高地溫熱害對隧道及圍巖影響的研究進展

扶鳳姣 胡玄旺 吳銀芳 張軍勝 趙慧玲 袁 嘯

1. 中電建路橋集團有限公司 北京 100048；2. 上海大學土木工程系 上海 200444

隨著交通強國戰(zhàn)略的推進，隧道工程建設范圍和里程不斷擴大，隧道穿越的地質條件越來越復雜。西部山區(qū)巖層隧道工程常遇到難以避繞的高地溫不良地質，如已建成的西康（西安—安康）鐵路秦嶺隧道圍巖地溫達40 ℃。隧址區(qū)的高地溫場主要取決于深部熱流背景、巖漿活動、地下水活動、放射性生熱元素含量等。隧道施工中，高地溫不僅會使隧道內作業(yè)環(huán)境惡化，增加安全風險，降低施工效率，而且圍巖高溫會使得隧道初襯混凝土黏結強度降低、噴射困難，二襯混凝土水泥水化熱不易散發(fā)導致混凝土強度降低。同時，高地溫圍巖易使隧道襯砌產生溫度附加應力，引起襯砌開裂，嚴重影響隧道的安全性與圍巖的穩(wěn)定性。

目前，針對高地溫環(huán)境問題的研究主要集中在隧道工程通風降溫等技術方面，而高地溫對隧道支護結構施工與力學行為影響的研究相對較少。本文對國內外高地溫隧道研究現(xiàn)狀進行總結與分析，闡述高地溫對隧道襯砌施工力學行為、隧道襯砌混凝土耐久性以及隧道圍巖的影響，期望能為后續(xù)工程及研究提供一定的依據(jù)。

1 高溫熱害對隧道襯砌施工力學的影響

隧道開挖后，土體的原有平衡被破壞，隧道襯砌作為隧道的支護結構維持圍巖的穩(wěn)定性。在高地溫環(huán)境下，圍巖溫度較高，需采取降溫措施控制隧道內部溫度以保證施工環(huán)境。此時襯砌外表面承受圍巖高溫，內表面溫度與施工環(huán)境保持一致，內外的溫度差導致隧道形成圍巖-襯砌-氣流的傳熱系統(tǒng)，三者之間不斷進行熱傳導、熱對流和熱輻射，隧道圍巖溫度場不斷變化。受溫度場影響，襯砌的內外表面產生不同程度的熱膨脹，導致襯砌結構產生溫度附加應力而開裂，且在噴射混凝土時，溫度差導致混凝土黏結性能差，均不利于高地溫隧道的施工。

因此，已有學者針對高地溫隧道溫度場、應力場的變化等對隧道襯砌施工方面的影響，進行了相關的試驗研究與數(shù)值模擬研究。

1.1 高地溫隧道溫度場

隧道的圍巖-襯砌-氣流傳熱系統(tǒng)中，熱量交換主要通過圍巖與隧道之間的熱傳導、襯砌與隧道內氣流之間的對流換熱進行。熱輻射存在于整個傳熱系統(tǒng)中，但相對于熱傳導與對流換熱，熱輻射引起的熱量傳遞要小得多，故往往不予考慮。

目前的熱傳導與熱對流理論多基于三維均質熱傳導偏微分方程與對流熱傳遞方程進行求解，考慮到均質環(huán)境下熱量呈環(huán)狀擴散，Lai等[1]在極坐標系下采用無量綱法、攝動法求解二維熱傳導控制微分方程的近似解，得到了較為完備的解析。但由于隧道的施工條件復雜，方程的初始條件、邊界條件等需根據(jù)環(huán)境的改變而改變。如考慮到隧道圍巖的非均質性對隧道傳熱的影響，需對近開挖面圍巖分層列出熱平衡微分方程進行疊加求解；考慮到不同程度的高溫對隧道傳熱的影響，需對整個隧道進行離散化分析。

在解析的基礎上，利用相關數(shù)值軟件也可實現(xiàn)溫度場分布的計算，確定合理的數(shù)值模型，并有利于進行復雜的耦合場計算。其中，與流場耦合不僅需考慮水分的熱傳遞，還需要考慮相變帶來導熱性能的變化。Zhang等[2]結合實測數(shù)據(jù)，充分考慮水分傳遞與熱傳導的耦合效應建立熱平衡方程，運用數(shù)值方法得到其半解析解，并應用Galerkin法推導出隧道溫度場的有限元計算方法?？紤]到隧道內部氣流會隨著時間變化呈正弦規(guī)律變化，對隧道溫度場產生影響，Krarti等[3]通過建立簡化分析模型，基于隧道能量守恒原理，獲得了地下風洞內氣體溫度場的解析解。

目前已有研究均基于二維熱傳導方程進行解析，沒有考慮隧道開挖方向上的熱傳遞影響；解析多為瞬態(tài)溫度場的分布情況，未能考慮在熱源影響下所形成的穩(wěn)態(tài)溫度場，因此適用性和解答的精度受到限制。

1.2 高地溫隧道應力場

隧道開挖敷上襯砌后，隧道形成了新的應力場，在高地溫影響下，襯砌內外受熱不均勻，應力場隨著熱量傳遞而不斷變化?；谝研纬傻臏囟葓?，學者們加入不同的熱本構關系來聯(lián)立彈性方程，進而求出指定溫度場狀態(tài)下的應力場與位移場。劉乃飛等[4]提出高地溫隧道中襯砌受熱導致自生溫度應力，同時襯砌與圍巖熱膨脹系數(shù)不同導致約束應力，求解時需分開。其中，襯砌的自生溫度應力計算模型如圖1所示，相關公式如式（1）～式（3）所示。

圖1 溫度應力計算模型

其余參數(shù)意義可參見圖1。

求解約束應力時假定襯砌與圍巖完全接觸，基于拉梅應力公式可得彈性約束溫度應力計算公式，如式（4）、式（5）所示。

式中：ps—熱彈性約束力。

鑒于隧道圍巖的不均勻性與施工條件的復雜性，現(xiàn)場實測與數(shù)值模擬結合往往成為研究的有效手段。研究[5]發(fā)現(xiàn)，隨著圍巖溫度的升高，初期支護的最大主應力均迅速增大，高溫狀態(tài)下主應力與無溫度場狀態(tài)下主應力的比值隨溫度升高呈二次函數(shù)關系增長，分布范圍也存在擴大趨勢，在溫度大于50 ℃時，初期支護已有可能發(fā)生破壞。將圍巖壓力按照規(guī)范[6]中深埋隧道的荷載模式簡化為垂直壓力與水平壓力，發(fā)現(xiàn)垂直壓力與水平壓力均隨著溫度升高呈增大趨勢，且垂直壓力增長速度更快，襯砌拱頂受壓增長速率最大，為最不利位置。高溫情況下，二次襯砌的最小安全系數(shù)迅速下降。當溫度高于50 ℃時，最小安全系數(shù)甚至難以達到規(guī)范要求。因此，通常采取在初襯與二襯之間添加一層隔熱層以提高二襯承載能力。研究發(fā)現(xiàn)，隔熱層的施加可以顯著減小二襯的內力，但對分布形式影響較小。工程實際應用中，隔熱層的敷設方式與選用材料各有優(yōu)缺點，適用于不同的工程條件，其中貼壁式與夾心式隔熱層運用廣泛，適用性好；干法硅酸鋁纖維板與硅酸鹽質復合絕熱卷氈隔熱材料兼具隔熱性與經濟性[7]。

1.3 高溫熱害對隧道襯砌黏結強度的影響

在噴射初期支護混凝土時，高巖溫加速了混凝土內部水分的損失，尤其是處于高溫低濕的環(huán)境下，水分流失更快，噴射混凝土與巖層之間的黏結強度大大降低，且水分的缺失導致混凝土水化反應中止快，水化產物不致密，混凝土細觀結構上表現(xiàn)為疏松多孔，黏結強度降低。同時，混凝土水化熱在高巖溫環(huán)境下不易散失，產生過多的溫度應力，也不利于混凝土與巖層的黏結。

在高溫狀態(tài)下，混凝土需要更多的養(yǎng)護時間來達到其設計強度，故對襯砌混凝土的養(yǎng)護要求比較高。一般考慮在混凝土硬化之前盡早采取保溫保濕養(yǎng)護措施，目前針對施工、養(yǎng)護方法研究較多，多采用通風降溫作為主要手段；并考慮于高巖溫洞段添加隔熱層或者采用耐高溫混凝土，張俊儒等[8]提出采用高性能隔熱輕骨料噴射混凝土代替?zhèn)鹘y(tǒng)的普通噴射混凝土初期支護與有機隔熱材料。但研究多針對高地溫環(huán)境下的養(yǎng)護與防護措施，有關混凝土與圍巖膠結面的破壞機理研究較少。

1.4 高溫熱水環(huán)境對襯砌的影響

工程中一般在勘察設計階段就合理規(guī)劃隧道選線，避開高溫熱水地區(qū)，如難以避開，為減少地下熱水對隧道施工及運營的影響，應保持隧道在高溫熱水面之上。一些地區(qū)受其地層特性、地質構造以及地下水等因素影響，很可能出現(xiàn)高溫涌水等問題。在一些富水高地溫圍巖還存在著滲流與溫度效應耦合，形成溫度場、流場與應力場三場耦合的復雜問題。不僅需要考慮流體在溫度場中的熱傳遞，還要考慮土體間應力對于滲流的影響?？紤]流場、熱場、力場等多場耦合的高地溫隧道問題較為復雜，例如高地溫隧道過水導致襯砌受力與變形相比未考慮溫度場的情況增幅更大、高溫涌水導致圍巖襯砌黏結性能差等。另外，二次襯砌作為隧道內部結構的載體，過水后其應力增大，安全系數(shù)降低，更容易發(fā)生破壞。

同時，在高溫熱水的長期浸泡下，受水中負離子的侵蝕，隧道內部支護結構易被腐蝕，且混凝土內部空隙被孔隙水填充，混凝土的飽和度增加，混凝土顆粒間的相互作用減小，材料強度降低，結構安全系數(shù)下降。華陽等[9]基于規(guī)范中材料性能計算方法，在有限元軟件中建立了有關混凝土溫度、飽和度、力學性能的耦合關系，對高溫熱水影響下的隧道劣化特征進行分析，發(fā)現(xiàn)高地溫隧道襯砌拱頂在熱水作用下安全系數(shù)下降最快，拱肩次之。

2 高溫熱害對襯砌耐久性能的影響

在高地溫隧道工程噴射混凝土施工過程中，隧道內與圍巖存在溫度差，噴射混凝土內部形成溫度梯度，升溫或者降溫過程中均會產生熱變形。當變形受約束而產生的拉應力超過混凝土自身抗拉強度時，混凝土容易發(fā)生開裂。除了進行及時合理的養(yǎng)護，工程中常選用合理骨料級配與水灰比、加入添加劑來防止裂縫產生。

2.1 混凝土長期強度

混凝土養(yǎng)護過程中，溫度越高、濕度越低，混凝土的抗?jié)B性能與抗碳化性能就越弱，混凝土的長期強度就越低。在養(yǎng)護過程中，隧道內的地熱與圍巖溫度較高，混凝土內部的膠凝材料水化速度快，生成的水化產物來不及均勻擴散，初凝與終凝的時間大大縮短。雖然初凝時間縮短可以使混凝土的前期強度提高，但導致了內部結構疏松，混凝土的后期強度增長緩滯，且溫度越高、濕度越大，對混凝土抗氯離子滲透性能和抗碳化性能的影響越大。

對此，通常采用不同的骨料級配、配合比調整和添加相應材料以增加混凝土的耐久性能。添加粉煤灰與礦渣粉，可以有效地抑制高地溫環(huán)境下襯砌混凝土的力學性能劣化。尤其是粉煤灰，在水化反應中生成膠凝顆粒填充微觀空隙，使混凝土整體結構更為緊密，有效地提高了混凝土的耐久性能。但粉煤灰通常在80 ℃超高地溫環(huán)境下表現(xiàn)較好，在50～60 ℃時礦渣粉的抑制劣化效果更優(yōu)；且過多地摻入粉煤灰會導致水泥含量降低，強度不升反降，故需根據(jù)實際情況合理選擇粉煤灰摻量。王艷等[10]通過模塊試驗研究不同齡期、不同摻合料混凝土的強度特性，并借助XRD和SEM測試手段，對比了摻和礦渣粉煤灰與單摻粉煤灰的差異，給出了不同溫度下不同配合比的更優(yōu)選擇。

2.2 混凝土細觀結構

高溫導致混凝土的早期水化反應加快，會在混凝土內部中留下許多孔洞，在長期使用過程中，內部空隙由內部擴散至表面，形成裂紋，也會大大影響襯砌混凝土的耐久性能。摻入纖維可以有效提高混凝土的延展性，抑制混凝土裂縫的產生與發(fā)展，降低混凝土的質量損失與強度損失。纖維混凝土相比普通混凝土有更優(yōu)越的抗壓、抗剪性能，能夠滿足高地溫隧道襯砌的設計要求。王瑞興等[11]通過混凝土力學性能試驗，對比混凝土中摻加高熔點的鋼纖維、低熔點的丙烯纖維與?；⒅楹?，對于抑制混凝土由于溫度效應產生微裂縫的情況。郭麗萍等[12]發(fā)現(xiàn)摻入有機纖維可以減少高溫作用下混凝土的水分蒸發(fā)量，降低混凝土的質量損失。

3 高溫熱害對隧道圍巖的影響

高溫熱害不僅會影響隧道支護結構的力學性能，也會影響隧道周圍巖層。地層巖石性質復雜多變，其中復雜的礦物晶體的空間排列方式與結晶方式導致了巖石熱膨脹的各向異性。受熱時，內部的礦物晶體會發(fā)生不同程度的膨脹，產生裂縫。同時巖石受熱微觀結構改變、分子間約束力降低，裂紋產生及發(fā)展，物理性質發(fā)生變化。

3.1 溫度對巖石物理參數(shù)的影響

研究發(fā)現(xiàn)巖石受熱導致內部礦物成分發(fā)生復雜的物理或者化學變化，從而引起巖石物理力學性質的改變。例如溫度升高會導致巖石內聚力降低、內摩擦角增大、彈性模量降低、脆性增加；在20～40 ℃范圍內，彈性模量隨著溫度的升高而降低，泊松比隨著溫度的升高而升高，高于40 ℃后，彈性模量和泊松比受溫度影響的幅度降低[13]。萬志軍等[14]通過與溫度耦合的三軸試驗測定了花崗巖的熱膨脹系數(shù)，指出熱膨脹系數(shù)隨著溫度升高而增加，且數(shù)值受圍巖圍壓影響較大。Yavuz等[15]通過試驗研究與文獻調研，概述了花崗巖彈性模量、單軸抗壓強度、抗拉強度、泊松比、線性熱膨脹系數(shù)、熱擴散系數(shù)、比熱和熱傳導率等物理性質隨著溫度的變化。郤保平等[16]考慮了熱-水-力耦合，試驗研究了高溫花崗巖遇水冷卻后抗壓抗拉強度、彈性模量與溫度的關系。

3.2 高溫下巖石熱應力破壞特征

巖石在高溫狀態(tài)下產生熱應力，受力狀態(tài)改變，嚴重時甚至產生裂縫。學者們對于巖石裂縫的研究主要采用電子計算機斷層掃描（CT）或掃描電子顯微鏡（SEM）等微觀方式，或者基于巖石破裂聲發(fā)射特征進行觀察。研究發(fā)現(xiàn)，溫度升高后，在不均勻的熱膨脹下拉應力增大，巖石產生裂縫甚至發(fā)生破壞，斷裂韌性降低[17]。根據(jù)聲發(fā)射變化規(guī)律，巖石熱破裂存在閾值，不同溫度段巖石的裂紋發(fā)展情況不同。趙陽升等[18]利用聲發(fā)射特征與三軸試驗發(fā)現(xiàn)，當巖石溫度高于熱破裂閾值時，熱破裂隨溫度變化具有隨機性、間斷性與多期性。

武晉文等[19]提出巖石在升溫與降溫過程中產生破壞的類型也不同，其中升溫主要表現(xiàn)為彈塑性破裂，為壓剪破裂；降溫主要表現(xiàn)為脆性破裂，為拉剪破裂。除了受熱產生熱膨脹，學者們發(fā)現(xiàn)巖石在高溫冷卻過程中會發(fā)生收縮，溫度越高收縮越大，巖石內部拉應力越大，越容易產生裂縫。

4 結語

1）高地溫隧道環(huán)境下，襯砌內外存在溫度差，襯砌產生溫度應力，致使襯砌產生裂縫，嚴重時甚至影響隧道及圍巖穩(wěn)定性。溫度越高，初次襯砌所受的溫度應力越大，二次襯砌的安全系數(shù)更低。但是在初次襯砌與二次襯砌之間設置隔熱層可以有效地提高二次襯砌的安全系數(shù)，保證隧道的穩(wěn)定性。

2）在高地溫隧道施工過程中，隧道內溫度較低，混凝土噴射到溫度較高的圍巖上時會產生溫度應力，不利于兩者的黏結。在富含地下水巖層中，襯砌混凝土在高溫熱水的長期浸泡下，受水中負離子的侵蝕，耐久性能下降。同時，混凝土內部空隙被孔隙水所填滿，導致混凝土性能發(fā)生劣化。

3）混凝土在養(yǎng)護過程中，環(huán)境溫度過高導致混凝土水化反應不完全，終凝達不到所需時間，導致內部結構疏松，混凝土長期承載能力下降。同時，養(yǎng)護溫度過高導致早期混凝土水化反應中留下許多孔洞，孔隙率增大，也降低了混凝土的耐久性能。

4）高溫熱害致使周圍巖層產生熱膨脹與熱應力，引起巖土微觀結構的改變、孔隙率的增大與圍巖物理力學性質的改變。增加了周圍環(huán)境的復雜性與不穩(wěn)定性，是高地溫隧道施工與長期使用需要考慮的因素。