寒區隧道洞口段力學特性模型試驗研究

葛志翔 劉志強 王建民

（1.中鐵橋隧技術有限公司，南京 210000；2.蘭州交通大學 土木工程學院，蘭州 730000；3.杭州市交通管理服務中心，杭州 310000）

由于經濟建設需要，在高緯度和高海拔地區修建公路和鐵路隧道已不可避免。凍脹會影響寒區隧道建設和安全運營。目前，大多數的工程設計采用類比法，設計參數不明確，相關的標準、設計規范比較籠統，導致設計值和實際情況有偏差。為了防止隧道凍害的發生，需要了解隧道在凍脹作用下的力學特性，并提出有效的防護措施。洞口段的結構設計要區別于洞身，這樣才能保證洞口段結構的穩定性。

關于隧道凍脹力，我國學者已開展廣泛研究。丁敏［1］建立了溫度場-應力場耦合二維數學模型，分析發現應力場受溫度影響較大。顧博淵等［2］結合寒區隧道已有成果，分析了凍脹力的大小和分布規律。耿珂［3］通過溫度場-應力場數值計算，分析了阿拉坦隧道結構安全性。康永水等［4］運用應變片法測試飽和及干燥巖樣的低溫應變特征，得出巖石凍脹變形規律。黃繼輝等［5］推導了考慮圍巖不均勻凍脹的寒區隧道凍脹力解析解。王柱等［6］建立了高寒凍融環境下時空預測模型，得出保溫層能有效改善混凝土的凍融環境。張玉偉等［7］提出凍脹力簡化測試方法并研發出溫度場—凍脹力同步測試系統。覃愛民等［8］基于Mohr?Coulomb屈服準則確定了圍巖塑性區范圍，并推導了凍脹力和圍巖應力的彈塑性顯式解析解。左清軍等［9］通過數值模擬分析得出高地應力圍巖的變形量與隧道洞徑、圍巖的側壓力系數、隧道埋深和圍巖的力學參數密切相關。

青海典型隧道進口段最低氣溫-15 ℃，洞口段水文地質條件較為復雜。為進一步了解隧道洞口段結構受力特性，以洞口段為原型進行室內模型試驗，對凍脹作用下襯砌應力進行分析，并采用數值模擬方法對凍結過程進行溫度場-應力場耦合計算。

1 室內模型試驗

1.1 相似比及邊界條件

隧道洞門為端墻式，以圓形隧道為例開展模型試驗研究。幾何相似比取1∶50，襯砌厚度5 mm，襯砌兩邊圍巖長度275 mm，模型尺寸見圖1。圍巖等級取Ⅴ級，邊坡坡率為1∶0.5，坡長200 mm，坡高100 mm。將-15 ℃溫度荷載施加于模型左右兩側、底面和后面，前面和上面為常溫。

圖1 縮尺模型（單位：mm）

1.2 測試內容及測點的布設

試驗選擇A，B 兩個測試斷面，斷面A，B 分別距離洞口300，700 mm。根據對稱性原則溫度和應變傳感器只布置在一側。在2 個測試斷面布置溫度傳感器，在仰拱下方6，12 cm，在邊墻一側6，12，18 cm，拱頂上方6，12 cm 處各布設1個溫度測點，如圖2所示。襯砌內側粘貼應變片用于測量襯砌切向和徑向應變（編號為 1#—5#）。

圖2 溫度測點和應變片布置（單位：cm）

1.3 模型制作

模型圍巖采用西北有代表性的黃土制作。首先進行初始含水率的測量，然后配制所需要的含水率。采用有機玻璃制作圓形隧道襯砌，隧道內徑14 cm，外徑15 cm，并在指定位置粘貼好應變片。端墻式隧道洞門采用厚1 cm的有機玻璃將襯砌與洞門粘貼牢固。

采用分層填土的方式進行圍巖回填，填土至預設高度時埋設傳感器和襯砌，然后按壓實度95%進行壓實，最后按規定做好邊坡。試驗模型見圖3。

圖3 試驗模型

1.4 試驗步驟

圍巖含水率分別取16%和18%。當模型制作完成并連接好設備后，先進行圍巖含水率16%試驗，測出初始圍巖溫度約8 ℃。按設定溫度-15 ℃降溫80 h后斷開電源。圍巖融化72 h 后再進行圍巖含水率18%試驗。

2 試驗結果

2.1 溫度場

凍結過程中2 種含水率圍巖溫度變化規律相似，隨著含水率的增大，圍巖溫度下降速率略有加快。

圍巖含水率18%時各測點溫度變化曲線見圖4。可見：試驗開始5 h，模型內部各測點的溫度在5 ℃左右；試驗進行到25 h，測點T1—T5 溫度基本上達0 ℃以下；從25 h 至45 h，測點T1—T7 溫度下降得較為顯著；45 h 以后溫度降低速率減慢并逐漸趨于穩定。測點T2 和T5 距溫度加載位置近，溫度下降速率較快，其他測點溫度下降速率慢，測點T6和T7下降最慢。

圖4 各測點溫度變化曲線

2.2 襯砌應力

根據襯砌變形穩定后的應變值，繪制2 種含水率下測試斷面襯砌應力分布圖（圖5）。其中，拉應力為正。

圖5 不同含水率下測試斷面襯砌應力分布（單位：kPa）

從圖5（a）和圖5（b）可以看出：①不同含水率下2 個測試斷面襯砌切向應力變化規律基本相同，含水率由16%增至18%，斷面A 和B 襯砌切向應力均增大約7.6%～10.0%。②測試斷面A 和B 仰拱處的切向應力最大，拱頂略小于仰拱，拱腰次之，邊墻最小且為壓應力。

從圖5（c）和圖5（d）可以看出：①2 個測試斷面襯砌徑向應力變化規律相似，含水率由16%增至18%，斷面A 和B 襯砌徑向應力增加約8.1%～11.4%。②測試斷面襯砌各部位的徑向應力均為壓應力，由大到小為邊墻、拱腰、墻腳、拱頂、仰拱。

3 數值模擬

3.1 參數確定

為了驗證模型試驗結果，利用ANSYS有限元軟件對寒區隧道洞口段進行熱-力耦合分析。考慮黃土導熱系數與凍結溫度的關系［10］，及含水率對導熱系數和比熱容的影響［11］，最終確定圍巖熱參數。

有限元分析時襯砌密度為1 190 kg/m3，導熱系數為0.19 w/（m·K），比熱容為1 650 J/（kg·℃）。圍巖熱參數見表1。襯砌和圍巖力學參數見表2，括號中數據為含水率。

表1 圍巖熱參數

表2 襯砌和圍巖力學參數

3.2 計算結果與分析

襯砌切向和徑向應力云圖見圖6。

圖6 襯砌應力云圖（單位：Pa）

從圖6（a）和圖6（b）可以看出：①切向應力在邊墻附近為壓應力，其他部位為拉應力，模型試驗結果與之吻合。②圍巖含水率從16%增至18%，斷面A 和B切向應力增加約9.7%～12.5%。

從圖6（c）和圖6（d）可以看出：①襯砌徑向受壓應力作用，且最大壓應力出現在邊墻，邊墻至仰拱、邊墻至拱頂應力逐漸減小，模型試驗斷面A 和斷面B 應力分布與數值計算結果吻合。②含水率從16%增至18%，襯砌斷面A 和斷面B 徑向應力增加約10.4%～13.2%。

數值計算與模型試驗結果存在一定的誤差，原因是制作模型的材料不是完全剛性的，二者的邊界條件無法達到完全相同。在凍脹過程中材料存在一定的變形，導致應力部分損失。

4 結論

1）圍巖含水率從16%增至18%，圍巖溫度降低速率加快。2 種含水率下圍巖溫度變化規律相似，25 h至45 h 溫度快速下降，45 h 后溫度緩慢下降并趨于穩定。

2）模型試驗與數值計算的襯砌應力分布規律相似。圍巖含水率從16%增至18%時，襯砌切向應力和徑向應力均增大，切向應力最大值出現在仰拱，徑向應力最大值出現在邊墻。