凍融循環(huán)條件下寒區(qū)隧道襯砌的服役性能

夏才初，黃文豐，韓常領(lǐng)

(1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092； 2.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710075)

寒區(qū)隧道圍巖和襯砌易產(chǎn)生凍融循環(huán)現(xiàn)象，凍融循環(huán)作用降低了混凝土的強(qiáng)度，加速其劣化過(guò)程，嚴(yán)重影響隧道襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和行車(chē)安全。如新疆玉希莫勒蓋隧道襯砌由于受到反復(fù)凍融破壞而報(bào)廢[1]。

許多學(xué)者對(duì)圍巖和襯砌在凍融循環(huán)作用環(huán)境下的劣化規(guī)律進(jìn)行了研究。黎巖[2]進(jìn)行了混凝土襯砌凍融循環(huán)試驗(yàn)，得到混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量、抗壓強(qiáng)度等物理力學(xué)參數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)劣化的規(guī)律。周宇翔[3]得到板巖凍融循環(huán)作用下劣化規(guī)律。以上關(guān)于凍融循環(huán)條件下圍巖和襯砌劣化研究為凍融循環(huán)條件下寒區(qū)隧道襯砌的服役性能研究提供了參考。

為了保證寒區(qū)隧道襯砌性能，目前國(guó)內(nèi)寒區(qū)隧道大多采用鋪設(shè)隔熱保溫材料的方式來(lái)減少洞內(nèi)氣體和圍巖的熱交換量，從而達(dá)到減小凍融圈，減輕襯砌劣化的目的。

在保溫層鋪設(shè)方式方面，我國(guó)寒區(qū)隧道保溫層鋪設(shè)方式主要有表面鋪設(shè)[4]、夾層鋪設(shè)[5]、雙層鋪設(shè)3種。現(xiàn)有的研究成果多是從使用耐久性、防火性能等方面進(jìn)行分析各種鋪設(shè)方式的優(yōu)缺點(diǎn)[6]，但不同保溫層鋪設(shè)方式對(duì)于襯砌服役性能影響有待研究。

各國(guó)學(xué)者提出的隔熱(保溫)層厚度的計(jì)算方法歸納起來(lái)可分為解析計(jì)算法和有限元計(jì)算法兩大類(lèi)。陳建勛等[7-8]推導(dǎo)出了鋪設(shè)在初期支護(hù)和二襯之間以及鋪設(shè)在二襯表面時(shí)隔熱(保溫)層厚度的解析計(jì)算公式；夏才初等[9]通過(guò)計(jì)算鋪設(shè)隔熱(保溫)層后指定位置處的溫度來(lái)確定隔熱(保溫)層的厚度。目前解析法計(jì)算保溫層厚度均基于穩(wěn)態(tài)傳熱的基本假定進(jìn)行推導(dǎo)，寒區(qū)隧道與洞內(nèi)氣溫?zé)峤粨Q是一個(gè)瞬態(tài)分析的過(guò)程，其計(jì)算出的保溫層厚度一般偏小。

有限元計(jì)算法是利用有限元軟件試算鋪設(shè)不同厚度的隔熱(保溫)層后圍巖的溫度分布，直至圍巖溫度滿(mǎn)足防凍或防融要求。晏啟祥等[10]采用有限元計(jì)算法對(duì)某隧道工程不設(shè)保溫層和鋪設(shè)0.03 m保溫層的圍巖溫度進(jìn)行了計(jì)算，驗(yàn)證了保溫層的保溫效果；Lai等[11]采用有限元計(jì)算法對(duì)大坂山隧道鋪設(shè)保溫材料后的隧道圍巖溫度場(chǎng)進(jìn)行了研究。

無(wú)論是采用解析法還是數(shù)值法計(jì)算寒區(qū)隧道保溫層鋪設(shè)厚度，更多從多年凍土段圍巖不融化和非凍土段圍巖不凍結(jié)角度分析，大多未考慮到襯砌由于受到凍融循環(huán)作用劣化現(xiàn)象。此外，寒區(qū)隧道往往并不是從單一的凍土層中穿過(guò)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)表明，隧道洞口至中央、寒區(qū)隧道圍巖一般呈現(xiàn)季節(jié)凍結(jié)、常年凍結(jié)和常年不凍結(jié)等狀態(tài)。因此在計(jì)算保溫層鋪設(shè)厚度時(shí)需針對(duì)隧道穿越的不同凍土段進(jìn)行區(qū)別分析。

本文依托青海知亥代公路隧道，考慮寒區(qū)隧道中受洞內(nèi)氣溫影響引起的襯砌凍融循環(huán)程度不同，從襯砌劣化和安全性能角度，采用數(shù)值模擬計(jì)算手段開(kāi)展了凍融循環(huán)條件下寒區(qū)隧道襯砌的服役性能，分析了保溫層鋪設(shè)與否以及3種保溫層鋪設(shè)方式對(duì)于襯砌服役性能的影響，并在此基礎(chǔ)上，對(duì)知亥代隧道保溫層的鋪設(shè)厚度進(jìn)行了優(yōu)化。

1 青海知亥代公路隧道工程情況與計(jì)算模型

1.1 青海知亥代公路隧道工程情況

知亥代隧道位于青海省海南州，里程樁號(hào)ZK58+440-ZK63+010，全長(zhǎng)4 550 m，隧道穿越多年凍土段和非凍土段。隧道軸線通過(guò)路段地標(biāo)高4 808.25～4401.83 m，相對(duì)高差約407 m，最大埋深約346 m。

隧址年平均氣溫-4.0 ℃，年溫度振幅12.5 ℃，隧址區(qū)多年凍土年平均地溫Tcp=-0.1 ℃。多年凍土上限一般2.0～2.5 m，為銜接型多年凍土，洞身段圍巖為冰水沉積碎塊石和板巖，隧道洞口前200 m為多年凍土段，200 m后為非凍土段。

依托知亥代隧道多年凍土段ZK58+470斷面和非凍土段ZK58+640作為典型斷面進(jìn)行計(jì)算。隧道斷面設(shè)計(jì)情況如圖2所示。

圖2 多年凍土和非凍土段斷面襯砌Fig.2 Permafrost and non-frozen soil section lining

模型邊界按照3～5倍洞徑選取，多年凍土段和非凍土段計(jì)算邊界條件如圖4、圖5所示，上部邊界受到外界氣溫作用，底部溫度邊界條件按照每100 m上升3 ℃的規(guī)律計(jì)算底部溫度邊界條件，模型兩側(cè)為絕熱邊界。計(jì)算模型中各材料的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖3 多年凍土和非多年凍土段計(jì)算邊界條件Fig.3 Calculating boundary conditions for permafrost and non-permafrost regions

表1 計(jì)算參數(shù)選取Table 1 Calculation parameter selection

1.2 凍融循環(huán)作用下襯砌和圍巖物理力學(xué)性質(zhì)劣化

在計(jì)算襯砌安全系數(shù)時(shí)需考慮到襯砌材料物理力學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生劣化，根據(jù)黎巖[2]混凝土襯砌凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果得到混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量、抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)N的劣化規(guī)律為：

Pt=96.299e-0.004N

(1)

fct=fc0e-0.008N

(2)

式中：Pt為混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量；fc0為混凝土的初始抗壓強(qiáng)度；fct為混凝土的受到動(dòng)容循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度。

以上變化規(guī)律為室內(nèi)試驗(yàn)規(guī)律，現(xiàn)場(chǎng)凍融循環(huán)條件下溫度變化速率和條件與室內(nèi)試驗(yàn)有所不同。文獻(xiàn)[13]基于Miner法則推導(dǎo)得到與現(xiàn)場(chǎng)凍融循環(huán)次數(shù)Ni相對(duì)應(yīng)的等效試驗(yàn)室內(nèi)的凍融循環(huán)次數(shù)Neq為：

(3)

式中：ki為現(xiàn)場(chǎng)溫度凍融循環(huán)產(chǎn)生的靜水壓與室內(nèi)快凍試驗(yàn)溫度凍融循環(huán)產(chǎn)生的靜水壓的比例系數(shù)。

劉西拉[14]根據(jù)Powers的靜水壓假說(shuō)[15]推導(dǎo)得到現(xiàn)場(chǎng)溫度凍融循環(huán)產(chǎn)生的靜水壓與室內(nèi)快凍試驗(yàn)溫度凍融循環(huán)產(chǎn)生的靜水壓的比例系數(shù)ki近似等于現(xiàn)場(chǎng)降溫速率與室內(nèi)快凍試驗(yàn)降溫速率之比：

(4)

1.3 襯砌服役性能評(píng)價(jià)方法

本文用混凝土結(jié)構(gòu)截面安全系數(shù)評(píng)價(jià)襯砌服役性能，安全系數(shù)按《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[13]中規(guī)定方法計(jì)算得來(lái)。襯砌安全系數(shù)越低，襯砌服役性能越差。

為分析襯砌劣化對(duì)其承載安全性的影響，需要根據(jù)二襯各位置內(nèi)力結(jié)果計(jì)算襯砌結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)，分析襯砌劣化后的承載安全性。

知亥代隧道二襯均為45 cm厚C45鋼筋混凝土，環(huán)向配筋如圖5所示。二襯各斷面為對(duì)稱(chēng)配筋的矩形偏心受壓構(gòu)件，取縱向方向上單位長(zhǎng)度進(jìn)行分析，矩形斷面偏心受壓構(gòu)件的安全系數(shù)計(jì)算示意圖如圖6所示。

圖6 矩形斷面偏心受壓構(gòu)件正斷面承載力計(jì)算Fig.6 Calculation diagram of bearing capacity of rectangular section eccentric compression member

圖5 二襯配筋環(huán)向圖Fig.5 Circumferential diagram of secondary lining with reinforcement

構(gòu)件縱軸方向的內(nèi)外力之和為零，有：

(5)

斷面上所有對(duì)鋼筋A(yù)S合力點(diǎn)的力矩之和等于零，有：

(6)

式中：h、h0分別為截面的高度和有效高度；es為偏心壓力KN作用點(diǎn)至鋼筋A(yù)S合力作用點(diǎn)的距離。

(7)

斷面上所有力對(duì)KN作用點(diǎn)力矩之和為零，有

(8)

(9)

式中：e0為軸向力對(duì)截面重心軸的偏心距；M、N分別為截面所受彎矩和軸力。

(10)

由式(10)解得受壓區(qū)x高度為

(11)

式中：ξ為相對(duì)受壓區(qū)高度；ξb為相對(duì)界限受壓區(qū)高度，對(duì)于HRB335鋼筋取0.56。

1)當(dāng)ξ≤ξb時(shí)，構(gòu)件為大偏心受壓構(gòu)件。構(gòu)件破壞時(shí)，受拉區(qū)鋼筋達(dá)到屈服強(qiáng)度。

(12)

按式(12)可求得安全系數(shù)K。

2)當(dāng)ξ>ξb時(shí)，構(gòu)件屬于為大偏心受壓構(gòu)件。構(gòu)件破壞時(shí)，受拉區(qū)鋼筋未屈服，受壓區(qū)高度 需重新計(jì)算。

構(gòu)件破壞時(shí)，受拉區(qū)鋼筋應(yīng)力σs：

(13)

式中：εcu為混凝土的極限壓應(yīng)變，對(duì)于C45混凝土取0.003 3；β為與εcu相對(duì)應(yīng)的系數(shù)，對(duì)于C45混凝土取0.8；Es為受拉鋼筋的彈性模量。

聯(lián)合式(8)和式(13)，得到：

(14)

由式(14)解得小偏心受壓構(gòu)件斷面受壓區(qū)高度。

當(dāng)x

當(dāng)x>h時(shí)，斷面全部受壓，取x=h代入式(13)可得受拉區(qū)鋼筋應(yīng)力，按式(5)可求得斷面安全系數(shù)K。

2 不鋪設(shè)保溫層情況下隧道襯砌服役性能

在我國(guó)建設(shè)寒區(qū)隧道的地區(qū)，其年平均氣溫的范圍約在-2 ℃～-6 ℃范圍，年溫度振幅一般在9～15 ℃范圍。多年凍土段計(jì)算依托知亥代隧道多年凍土段ZK58+470斷面，選取不同的年平均氣溫(-2 ℃、-4 ℃、-6 ℃)和不同的年溫度振幅(9.5 ℃、12.5 ℃、15.5 ℃)組合出的5個(gè)洞內(nèi)氣溫邊界荷載作為5種運(yùn)營(yíng)期工況，對(duì)比分析5種工況下隧道多年凍土段運(yùn)營(yíng)期襯砌服役性能變化。各工況下施加和氣溫函數(shù)荷載如表2所示。

表2 多年凍土段不同工況下溫度邊界函數(shù)Table 2 Temperature boundary function of permafrost under different working conditions

非凍土段洞內(nèi)年平均氣溫高于多年凍土段洞內(nèi)年平均氣溫，年溫度振幅小于多年凍土段的洞內(nèi)氣溫年溫度振幅。非凍土段計(jì)算依托知亥代隧道多年凍土段ZK58+斷面。在非凍土段負(fù)年平均氣溫段選取不同洞內(nèi)年平均氣溫(-0.5 ℃、-1.0 ℃、-1.5 ℃)和不同年溫度振幅(3.1 ℃、5.1 ℃、7.1 ℃)組合出的5個(gè)洞內(nèi)氣溫邊界荷載作為5種運(yùn)營(yíng)期工況，對(duì)比分析5種工況下非凍土段襯砌服役性能變化。各工況下施加和氣溫函數(shù)荷載如表3所示。

表3 非凍土段正年平均氣溫段不同工況下溫度邊界函數(shù)Table 3 Temperature boundary function under different working conditions of the normal annual mean temperature section of the non-frozen soil section

2.1 多年凍土段襯砌凍融循環(huán)情況分析

隧道襯砌由于與外界氣溫直接對(duì)流，隧道襯砌每年均承受周期性?xún)鋈谘h(huán)作用，各工況下運(yùn)營(yíng)期襯砌溫度變化如圖7，利用式(3)和式(4)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)資料得到室內(nèi)等效凍融循環(huán)次數(shù)如表4所示。

表4 多年凍土段襯砌等效室內(nèi)凍融循環(huán)次數(shù)Table 4 The lining of permafrost section is equivalent to the number of indoor freeze-thaw cycles

圖7 5種工況條件下襯砌溫度Fig.7 Lining temperature under five working conditions

2.2 多年凍土段襯砌內(nèi)力和襯砌服役性能變化

如表5所示，在運(yùn)營(yíng)期，多年凍土段襯砌軸力和彎矩均略微減小，但變化不大。

表5 多年凍土段運(yùn)營(yíng)期拱頂襯砌處軸力彎矩值Table 5 Axial moment at the vault lining in permafrost section during operation

如圖8所示，在運(yùn)營(yíng)期開(kāi)始時(shí)，各工況下拱頂襯砌安全系數(shù)均大于5，隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增加，周期性?xún)鋈谘h(huán)作用下襯砌性質(zhì)不斷劣化，隧道襯砌各處安全系數(shù)不斷減小。當(dāng)年平均振幅為12.5 ℃時(shí)，年平均溫度為-2 ℃、-4 ℃和-6 ℃條件下襯砌的服役年數(shù)分別為16、16和12 a，年平均溫度越低，襯砌服役性能下降越快。當(dāng)年平均溫度為-4 ℃時(shí)，年溫度振幅為9.5 ℃、12.5 ℃和15.5 ℃條件下，17、16、9 a，年溫度振幅越大，襯砌服役性能下降越快。

圖8 多年凍土段運(yùn)營(yíng)期拱頂襯砌承載安全系數(shù)Fig.11 Bearing safety factor of vault lining in permafrost section during operation

2.3 非凍土段襯砌凍融循環(huán)情況分析

非凍土段選取了表6中5種工況進(jìn)行計(jì)算，各工況下計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

圖9 5種工況條件下襯砌溫度Fig.9 Lining temperature under five working conditions

表6 非凍土段等效室內(nèi)凍融循環(huán)次數(shù)Table 6 The equivalent number of indoor freeze-thaw cycles in the non-frozen soil section

非凍土段由于洞內(nèi)氣溫溫度振幅小于多年凍土段，因此非凍土段襯砌受到的凍融循環(huán)作用小于多年凍土段襯砌受到的凍融循環(huán)作用。

2.4 非凍土段襯砌內(nèi)力和襯砌服役性能變化

如表7所示，各工況下襯砌拱頂軸力均為壓力，運(yùn)營(yíng)期軸力變化不大。隨著運(yùn)營(yíng)期的增長(zhǎng)，凍脹作用存在，各工況下拱頂襯砌彎矩逐漸增大。

表7 非凍土段運(yùn)營(yíng)期拱頂襯砌處軸力彎矩值Table 7 The axial moment at the vault lining in the operation period of the non-frozen soil section

如圖10所示，非凍土段拱頂襯砌安全系數(shù)初始值均在5左右。隨著運(yùn)營(yíng)年數(shù)增加，隧道襯砌不斷受到凍融循環(huán)作用發(fā)生劣化，襯砌的軸力保持穩(wěn)定，彎矩略微增加，襯砌安全系數(shù)不斷減小。

圖1 知亥代隧道穿越地段Fig.1 Profile of ZHIHAI tunnel

圖10 非凍土段運(yùn)營(yíng)期拱頂襯砌承載安全系數(shù)Fig.10 Bearing safety factor of vault lining in operation period of non-frozen soil section

當(dāng)年平均振幅為7.1 ℃時(shí)，年平均溫度為-0.5 ℃、-1.0 ℃和-1.5 ℃條件下襯砌的服役年數(shù)為15 a。當(dāng)年平均溫度為-1.0 ℃時(shí)，年溫度振幅為7.1 ℃、5.1 ℃和3.1 ℃條件下襯砌的服役年數(shù)分別為15、18和19 a，年溫度振幅越大，襯砌服役性能下降越快。

3 鋪設(shè)保溫層情況下隧道襯砌服役性能

知亥代隧道采取鋪設(shè)保溫層的方式降低外界氣溫對(duì)于襯砌的影響。在多年凍土段，鋪設(shè)2層5 cm厚保溫層，一層鋪設(shè)于一襯和二襯之間，另一層鋪設(shè)在二襯表面，如圖11所示。非凍土段在二襯表面鋪設(shè)一層5 cm厚保溫層，如圖12所示。

圖12 非凍土段表面鋪設(shè)保溫層Fig.12 The surface insulation layer is laid on the non-frozen soil section

圖11 多年凍土段雙層鋪設(shè)保溫層Fig.11 The permafrost section is covered with a double insulation layer

3.1 多年凍土段鋪設(shè)2層5 cm厚保溫層情況襯砌服役性能

由圖13可知，在鋪設(shè)兩層保溫層情況下，隧道拱頂、拱腰和邊墻襯砌均不受凍融循環(huán)作用，但是拱腳和仰拱處襯砌仍然受到氣溫引起的凍融作用。

圖13 知亥代隧道多年凍土段襯砌溫度變化Fig.13 Temperature variation of lining of permafrost section of ZHIHAI tunnel

如表8所示，鋪設(shè)2層保溫層后，運(yùn)營(yíng)期多年凍土段襯砌軸力和彎矩值十分穩(wěn)定。如圖14所示，其拱頂、拱腰和邊墻襯砌安全系數(shù)也較穩(wěn)定，無(wú)減小趨勢(shì)。但拱腳和仰拱處襯砌由于受到凍融循環(huán)作用，其襯砌安全系數(shù)不斷減小，拱腳處襯砌安全系數(shù)約20 a后已小于2.0，而20 a后仰拱襯砌安全系數(shù)也由運(yùn)營(yíng)開(kāi)始時(shí)19.16減小至6.42，襯砌服役性能大大降低。

表8 多年凍土段鋪設(shè)兩層保溫層下運(yùn)營(yíng)期拱頂襯砌處軸力彎矩值Table 8 The axial moment at the lining of the vault in the permafrost section under the two layers of insulation

圖14 知亥代隧道多年凍土段襯砌安全系數(shù)變化Fig.14 Variation of lining safety coefficient of permafrost section of ZHIHAI tunnel

3.2 非凍土段鋪設(shè)一層5 cm厚保溫層情況襯砌服役性能

如圖15所示，與多年凍土段雙層鋪設(shè)保溫層相似，表面鋪設(shè)保溫層無(wú)法阻止洞內(nèi)氣溫對(duì)于拱腳和仰拱處襯砌的凍融循環(huán)作用，同時(shí)，在運(yùn)營(yíng)期前期，邊墻、拱頂和邊墻處襯砌仍受到凍融循環(huán)作用。

圖15 知亥代隧道非凍土段襯砌溫度變化Fig.15 Temperature variation of lining in non-frozen soil section of ZHIHAI tunnel

如表9所示，非凍土段表面鋪設(shè)一層5 cm厚保溫層運(yùn)營(yíng)期各處襯砌彎矩較為穩(wěn)定，拱頂、拱腰和邊墻處襯砌軸力變化不大，拱腳和仰拱處襯砌軸力略微增大，表明非凍土段拱腳和仰拱處圍巖凍結(jié)使軸力增加。

表9 非凍土段鋪設(shè)一層保溫層下運(yùn)營(yíng)期拱頂襯砌處軸力彎矩值Table 9 The axial moment at the lining of the vault during the operation period under the thermal insulation layer is laid in the non-frozen soil section

如圖16所示，非凍土段鋪設(shè)一層5 cm厚保溫層后，由于拱腳和仰拱處襯砌受到凍融循環(huán)作用，拱腳和仰拱襯砌安全系數(shù)不斷下降，拱腳處和仰拱處襯砌運(yùn)營(yíng)20 a后安全系數(shù)分別下降了51%、56%，拱頂、拱腰和邊墻處襯砌安全系數(shù)都一定程度下降。

圖16 知亥代隧道非凍土段襯砌安全系數(shù)變化Fig.16 Variation of lining safety coefficient in non-frozen soil section of ZHIHAI tunnel

3.3 不同保溫層鋪設(shè)方式對(duì)襯砌服役性能影響

由3.1和3.2計(jì)算結(jié)果可知，雙層鋪設(shè)保溫層和表面鋪設(shè)保溫層時(shí)，拱腳和仰拱處襯砌受到洞內(nèi)氣溫引起的凍融循環(huán)作用而導(dǎo)致襯砌不斷劣化，安全系數(shù)逐漸減小，服役性能不斷降低。此外，常見(jiàn)的夾層鋪設(shè)保溫層方式更是將整個(gè)二襯暴露在洞內(nèi)氣溫下，其襯砌服役性能勢(shì)必不斷降低。因此，應(yīng)對(duì)拱腳處和仰拱進(jìn)行保溫處理和加固。建議在表面鋪設(shè)保溫層基礎(chǔ)上，在仰拱和拱腳處加設(shè)一層5 cm厚保溫層，如圖17所示，并計(jì)算該種保溫層方式下多年凍土段襯砌安全系數(shù)。

圖17 加設(shè)保溫層示意Fig.17 Schematic diagram of insulation layer

由圖可知，加設(shè)鋪設(shè)保溫層情況下各處襯砌安全系數(shù)較穩(wěn)定，無(wú)減小趨勢(shì)，表明加設(shè)鋪設(shè)保溫層能使襯砌服役性能不下降。

圖18 加設(shè)保溫層下多年凍土段襯砌安全系數(shù)變化Fig.18 Variation of lining safety coefficient of permafrost section with insulation layer

4 寒區(qū)隧道保溫層鋪設(shè)厚度優(yōu)化

由多年凍土段和非凍土段在洞內(nèi)氣溫條件下襯砌服役性能研究可知，襯砌安全系數(shù)減小主要是由于襯砌受到凍融循環(huán)劣化引起，因此寒區(qū)隧道保溫層鋪設(shè)厚度應(yīng)使得隧道襯砌不受凍融循環(huán)作用。

本節(jié)基于ANSYS熱力耦合瞬態(tài)計(jì)算，以襯砌在運(yùn)營(yíng)期不受到凍融循環(huán)作用為標(biāo)準(zhǔn)，依托知亥代隧道對(duì)多年凍土段ZK58+470斷面(年平均溫度-3.3 ℃，溫度振幅11.6 ℃)、非凍土段ZK58+640斷面(年平均溫度-1.65 ℃，溫度振幅9.45 ℃)進(jìn)行計(jì)算，得出隧道各段保溫層的最小鋪設(shè)厚度。

其計(jì)算模型、邊界條件和溫度函數(shù)等均按照實(shí)際條件選取，計(jì)算不同保溫層厚度下運(yùn)營(yíng)期襯砌所受凍融循環(huán)情況。

如圖19所示，多年凍土段計(jì)算斷面在鋪設(shè)2、3、4、5、6 cm厚保溫層情況下運(yùn)營(yíng)100 a期間前20 a襯砌受到凍融循環(huán)作用年數(shù)為19、14、6、1、1 a。非凍土段計(jì)算斷面在鋪設(shè)6、7、8、9、10 cm厚保溫層情況下運(yùn)營(yíng)100 a期間前20 a襯砌受到凍融循環(huán)作用年數(shù)為12、8、3、1、1 a。因此，對(duì)于知亥代隧道，多年凍土段隧道保溫層最小鋪設(shè)厚度應(yīng)為5 cm，其非凍土段漸凍段保溫層鋪設(shè)厚度應(yīng)為9 cm。

圖19 多年凍土段及非凍土段不同保溫層厚度下襯砌溫度變化Fig.19 Variation of lining temperature in permafrost and non-frozen soil section under different insulation thickness

5 結(jié)論

1)在不鋪設(shè)保溫層情況下，寒區(qū)隧道襯砌受到凍融循環(huán)作用，其物理力學(xué)性質(zhì)不斷劣化，從而導(dǎo)致襯砌承載安全系數(shù)降低，襯砌服役性能下降。對(duì)于多年凍土段，當(dāng)年平均振幅為12.5 ℃時(shí)，年平均溫度為-2 ℃、-4 ℃和-6 ℃條件下襯砌的服役年數(shù)分別為16、16、12 a，年平均溫度越低，襯砌服役性能下降越快。當(dāng)年平均溫度為-4 ℃時(shí)，年溫度振幅為9.5 ℃、12.5 ℃和15.5 ℃條件下，服役年數(shù)為17、16、9 a，且年溫度振幅越大，襯砌服役性能下降越快。對(duì)于非凍土段，當(dāng)年平均振幅為7.1 ℃時(shí)，年平均溫度為-0.5 ℃、-1.0 ℃和-1.5 ℃條件下襯砌的服役年數(shù)為15、15、15 a。當(dāng)年平均溫度為-1.0 ℃時(shí)，年溫度振幅為7.1 ℃、5.1 ℃和3.1 ℃條件下襯砌的服役年數(shù)分別為15、18、19 a，年溫度振幅越大，襯砌服役性能下降越快。

2)知亥代隧道多年凍土段雙層鋪設(shè)2層5 cm厚保溫層，能使拱頂、拱腰和邊墻處襯砌不受到凍融循環(huán)作用。但該種保溫層鋪設(shè)方式下，拱腳和仰拱處襯砌不斷受到凍融循環(huán)作用，多年凍土段拱腳和仰拱處襯砌服役年數(shù)下降到20 a。非凍土段鋪設(shè)一層5 cm厚保溫層后，由于拱腳和仰拱處襯砌受到凍融循環(huán)作用，拱腳和仰拱襯砌安全系數(shù)不斷下降，拱腳處和仰拱處襯砌運(yùn)營(yíng)20 a后安全系數(shù)分別下降了51%、56%，拱頂、拱腰和邊墻處襯砌由于運(yùn)營(yíng)期前期仍受到凍融循環(huán)作用，運(yùn)營(yíng)期其安全系數(shù)都一定程度下降。

3)對(duì)于知亥代隧道，建議在表面鋪設(shè)保溫層基礎(chǔ)上加設(shè)一層5 cm厚保溫層于仰拱和拱腳上，計(jì)算結(jié)果表明，該種保溫層鋪設(shè)方式下隧道襯砌服役年數(shù)不減少。

4)若要保證知亥代隧道襯砌服役性能不降低，多年凍土段保溫層鋪設(shè)厚度至少為5 cm，非凍土段保溫層鋪設(shè)厚度至少為9 cm。