當金山隧道防寒泄水洞適宜埋設位置數值分析

劉利瑋,何文社,路仕洋,曾祥茜

(1.蘭州交通大學土木工程學院,蘭州　730070； 2.甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室,蘭州　730070；3.中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安　710043)

隨著蘭新鐵路、青藏鐵路的修建，預示著修建寒區隧道已成為發展西部經濟的重要途徑[1]。作為溝通新疆、青海、甘肅、西藏四省區便捷通道的重要樞紐，當金山隧道的正常運營任重而道遠。由于隧道所處地海拔2 864 m，晝夜溫差極大，冬季寒冷常年積雪，決定了當金山隧道為高海拔寒區隧道。

寒區隧道工程是基礎建設中的一項特殊工程，凍害是影響寒區隧道正常使用年限的重要因素，而凍害產生的本質是隧道內部排水體系尚未完善。目前，我國寒區隧道排水系統包括保溫水溝、中心深埋水溝、防寒泄水洞以及盲溝、橫溝、橫導洞等配套排水設備[2]。在寒冷地區，如果工程所在地最冷月平均氣溫低于-25 ℃，當地黏性土的凍結深度大于2.5 m，可以采用防寒泄水洞。寒冷和嚴寒地區冬季有水的隧道，由于氣溫低，水溝內水流容易凍結，從而引起隧道內線路凍脹隆起等一系列凍害現象，影響安全行車[3]。隨著寒區隧道防寒泄水洞的大量運用，防寒泄水洞不同埋置深度問題將會對隧道結構穩定，工程造價以及隧道正常運營等方面產生較大的影響。因而，防寒泄水洞適宜埋置深度將具有一定的研究空間，為實際工程施工提供相應的理論根據。

本文以當金山隧道為例[4]，利用MIDAS/GTS有限元軟件，取里程DK195+390～DK195+490同時含有主隧道、平導及防寒泄水洞的100 m為研究對象[5]。以平導超前防寒泄水洞，防寒泄水洞超前主隧道模擬開挖過程[6]。(1)以主隧道拱底為基準，在豎直方向調整防寒泄水洞與主隧道間距。(2)以主隧道與平導間距中點為基準，在水平方向上調整防寒泄水洞位置。由《公路隧道設計細則》(TG/T D70—2010)相關規定，考慮最大凍結深度及工程造價，泄水洞不同方向距離調整均在小范圍內進行。通過上述(1)、(2)兩方面的數值模擬，從位移及應力變化兩方面對比分析，從而確定當金山隧道防寒泄水洞適宜埋設位置[7]。具體方案設計如表1所示。

表1　方案設計

1　工程概況

1.1　地形及水文條件

當金山隧道位于甘肅省阿克塞縣境內，線路在長草溝以20.14 km的隧道穿越祁連山-阿爾金山的分水嶺當金山[8]。隧道進口高程為2 864.83 m，出口高程為3 107.00 m，位于當金山中高山區，溝谷大多呈“V”字形，地表風化嚴重，巖體破碎。隧道屬高寒半干旱氣候區，季節性溫差較大，多年平均氣溫3.1 ℃，最低-34.3 ℃，最熱35.9 ℃，相對濕度在30%；年平均降水量127 mm，年平均蒸發量為3 297.9 mm，最冷月平均氣溫-13.1 ℃，最大積雪厚度約16 cm，最大凍結深度為235 cm。

1.2　地質構造

當金山山區基巖裸露，僅在山體南北兩側及山間斷陷盆地中有第四系地層覆蓋，隧道洞身主要通過第四系、志留系、長城系、加里東期花崗巖及構造巖[9]。敦煌附近分布第四系全新統湖相及沼澤相沉積的黏性土及沖、洪積成因的砂類土、次生黃土。當金山、塞什騰山等山區基巖裸露，出露第三系、侏羅系、石炭系、泥盆系、志留系、奧陶系震旦系等地層。沉積巖，變質巖，巖漿巖均有出露，巖性復雜多變，軟硬交互。Ⅱ～Ⅲ級圍巖占52.81%，Ⅳ～Ⅴ級圍巖占47.19%

2　模型建立及參數確定

2.1　計算模型的建立

當金山隧道最大埋深764 m，最小埋深52 m。模型左右邊界按距離隧道輪廓線5倍洞徑取值，考慮防寒泄水洞豎向距離及埋深，因此上下邊界按照距離隧道輪廓線5倍洞高取值[10]。取隧道平均埋深300 m進行模擬，上邊界施加6.04 MPa的法向均布荷載，以模擬上覆巖層的自重。主隧道、平導及防寒泄水洞具體位置如下：平導位于主隧道左側40 m處，防寒泄水洞位于主隧道與平導下方，且平導拱底低于主隧道拱底1.02 m。當金山隧道工程實體圖、模型網格劃分及三者之間位置關系如圖1所示。

圖1　工程實體圖及模型網格劃分(單位：m)

數值模擬按以下假定進行[11]：(1)圍巖為連續均質體，且服從摩爾-庫倫準則；(2)忽略底層構造應力，初始應力場由自重場構成。

2.2　施工過程模擬及材料力學參數確定

施工時采用臺階法，以平導超前防寒泄水洞，防寒泄水洞超前主隧道開挖。以10 m為一個循環進尺，隧道進深方向取100 m，分為10個工步掘進[12]。主隧道、平導以及防寒泄水洞初期支護均采用C25噴射混凝土，支護滯后開挖位置一個工步。具體施工過程如表2所示。結合文獻[13]，圍巖及支護措施力學參數如表3所示。

表2　施工過程

表3　圍巖、支護材料力學參數

3　計算結果及分析

3.1　防寒泄水洞與主隧道拱底不同豎向距離條件下位移變化情況分析

隧道開挖是圍巖打破自身三軸應力狀態且進行應力重分布的過程，由于圍巖特殊水平層理構造，將導致隧道臨空面產生鼓脹、破裂、折斷及脫落[14]。因此通過比較分析防寒泄水洞在不同位置處，隧道開挖時各洞位移與應力變化情況來確定當金山隧道防寒泄水洞適宜埋設位置[7，15]。圖2為防寒泄水洞在不同位置處隧道橫剖面部分位移云圖。由圖2可見，在3 m處主隧道位移等值線略小于平導，這與最終穩定后的值略有出入。主要是因為模擬開挖長度較小，圍巖變化還沒達到穩定狀態所致。

圖2　防寒泄水洞與主隧道拱底不同豎向距離條件下位移云圖(單位：m)

圖3為防寒泄水洞與主隧道拱底不同豎向距離條件下主隧道各控制點位移變化。由圖3可見，主隧道各控制點位移變化趨勢基本一致，在位移值上表現為拱頂最大，拱底次之，拱腳最小。由于施加初期支護，在埋深相同的情況下，拱底位移值大于拱腳。拱頂與拱腳位移值在豎向距離為4～6 m處較小，拱底位移值在豎向距離為3～5 m時較小。

圖4為防寒泄水洞與主隧道拱底不同豎向距離條件下平導各控制點位移變化。由圖4可見，平導各控制點位移變化整體趨勢基本與主隧道一致，但變化幅度比主隧道較小。是由于主隧道斷面較平導大，水平層理對其影響大，進而圍巖向臨空面產生的位移較大。當開挖完成后圍巖達到穩定狀態時，同一豎向距離條件下，主隧道位移值大于平導，較符合實際情況。當泄水洞與主隧道拱底豎向距離處于3～5 m時，各控制點位移變值較小。

圖5為防寒泄水洞與主隧道拱底不同豎向距離條件下自身各控制點位移變化。由圖5可見，防寒泄水洞拱底位移值較大，主要是受地層埋深加大所致。拱頂處位移值比拱底處小，是由于主隧道及平導拱底隆起抵消了防寒泄水洞拱頂部分沉降量。

圖3　主隧道各控制點位移

圖4　平導各控制點位移

圖5　防寒泄水洞各控制點位移

由上述分析可知，防寒泄水洞開挖過程當中，主隧道、平導及防寒泄水洞三者之間的影響是相互的。當防寒泄水洞與主隧道拱底豎向距離為4～6 m時，主隧道、平導及防寒泄水洞變化情況處于相對最佳階段。

通過對比分析雁口山隧道(Y)埋深25 m情況與當金山隧道(D)埋深300 m情況下主隧道及防寒泄水洞各控制點位移變化(表4、表5所示)可知，主隧道及防寒泄水洞各控制點位移變化規律基本一致。但本文主隧道及平導拱腳隆起量相比拱頂沉降量小，是由于防寒泄水洞拱頂沉降抵消了部分隆起量。

表4　主隧道各控制點位移變化量對比分析

表5　防寒泄水洞各控制點位移變化量對比分析

3.2　防寒泄水洞與主隧道拱底不同豎向距離條件下應力變化情況分析

圖6為防寒泄水洞與主隧道拱底不同豎向距離條件下主隧道各控制點應力變化。由圖6可見，防寒泄水洞開挖對主隧道拱頂第一主應力影響不大，是由于初期支護一定程度上降低了沉降量。主隧道各控制點第一主應力在豎向距離5 m時發生轉變。在3～5 m范圍內呈現穩定狀態。

圖7為防寒泄水洞與主隧道拱底不同豎向距離條件下平導各控制點應力變化。由圖7可見，相對于拱頂，拱底及拱腳處的第一主應力所受影響較大。各控制點在豎向距離為3～5 m時應力值較小，變化趨勢相對平緩

圖8為防寒泄水洞與主隧道拱底不同豎向距離條件下自身各控制點應力變化。由圖8可見，拱底第一主應力應力值在豎向距離為5～6 m范圍內較小，拱頂第一主應力在豎向距離為4～6 m范圍內呈現穩定狀態。

通過對比分析雁口山隧道(Y)埋深25 m情況與當金山隧道(D)埋深300 m情況下主隧道及防寒泄水洞各控制點應力變化(表6、表7所示)可知，主隧道及防寒泄水洞應力變化趨勢也基本一致，在防寒泄水洞與主隧道豎向距離為5 m處基本處于谷值，兩者主隧道及防寒泄水洞應力在拱底處均表現為最小值。

圖6　主隧道各控制點應力

圖7　平導各控制點應力

圖8　防寒泄水洞各控制點應力

防寒泄水洞距主隧道距離/m2345678拱頂2250213020402000203020702130D/kPa拱底1980133011501220127013601590拱腳2930268025102290312031603200拱頂232233230228230231232Y/kPa拱底84757372738280拱腳823810795792794795794

結合位移及應力變化情況，在綜合考慮隧址區最大凍結深度、安全經濟要求以及結構影響等因素，最終確定當金山隧道防寒泄水洞與主隧道拱底適宜豎向距離為5 m。經工程施工現場確認可知，當金山隧道防寒泄水洞實際位置為距離主隧道仰拱5 m處，故本文數值模擬結果較符合工程實際設計要求。

表7　防寒泄水洞各控制點應力變化量對比分析

3.3　防寒泄水洞與主隧道在水平方向不同凈距條件下位移變化情況分析

由于當金山隧道平導拱底低于主隧道拱底1.02 m；為了兼顧平導結構穩定，因此在確定防寒泄水洞與主隧道拱底豎向距離為5 m的基礎上，調整防寒泄水洞與主隧道在水平方向的凈距，通過位移及應力變化兩方面研究，確定防寒泄水洞水平向適宜埋設位置。

圖9為防寒泄水洞與主隧道在水平方向不同凈距條件下主隧道各控制點位移變化。由圖9可見，主隧道各控制點位移值較不同豎向距離條件下位移值較小。由于所取水平凈距變化區間較小，位移值在主隧道與平導間距中點處上下波動。在水平凈距為-3～-1 m范圍內呈現穩定狀態，在1 m處各控制點應力值均較小。

圖10為防寒泄水洞與主隧道在水平方向不同凈距條件下平導各控制點位移變化。由圖10可見，平導各控制點位移值較主隧道較小，是由于平導橫斷面較小，圍巖向臨空面移動的程度較小。防寒泄水洞左移與右移位移值均變小，在水平凈距為1 m時處于谷值。

圖11為防寒泄水洞與主隧道在水平方向不同凈距條件下自身各控制點位移變化。由圖11可見，防寒泄水洞拱頂處位移值比拱底小，是由于主隧道及平導拱底隆起抵消了拱頂部分沉降量。拱底位移值大可能是由于地層埋深較大所致。在水平距離-1～1 m范圍內呈現穩定狀態。

由上述分析可知，當防寒泄水洞水平距離為-1～1 m時，主隧道、平導及防寒泄水洞變化情況處于相對最佳階段。

圖9　主隧道各控制點位移

圖10　平導各控制點位移

圖11　防寒泄水洞各控制點位移

3.4　防寒泄水洞與主隧道在水平方向不同凈距條件下應力變化情況分析

圖12為防寒泄水洞與主隧道在水平方向不同凈距條件下主隧道各控制點應力變化。由圖12可見，主隧道拱頂及拱腳處第一主應力變化幅度較大。整體變化趨勢以主隧道及平導間距的中點呈對稱分布，拱底處第一主應力在水平凈距為-1 m與1 m處處于谷值。

圖13為防寒泄水洞與主隧道在水平方向不同凈距條件下平導各控制點應力變化。由圖13可見，當泄水洞向主隧道偏移時平導各控制點第一主應力均有所變小，但變化幅度不大。說明泄水洞在水平方向與主隧道凈距的變化對平導影響較小，這在一定程度上使得泄水洞在水平向的位置變化較靈活。

圖14為防寒泄水洞與主隧道在水平方向不同凈距條件下自身各控制點應力變化。由圖14可見，防寒泄水洞各控制點應力值以主隧道及平導間距中點處應力值為基準對稱分布；在水平凈距-1～1 m范圍內應力值處于谷值。

圖12　主隧道各控制點應力

圖13　平導各控制點應力

圖14　防寒泄水洞各控制點應力

結合位移及應力變化情況，最終確定當金山隧道防寒泄水洞在水平方向與主隧道適宜凈距為偏向主隧道1 m處。

3.5　不同距離條件下，襯砌截面的安全系數計算

通過對比研究不同距離條件下，襯砌截面的安全系數變化情況，從而確定防寒泄水洞適宜埋設位置。根據材料的極限強度計算出偏心受壓構件的極限承載力與實際內力相比較，得出截面的抗壓(或抗拉)強度安全系數，檢查其是否滿足鐵路隧道設計規范要求[16]。表8及表9分別為防寒泄水洞與主隧道拱底不同豎向距離及防寒泄水洞與主隧道不同水平凈距條件下主隧道襯砌截面安全系數。

表8　不同豎向距離條件下襯砌截面安全系數

表9　不同水平凈距條件下襯砌截面安全系數

由表8及表9可見，襯砌截面安全系數在防寒泄水洞與主隧道拱底豎向距離為5 m處為最大值，且隨著豎向距離的增大呈非線性變化，拱腳處因應力集中是低安全系數的危險區。防寒泄水洞與主隧道不同水平凈距條件下的襯砌截面安全系數也呈非線性變化，但變化幅度較小，在水平凈距為1 m處呈現最大值。

4　結論

(1)通過分析防寒泄水洞與主隧道拱底不同豎向距離條件下位移(拱頂處以沉降為主，拱底及拱腳處以隆起為主；圖中所示數據均為位移值的絕對值)及應力(根據計算，應力均為壓應力，拉應力為正，壓應力為負，圖中所示數據均為應力值的絕對值)變化情況，確定防寒泄水洞與主隧道拱底適宜豎向距離為5 m。

(2)通過分析防寒泄水洞與主隧道在水平方向不同凈距條件下的位移及應力變化情況，考慮主隧道、平導的結構穩定及安全運營，確定防寒泄水洞與主隧道在水平方向的適宜凈距為偏向主隧道1 m處。

(3)通過不同距離條件下，襯砌截面安全系數的計算及對比分析得出，當防寒泄水洞與主隧道拱底豎向距離為5 m、與主隧道水平凈距為1 m時襯砌截面相對安全。

(4)結合當金山隧道所在地最大凍結深度為2.35 m的情況，以及考慮安全經濟要求、結構影響等因素，最終確定當金山隧道防寒泄水洞適宜埋設位置為豎向距主隧道拱底5 m處，橫向距主隧道中線19 m處(距平導中線21 m處)。

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