季節性凍土隧道圍巖變形機制研究

(重慶交通大學河海學院 重慶 40074)

Thestudyofdeformationmechanismsofsurroundingrockoftunnelslocatedinseasonalfrozenarea

Cuihualong

(ChongqingJiaotongUniversity,GeotechnicalEngineering,Chongqing,40074)

Abstract：The main reason of tunnels producing frost damage is seasonal changes of freezing and thawing,its deformation mechanism for Lord freeze period and under the action of freeze-thaw cycle,and the engineering properties of rock mass and rock mass structure change;Introduces the factors influencing the frost heave effect of surrounding rock has three aspects:temperature,seepage field and seasonal frozen;This paper shows that weak layers can make the surrounding rock displacement and stress increase sharply,surrounding rock plastic zone distribution area is large,fault fracture zone of the surrounding rock deformation is greater than the normal period of deformation of the surrounding rock.

Keywords：Seasonal frozen soil;deformation mechanism of surrounding rock

一、引言

地球上多年凍土、季節凍土和瞬時凍土區的面積約占陸地面積的50%，我國永久性凍土和季節性凍土的分布區域占國土面積的70%以上[1]，主要分布在西部和北部，而且這些地區大多是崇山峻嶺，可以預見高海拔地區隧道將迎來修建高潮，高緯度或高海拔地區隧道的修筑對工程技術人員提出了更高的挑戰和要求[2]。

二、國內外研究現狀

在考慮了季節性凍土方面，賴遠明[3]利用彈性粘彈性相應原理，導出了襯砌-正凍圍巖-未凍圍巖系統凍脹力在拉氏象空間中的有關算式，然后采用數值逆變換的方法，求得了寒區隧道的凍脹力和襯砌應力。賴遠明[4]根據凍土地區的實際情況對圓形隧道正凍區和未凍區的熱傳導方程進行簡化，應用無量綱量和攝動技術對簡化方程進行求解，給出了圓形隧道凍結過程的近似解析解。王建宇[5-7]認為凍脹壓力的量值和分布不僅取決于圍巖的性態和氣象條件，而且同襯砌結構的材料、剛度以及施工質量密切相關，從巖石和土層兩種圍巖中襯砌承受凍脹壓力的機理出發，探討其計算方法。

三、隧道圍巖變形機制

凍土：一般是指一種溫度低于0℃且含有冰的巖和土[8]，即凍土是凍結土和凍結巖的總稱。

(一)凍結期內的變形機制分析

低溫條件下，巖石內部的孔隙水產生凍結、發生體積膨脹，在巖石內部產生凍脹作用。對于顆粒間膠結強度相對較弱的巖石，這種凍脹力具有破壞作用，極易在巖石內部造成損傷；且當巖石含水量較高時，局部損傷有可能逐步連通成裂縫，甚至造成巖石塊體斷裂、剝落。

(二)融沉期內的變形機制

融沉期隧道圍巖溫度場由負溫轉為正溫，凍土融化，巖體產生收縮，圍巖繼續受到擾動，穩定性更差，塑性區變得更大，極易產生大變形。在融沉期，巖石內部孔隙冰的融化,凍結應力和水分開始釋放流出,這一過程加速了巖石的裂隙發展。凍土融化后極易產生坍方。尤其對于圍巖巖體破碎，差異風化明顯，上下部圍巖軟硬不一，穩定性差；隧道埋深淺，破碎塊石地層具備較強的滲流通道，為地表水和冰雪融化水滲入隧道內提供了通道[9]。

(三)凍融循環作用下的變性機制

巖石凍融損傷的本質是三相介質(巖石、水和冰)具有各自不同的熱物理性質[10]。溫度降低時,水冰相變膨脹,在巖石內部產生了巨大的凍脹力,使其出現局部損傷產生微裂縫;溫度升高時,伴隨著巖石內部孔隙冰的融化,凍結應力和水分開始釋放流出,這一過程加速了巖石的局部損傷。

巖石的凍融損傷劣化程度與凍融循環次數和凍融周期密切相關。循環次數越多,凍融周期越短,巖石受到的損傷越大、程度越深。此外,凍融溫度范圍對巖石的劣化損傷也有較大影響,凍融溫度范圍越大(凍結溫度值越低),巖石受凍融循環影響越大。

四、結論

(1)凍結期，巖石的工程力學特性發生了改變，由于冰的膠結作用，巖石強度會有不同程度的增加；巖石的結構也發生了改變，凍脹作用破壞巖石內部結構，造成巖塊斷裂、剝落。(2)融沉期，巖體內部孔隙水融化，軟體軟化、收縮，對圍巖產生擾動，影響其穩定性。(3)循環凍融破壞，巖體的凍融損傷本質上是所處環境的應力場、溫度場及滲流場的耦合問題，多次凍融循環后,導致巖體強度和巖體承載力降低,最終對隧道圍巖穩定性產生不利影響。