凍融損傷對大準(zhǔn)鐵路言正子2#隧道圍巖穩(wěn)定性的影響

杜振軍，蘭曉峰，張建民，毛智周，羅興華

（中國神華準(zhǔn)能大準(zhǔn)鐵路公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 010300）

大準(zhǔn)鐵路是國家“八五”計劃重點建設(shè)項目“準(zhǔn)格爾項目一期工程”三大主體工程之一，正線全長265.263 km，全線共有48座隧道。由于全線位于北緯40°以北的高海拔寒區(qū)，區(qū)域溫差大，多數(shù)隧道常出現(xiàn)襯砌結(jié)構(gòu)裂損和滲漏水、基床破損、基底翻漿等病害。

對于寒區(qū)隧道凍融問題學(xué)者們已有研究。譚賢君等［1-2］以嘎隆拉寒區(qū)隧道為例建立了圍巖凍融損傷本構(gòu)模型，得到長期凍融循環(huán)荷載作用下嘎隆拉寒區(qū)隧道圍巖凍脹力變化規(guī)律。黃繼輝等［3］通過分析得出不均勻凍脹是引起寒區(qū)隧道圍巖凍脹力的重要因素，并推導(dǎo)了考慮圍巖不均勻凍脹性的寒區(qū)圓形隧道凍脹力解析解。張玉偉等［4-5］通過Stephen公式得到圍巖凍結(jié)深度隨隧道進(jìn)深的變化規(guī)律。李峰幟［6-7］利用ANSYS 有限元軟件分析了扎爾斯臺隧道溫度場的分布規(guī)律并給出了襯砌的保溫方案。王濤等［8］基于隨機(jī)分析模型研究得出圍巖凍脹導(dǎo)致襯砌平均應(yīng)力和平均位移增大。然而，不同地區(qū)晝夜溫差不同凍融規(guī)律亦不相同，針對具體隧道還須深入研究。

本文以大準(zhǔn)鐵路K227+317—K228+892 區(qū)段言正子2#隧道為工程背景，運(yùn)用有限差分軟件FLAC 3D 分析凍融損傷對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。分析結(jié)果為國內(nèi)外類似地質(zhì)條件情況下隧道病害治理提供參考。

1 工程概況

言正子2#隧道所在區(qū)域地貌類型多樣，以沖洪積平原、盆地、中低山、河谷階地、黃土丘陵為主，平均海拔在1 200～1 500 m；沿線水土流失現(xiàn)象普遍，水燭、風(fēng)燭、重力侵蝕等類型共存［9］。

隧址區(qū)巖土類型主要為塊石、碎石土和強(qiáng)風(fēng)化黑云母石英片巖。圍巖軟化呈角礫狀、砂土狀和可塑黏土狀，結(jié)構(gòu)松散，穩(wěn)定性差；片巖節(jié)理、裂隙極發(fā)育。

隧址區(qū)水系為岱海內(nèi)陸水系，各河流均為季節(jié)性河流，山區(qū)河溝縱坡大，平原河溝寬淺平緩。河水暴漲暴落，歷時短，攜沙量大，造成上游沖蝕、下游淤積。沿線地下水類型按成因分為第四系松散巖類孔隙水及基巖裂隙水。

言正子2#隧道里程為K227+317.20—K228+892.10，全長1 574.9 m。研究斷面距隧道進(jìn)口約20 m。研究斷面尺寸見圖1。

圖1 研究斷面尺寸（單位：m）

2 隧道凍融情況

言正子2#隧道地處高海拔寒區(qū)。隧道病害主要由凍融所致，病害主要出現(xiàn)在隧道拱頂和邊墻。病害類型主要為拱頂開裂和邊墻剝落，見圖2。

圖2 隧道主要病害

3 凍融對隧道圍巖穩(wěn)定性影響的數(shù)值分析

3.1 模型的建立

依據(jù)圖1建立三維計算模型，見圖3。其中：z軸方向是隧道掘進(jìn)的方向。

圖3 計算模型

由于隧道具有軸對稱性，故所建模型為實體隧道的右半部分。隧道中心點為坐標(biāo)原點，模型尺寸為25 m（x軸）×40 m（y軸）×5 m（z軸）。模型前、后、左、右和底面采用固定邊界，頂面采用自由邊界。該隧道埋深不大，根據(jù)地應(yīng)力現(xiàn)場測試資料隧址區(qū)地應(yīng)力以自重應(yīng)力為主，構(gòu)造應(yīng)力較小，因此模擬隧道圍巖變形破壞過程時主要考慮自重應(yīng)力。

根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀蟛块T統(tǒng)計數(shù)據(jù)，言正子2#隧道1年內(nèi)大氣溫度T隨時間t呈正弦規(guī)律變化，可表示為T=32.85sin（ωt+1.57）+269。其中，ω為角頻率，取2.02×10-7rad/s。凍融對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響采用FLAC 3D 的溫度模塊實現(xiàn)。該模塊可模擬因溫度變化而產(chǎn)生的圍巖位移與應(yīng)力，單元的溫度通過內(nèi)嵌的FISH語言進(jìn)行定義［10-11］。

3.2 參數(shù)的確定

本次計算中巖土材料為隧道圍巖和混凝土襯砌，材料選用Mohr-Coulomb 模型，計算參數(shù)見表1。圍巖的導(dǎo)熱系數(shù)為1.5 W/（m·K），凍脹率為-5×10-5/℃，圍巖比熱容為500 J/（kg·K）。

表1 計算參數(shù)

3.3 計算結(jié)果分析

3.3.1 圍巖位移

不同凍融循環(huán)次數(shù)下隧道圍巖的水平位移見圖4。其中n為凍融次數(shù)?？芍航?jīng)歷不同凍融次數(shù)后隧道圍巖最大水平位移均出現(xiàn)在邊墻處，0，50，100，150次凍融循環(huán)后圍巖最大水平位移分別為1.8，2.8，3.6，4.2 mm，方向向左，距隧道中心越遠(yuǎn)水平位移越小。因隧道邊墻處水平位移最大，故此處容易達(dá)到變形極限出現(xiàn)混凝土開裂、剝落等病害。

圖4 不同凍融循環(huán)次數(shù)下隧道圍巖水平位移（單位：mm）

不同凍融循環(huán)次數(shù)下隧道圍巖垂向位移見圖5?？芍核淼绹鷰r垂向位移最大值出現(xiàn)在隧道底板中心，0，50，100，150 次凍融循環(huán)后圍巖最大垂向位移分別為2.2，4.0，5.2，6.0 mm，方向豎直向上，距隧道中心越遠(yuǎn)垂向位移越小。因隧道底板中心處垂向位移最大，故此處易出現(xiàn)混凝土開裂等病害。

隧道圍巖最大位移Dmax隨凍融循環(huán)次數(shù)n的變化曲線見圖6?？芍核淼绹鷰r最大水平位移和最大垂向位移均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增大而顯著增大；增長率隨凍融循環(huán)次數(shù)的增大而減小，即凍融對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸減小。

圖5 不同車輛循環(huán)次數(shù)下隧道圍巖垂向位移（單位：mm）

圖6 隧道圍巖最大位移隨凍融循環(huán)次數(shù)變化曲線

3.3.2 圍巖應(yīng)力

不同凍融循環(huán)次數(shù)下隧道圍巖最大主應(yīng)力分布見圖7。圖中拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)?？芍孩俳?jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后隧道圍巖最大主應(yīng)力的峰值出現(xiàn)在隧道拱腳處；②0，50，100，150 次凍融循環(huán)后隧道圍巖最大主應(yīng)力分別為1.3，1.7，1.9，2.0 MPa；③最大主應(yīng)力等值線基本平行于水平面，越靠近下部圍巖主應(yīng)力越大，可見重力為最大主應(yīng)力的主要影響因素；④不同凍融循環(huán)次數(shù)下隧道圍巖均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，表明襯砌結(jié)構(gòu)有效地控制了圍巖變形。

隧道圍巖最大主應(yīng)力σ1隨凍融循環(huán)次數(shù)n的變化曲線見圖8?？芍弘S著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，隧道圍巖最大主應(yīng)力顯著增大；增長率隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小，凍融對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響逐漸減小。

圖7 不同凍融循環(huán)次數(shù)下隧道圍巖最大主應(yīng)力分布（單位：MPa）

圖8 隧道圍巖最大主應(yīng)力隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線

4 結(jié)論

采用數(shù)值計算方法對凍融循環(huán)作用下大準(zhǔn)鐵路言正子2#隧道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，得出以下主要結(jié)論：

1）隧道病害主要由凍融損傷造成，病害類型主要為拱頂開裂和邊墻剝落，病害部位主要分布在拱頂和邊墻。

2）隧道圍巖水平位移、垂向位移和最大主應(yīng)力均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大。最大水平位移出現(xiàn)在邊墻，最大垂向位移出現(xiàn)在底板中心，最大主應(yīng)力出現(xiàn)在拱腳。邊墻、底板中心和拱腳易產(chǎn)生混凝土開裂、剝落等病害。

3）經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后隧道圍巖均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，表明襯砌有效地控制了圍巖變形。