寒區隧道襯砌周邊凍脹力及防治措施研究

劉 萌 周有祿

(1.甘肅建筑職業技術學院，蘭州 730050； 2.中鐵西北科學研究院有限公司，蘭州 730000)

我國寒區面積約417.4×104km2，占國土面積的43.5%，其中多年凍土面積約215×104km2，占國土面積的22.3%[1-2]。寒區分布有豐富的自然資源，為了有效開發和利用自然資源，需在寒區修建鐵路和公路，而在建設過程中必然會遇到隧道。

在冰凍期內，寒區隧道出現了不同程度的病害(凍脹開裂、結冰等)，凍脹病害對襯砌結構造成影響，降低隧道使用壽命，而滴水形成浮冰對鐵路運行構成極大安全威脅[3]。尤其在氣溫極低的高寒地區，凍害問題更是突出，嚴重威脅行車安全[4-5]。

目前，國內外學者對隧道建設進行大量研究，但對于高寒地區的隧道防凍害技術研究相對較少[6]。為研究高寒地區高標準鐵路隧道建設中的凍脹及防治措施等問題，基于有限元軟件構建寒區隧道凍脹模型，探討圍巖性質、含水率和襯砌彈性模量對凍脹力的影響，提出高寒地區隧道凍害防治原則，對凍害等級進行劃分，并提出防治措施建設，為高寒地區的隧道建設提供參考。

1 工程概況

元山隧道位于軍馬一場西南方向的祁連山中高山區，平均海拔在3 000 m以上，最高海拔為3 292 m。隧道工程區主要為石炭系上統砂巖，山坡坡面分布有第四系粉土、細角礫土、粗角礫土等。地下水賦存類型主要為第四系孔隙潛水、基巖裂隙水和構造裂隙水，與隧道關系較密切的為基巖裂隙水和構造裂隙水。具有春季多雪多風，夏季涼爽多雨，秋季溫和暫短，冬季寒冷漫長的氣候特點[7]。

2 數值分析

2.1 數學模型

隧道截面縱向的變形可以看作為零，故隧道的溫度和應力場耦合計算可簡化為平面應變問題，隧道有限元模型如圖1所示。平面應變問題的邊界取3～5倍開挖洞徑，左右邊界取56 m，下邊界取56 m，左右方向約束水平自由度，底面約束豎向自由度，隧道頂面為自由面。地層采用PLANE 13號耦合單元，利用其線性膨脹系數、比熱及導熱系數來考慮溫度與應力場的耦合作用；二次襯砌采用BEAM 3號梁單元模擬；地層與襯砌之間采用LINK10號桿單元連接，單元KEYOPT(3)設置為1，僅考慮受壓狀態。

圖1 有限元模型

數值模擬參數由圍巖級別、含水率和襯砌彈性模量確定，其中隧道埋深為50 m，圍巖級別選擇為Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ級圍巖，含水率分別選擇10%、20%和30%，彈性模量分別選8 GPa、16 GPa和32 GPa，共9種工況。

材料參數取值見表1和表2。

表1 物理力學參數

表2 熱力學參數

2.2 襯砌凍脹力分析

數值分析的凍脹力定義：凍結前后圍巖與結構接觸壓力的差值(提取LINK10的軸向壓應力)，以符號σd表示。根據數值分析結果，提取各條件下襯砌6個典型位置的凍脹力值(如圖2所示)，據此確定各影響因素下凍脹力的變化規律。

3 結果分析

3.1 圍巖性質對襯砌凍脹力的影響

圖3反映了圍巖等級對襯砌周圍凍脹力的影響，由圖3可知，不同圍巖環境下襯砌周邊的凍脹力分布形狀類似，凍脹力最大處在墻腳附近，凍脹力最小處在仰拱中心，出現這種現象的原因可能是結構應力集中和外荷載作用下襯砌的不均勻變形導致。此外，圍巖性質越差，襯砌周邊凍脹力越小，但各位置的減幅不同(見表3)：圍巖從Ⅳ級到Ⅴ級時，仰拱中心處(6號點)減幅最大，從0.571 MPa減至0.432 MPa；圍巖從Ⅴ級到Ⅵ級時，拱腳處(3號點)減幅最大，從1.161 MPa減至0.003 MPa；對于最大凍脹力(4號點)，圍巖從Ⅳ-Ⅴ-Ⅵ級變化時，凍脹力變化為1.944-1.672-0.230 MPa。

圖2 典型位置凍脹力位置示意

圖3 圍巖等級對襯砌周邊凍脹力的影響(單位：MPa)

表3 各監測點凍脹力隨圍巖等級的增幅

3.2 含水率對襯砌凍脹力的影響

當氣溫降低時，隧道圍巖中的水將會變成冰，導致體積膨脹，是圍巖-襯砌接觸面產生凍脹的主要原因[8]。一般而言，在相同條件下含水率越高的裂隙，其凍結過程中凍脹力就越大。在不同含水率下，Ⅳ圍巖中襯砌周邊的凍脹力如圖4所示。由圖4可知，當隧道圍巖含水率的不斷增加時，作用在襯砌上的凍脹力不斷增大。各監測點處凍脹力的增幅見表4所示。

表4 各監測點凍脹力隨含水率的增幅

當含水率由10%增至20%時，拱頂處(1號點)的增幅最大，凍脹力從1.034 MPa增至2.117 MPa，當含水率由20%增至30%時，墻腳處(5號點)的凍脹力增幅最大，從2.675 MPa增至4.085 MPa；對于最大凍脹力(4號點)，含水率從10%-20%-30%變化時，凍脹力變化為1.672-3.433-5.193 MPa。上述現場表明，寒區隧道的凍脹力對水分特別敏感，在隧道設計和施工階段，宜做好防排水措施，減少圍巖中的水分，達到降低凍脹力，提高運營期寒區隧道可靠性的目的。

圖4 含水率對襯砌周邊凍脹力的影響(單位：MPa)

3.3 襯砌彈性模量對襯砌凍脹力的影響

圖5為襯砌彈性模量對襯砌周邊凍脹力的影響，由圖5可知，當二次襯砌的彈性模量越大時，作用在二次襯砌上的凍脹力就越強，這跟含水率高低對襯砌凍脹力的影響類似，但同樣各監測點處的增幅不同(見表5)：當彈性模量從8 GPa增至16 GPa時，拱腳處(3號點)的增幅最大，凍脹力從0.455 MPa增至0.662 MPa，增幅達31.27%，當彈性模量從16 GPa增至32 GPa時，仰拱中心處(6號點)的凍脹力增幅最大，從0.239 MPa增至0.300 MPa；對于最大凍脹力(4號點)，彈性模量從8-16-32 GPa變化時，變化為0.878-1.148-1.269 MPa。凍脹力對襯砌作用的大小跟其周圍約束程度密切相關。在相同條件下，襯砌對圍巖的約束變形越強，其對襯砌的凍脹力就越大，反之則越小。從混凝土的力學性能可知，約束力的大小和混凝土應變相關，即混凝土彈性模量越大，其抵抗變形的能力越強，約束力越大[9]。當襯砌周圍的圍巖發生凍脹時，襯砌能夠發生一定的變形，可以一定程度上減少凍脹力[10]。上述現象說明，容易產生凍脹現象的隧道，在承載力和變形條件允許的情況下，可以通過降低襯砌的剛度，適當增加混凝土變形來降低凍脹力對襯砌的作用，達到保護隧道的目的。

圖5 襯砌彈性模量對襯砌周邊凍脹力的影響

表5 各監測點凍脹力隨彈性模量的增幅

4 隧道凍害的防治措施

4.1 圍巖注漿

針對隧道內圍巖存在含水裂隙以及破碎帶圍巖層[11]。通過注漿能夠增大圍巖強度，增強破碎帶圍巖的整體性，不但起到堵水防水作用，而且還降低了圍巖在凍結過程中凍脹力作用。

當水頭壓力不大時，應在除了仰拱以外的其他所有斷面圍巖進行注漿，若圍巖水頭壓力較大時，應考慮隧道全斷面圍巖注漿[12]。注漿深度應大于隧道圍巖的凍結深度，注漿施工應在保溫隔熱層施工前進行，防止注漿中損壞保溫隔熱材料，注漿時間一般應在最大融深時進行，高寒地區的一般在每年的8月、9月。

4.2 防排水

高寒區隧道防、排水措施對降低隧道凍害程度起著至關重要的作用，成功的防水、排水措施能夠使隧道圍巖發生凍脹時襯砌結構不破壞，排水設施不凍結[13]。

高寒區隧道建設存在3種情況：①隧道之上均為多年凍土層；②是隧道之上有零星多年凍土分布；③是隧道范圍均為非多年凍土。

高寒地區隧道圍巖大多不同程度含水，一般情況下，需設縱向導水盲溝，在邊墻之內設集水盲井和排水溝或泄水洞[14]。這些措施能否發揮其功能，取決于這些排水設置能否真正構成暢通無阻集排水系統。這就要求排水設施布設位置與深度要合理，最好布設在最大凍結深度范圍之外。若配合保溫、加熱等措施，也可以適當減小埋深。

4.3 隔熱保溫材料

高寒區隧道工程中常采用保溫隔熱材料來減少凍結深度和消減凍脹力作用。其中，噴涂發泡保溫材料既能夠很好的起隔熱保溫作用，而且能夠隔斷水源[15]。當在初襯和二次襯砌中間設置保溫材料時還能起到緩沖作用，從而減低圍巖凍脹力對襯砌的作用和初襯的變形對二次襯砌的作用。

根據以上分析，提出高寒區隧道凍害防治綜合措施如下。

①在隧道進出口段落設置加強配筋的抗凍混凝土；②在隧道洞口圍巖和襯砌之間設置保溫隔熱處理的隔熱層；③通過圍巖預注漿及二次注漿措施填充圍巖裂隙減少水分存儲空間；④加強隧道進出口段防排水措施，將排水設施增加埋設深度和防寒措施，有必要時可在洞口附近增設加熱措施。

4.4 寒區隧道凍害設防等級及措施建議

根據以上分析，在高寒區修建隧道，從襯砌凍脹力及洞內結冰情況考慮，提出高寒區隧道凍害等級及相應設防措施(見表6)。

表6 寒區隧道凍害等級及相應設防措施

5 結論

(1)受隧道結構應力集中和外荷載作用下襯砌不均勻變形的影響，襯砌周邊的凍脹力分布明顯不均勻，墻腳附近凍脹力最大，仰拱中心凍脹力最小。

(2)圍巖性質越差，襯砌周邊凍脹力越小，但各位置的減幅不同；圍巖從Ⅳ變化至Ⅵ級時，最大凍脹力從1.944 MPa減少至0.502 MPa。

(3)隧道襯砌結構所受凍脹力最大時，該處圍巖中的含水率較高，但隨含水率增加，各處的凍脹力增幅有所不同；當含水率從10%增加至30%時，最大凍脹力從1.672 MPa增至5.193 MPa。

(4)襯砌彈性模量越大，作用在襯砌上的凍脹力越強，但各位置處的增幅不同；彈性模量從8 GPa增至32 GPa變化時，最大凍脹力從0.878 MPa增至1.269 MPa。

(5)凍脹力與外界的約束程度密切相關，寒區隧道在做好防水的同時，在變形允許的條件下，宜適當降低襯砌結構的彈性模型，以減少作用在襯砌上的凍脹力。

(6)提出高寒區隧道凍害防治綜合措施及原則，即采取多道防護、加強綜合整治的措施；采取注漿、防排水、隔熱保溫技術并重的原則。