為45 ℃左右，并隨著時間逐漸降低。對2個斷面實(shí)測數(shù)據(jù)的進(jìn)行整理和分析，斷面1和斷面2噴混凝土應(yīng)力時程變化曲線見圖4(斷面1右拱腰處數(shù)據(jù)線損壞，數(shù)據(jù)已剔除)。

由圖4(a)可知：應(yīng)力在7 d內(nèi)變化較快，15 d后基本穩(wěn)定。拱腰、拱頂處受拉，其余部位受壓，最大壓應(yīng)力8.83 MPa位于左邊墻，最大拉應(yīng)力1.18 MPa位于左拱腰。由圖4(b)可知：應(yīng)力在10 d內(nèi)變化較快，18 d后基本穩(wěn)定。除左拱腰處受拉外，其余各部位均受壓，最大壓應(yīng)力9.90 MPa位于右邊墻，最大拉應(yīng)力0.94 MPa位于左拱腰。

3 高地溫隧道初期支護(hù)數(shù)值模擬

采用溫度-應(yīng)力耦合數(shù)值模擬技術(shù)，利用FLAC3D計算軟件模擬高地溫隧道初期支護(hù)并與現(xiàn)場實(shí)測試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，進(jìn)而探究其變化規(guī)律。

3.1 熱-固耦合分析原理

FLAC3D熱分析基于由能量守恒原理導(dǎo)出的熱平衡方程。方程表達(dá)式為

( 1 )

式中：qi,j為熱流量，W/m2；qυ為體熱源強(qiáng)度，W/m3；ρ為密度；Cυ為在定體積中的熱量，J/(kg·℃)；T為溫度；t為時間。

FLAC3D的熱力耦合計算為單向模型，即溫度的變化可改變單元的應(yīng)變，從而引起應(yīng)力的變化；但單元應(yīng)力的變化卻不能改變溫度的分布。熱力耦合模型采用循環(huán)算法，即在每一較小溫度時段計算后，必須完成相應(yīng)的力學(xué)計算才能進(jìn)行下一階段的熱力學(xué)模擬。

3.2 計算模型及參數(shù)

計算模型中隧道圍巖為Ⅴ級，埋深100 m，隧道模型底部圍巖厚30 m，左右兩側(cè)寬度取5倍的隧道跨度為40 m，縱向長度35 m，縱向單元長度1 m，環(huán)向單元尺寸由隧道中心向外逐漸擴(kuò)大，初期支護(hù)為噴射混凝土。計算模型見圖5。

模型力學(xué)邊界設(shè)為全約束邊界。熱力學(xué)邊界設(shè)為與工況對應(yīng)的溫度值且恒定不變。

圍巖的初始溫度設(shè)為與邊界溫度相同的值。隧道開挖后空氣溫度設(shè)為28 ℃，恒定不變。選擇隧道軸向2 m處為分析斷面，在拱頂、拱肩、拱腰、邊墻、墻腳、仰拱處設(shè)6個分析點(diǎn)，內(nèi)力監(jiān)測點(diǎn)布置見圖6(因模型對稱，只監(jiān)測一側(cè))。

結(jié)合現(xiàn)場溫度情況，以圍巖初始溫度為準(zhǔn)，本試驗(yàn)共設(shè)置5種工況。

表1 結(jié)構(gòu)受力計算工況統(tǒng)計表

通過室內(nèi)試驗(yàn)，采用導(dǎo)熱系數(shù)測試儀和壓力機(jī)分別測定了材料的導(dǎo)熱系數(shù)和力學(xué)參數(shù)，見圖7。結(jié)合地勘資料，確定了計算模型中圍巖和初期支護(hù)各項(xiàng)物理力學(xué)參數(shù)，見表2。

表2 計算力學(xué)參數(shù)表

3.3 模型與實(shí)測對比

現(xiàn)場實(shí)測圍巖溫度為45 ℃，因此將現(xiàn)場實(shí)測的初期支護(hù)應(yīng)力與對應(yīng)工況(圍巖溫度為40 ℃)下數(shù)值計算結(jié)果進(jìn)行對比，對比結(jié)果見圖8、表3 。

2個試驗(yàn)斷面測試數(shù)據(jù)受到地質(zhì)、施工等因數(shù)的影響，會存在一定的波動，但兩個試驗(yàn)斷面的受力整體趨勢和分布較為一致，能夠體現(xiàn)處現(xiàn)場試驗(yàn)的可靠性。數(shù)值計算與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果所得噴射混凝土最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力的分布大致相同。總體上，數(shù)值計算所得最大壓應(yīng)力比現(xiàn)場試驗(yàn)偏大約9%；而二者所得的最大拉應(yīng)力較為接近，表明該數(shù)值模擬能夠較好地反映初期支護(hù)應(yīng)力特性和規(guī)律。

表3 斷面噴混凝土應(yīng)力的現(xiàn)場實(shí)測與數(shù)值模擬計算結(jié)果對比

3.4 數(shù)值計算結(jié)果分析

通過FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值計算，得到5種工況下初期支護(hù)仰拱、墻腳、邊墻、拱腰、拱肩、拱頂各點(diǎn)軸力、彎矩、拉應(yīng)力和壓應(yīng)力隨溫度變化的規(guī)律，見圖9、圖10 。

由圖9可見，初期支護(hù)各點(diǎn)均為受壓狀態(tài)，拱頂、拱腰、邊墻、仰拱處軸力隨溫度增加而增加，拱頂和仰拱處增速最快，拱肩和墻腳處軸力隨溫度變化不明顯；結(jié)構(gòu)受壓受拉狀態(tài)隨溫度不發(fā)生變化；拱頂、拱肩、拱腰和墻腳處彎矩隨溫度升高而增大，拱腰和邊墻處彎矩隨溫度無明顯變化，且數(shù)值較小。

由圖10可知， 圍巖的溫度場對初期支護(hù)的受力情況存在較大影響，同種工況下，拉應(yīng)力在拱肩、墻腳和仰拱處較大，易出現(xiàn)裂縫，可能出現(xiàn)滲漏水，溫度較高時需對局部進(jìn)行特殊化處理；壓應(yīng)力則是在拱腰和邊墻處較大，在拱肩、墻腳和仰拱處較小。隨著圍巖初始溫度增加，初期支護(hù)各點(diǎn)拉壓應(yīng)力均增大，50 ℃時壓應(yīng)力平均增大約44%，50 ℃后增幅加劇變大。

針對各工況下初期支護(hù)最大拉應(yīng)力、壓應(yīng)力進(jìn)行分析，各工況的受力云圖見圖11～圖15。

根據(jù)受力云圖，將各工況最大壓應(yīng)力、拉應(yīng)力的數(shù)值與位置進(jìn)行統(tǒng)計與分析，見表4。最大拉、壓應(yīng)力隨圍巖溫度變化曲線見圖16。

表4 各工況應(yīng)力統(tǒng)計

由表4、圖16可見，隨圍巖溫度升高，初期支護(hù)最大拉應(yīng)力、壓應(yīng)力逐漸變大且增速逐漸變大，50 ℃時最大壓應(yīng)力增大幅度為28.3%，最大拉應(yīng)力是無溫度場時的3.5倍。最大拉應(yīng)力的變化幅度大于最大壓應(yīng)力的變化幅度。 當(dāng)溫度超過50 ℃時，初期支護(hù)存在破壞趨勢且拉壓應(yīng)力增大幅度變大。隨著圍巖溫度的升高，初期支護(hù)最大拉應(yīng)力以及最大壓應(yīng)力的分布范圍均存在一個擴(kuò)大趨勢。最大壓應(yīng)力范圍由邊墻擴(kuò)大到邊墻和拱腰，最大拉應(yīng)力范圍由拱腳擴(kuò)大到拱腳、拱肩和仰拱。

3.5 高地溫隧道初期支護(hù)應(yīng)力計算公式

采用無量綱化分析方法。以初期支護(hù)無溫度場時的最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力作為基準(zhǔn)，分別將有溫度場時的最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力與之進(jìn)行對比，得到最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力擴(kuò)大系數(shù)隨圍巖溫度的變化曲線，并對變化曲線進(jìn)行擬合，見圖17。

通過數(shù)學(xué)擬合，初期支護(hù)最大拉應(yīng)力擴(kuò)大系數(shù)和最大壓應(yīng)力擴(kuò)大系數(shù)與圍巖初始溫度成二次關(guān)系，表達(dá)式

n=1.37×10-3t-2-2.0×10-2t+0.95

( 2 )

m=3.48×10-4t2-1.13×10-2t+0.998

( 3 )

式中：n為拉應(yīng)力擴(kuò)大系數(shù)(n≥1)；m為壓應(yīng)力擴(kuò)大系數(shù)(m≥1)；t為圍巖的初始溫度， ℃(t≥28 ℃)。

式( 2 )和式( 3 )方差分別為0.983、0.997。

4 結(jié)論

綜合現(xiàn)場實(shí)測和熱力耦合數(shù)值模擬，探究了高巖溫隧道初期支護(hù)的力學(xué)性能及其隨圍巖溫度的變化規(guī)律，可以得出如下結(jié)論：

(1) 圍巖溫度為45 ℃左右時，初期支護(hù)混凝土應(yīng)力在10 d內(nèi)變化較快，18 d后基本穩(wěn)定，最大壓應(yīng)力位于邊墻處，最大拉應(yīng)力位于拱腰處。

(2) 初期支護(hù)各點(diǎn)均為受壓狀態(tài)，拱頂、拱腰、邊墻、仰拱處軸力隨溫度增加而增加，拱頂和仰拱處增速最快，拱肩和墻腳處軸力隨溫度變化不明顯；結(jié)構(gòu)受壓受拉狀態(tài)隨溫度不發(fā)生變化；拱頂、拱肩、拱腰和墻腳處彎矩隨溫度升高而增大，拱腰和邊墻處彎矩隨溫度無明顯變化，且數(shù)值較小。

(3) 隨著圍巖初始溫度增加，初期支護(hù)各點(diǎn)拉壓應(yīng)力均增大且增大幅度在50 ℃后急劇變大并存在破壞趨勢。拱肩、墻腳和仰拱受拉力影響較大；拱腰和邊墻受壓力影響較大。

(4) 初期支護(hù)最大拉應(yīng)力擴(kuò)大系數(shù)和最大壓應(yīng)力擴(kuò)大系數(shù)與圍巖初始溫度成二次關(guān)系，且在圍巖初始溫度大于50 ℃后急劇變大。隨著圍巖溫度的升高，初期支護(hù)最大壓應(yīng)力的分布范圍由邊墻擴(kuò)大到邊墻和拱腰；最大拉應(yīng)力由墻腳擴(kuò)大到墻腳、拱肩和仰拱。