高地溫跨斷層隧道隔熱減震技術研究

魏杭杭 莊永香 邱楓博 謝 優 崔光耀

(1.北方工業大學， 北京100144;2.莒南縣園林環衛保障服務中心， 山東 莒南 276600)

高地溫跨斷層隧道建設同時面臨隔熱和減震的雙重難題。高地溫不僅會影響隧道正常施工和運營，還會影響隧道的襯砌穩定性，造成襯砌開裂；斷層處巖體破碎，自穩能力差，對隧道襯砌的要求比較高。因此，開展對高地溫跨斷層隧道隔熱減震技術的研究尤為重要。

目前，對跨斷層隧道減震技術的研究較多，如對跨斷層隧道地震破壞特征的研究[1]、利用數值模擬對斷層破碎帶地震反應規律的研究[2]、通過振動臺試驗對跨斷層減震技術的探索[3-6]、對減震層在跨斷層隧道中應用的研究[7-8]、對減震縫在強震區跨斷層隧道應用的研究等[9]。對于高地溫隧道的研究也有一些，如對高地溫隧道襯砌受力特性的研究[10-11]、對高地溫隧道不同隔熱材料隔熱效果的研究[12]、對高地溫隧道隔熱層選擇及隔熱技術的研究[13-14]、對施工期間高地溫隧道隔熱降溫技術的探索[15]、對隧道初期支護與二襯在高地溫環境下力學性能的研究等[16-17]。

綜上可知，目前的許多研究成果都是單獨針對隧道減震或隔熱的，對跨斷層隧道地震破壞特征和抗震減震措施的研究及對高地溫隧道隔熱技術的研究都已十分成熟，但對兩者結合的研究較少，對高地溫跨斷層隧道隔熱減震技術的研究近乎沒有，進行跨斷層隧道減震技術與高地溫隧道隔熱技術的聯合研究可彌補隧道在隔熱減震技術方面的不足，有效地提高高地溫跨斷層隧道的安全性能。因此，本文依托川藏鐵路桑珠嶺隧道工程，利用有限差分軟件FLAC 3D建立數值模型，對比分析了素混凝土隧道與設置了減震層與阻尼層隧道的隔熱效果和減震效果，探索了高地溫跨斷層隧道的隔熱減震技術。該研究成果可為高地溫跨斷層隧道的隔熱減震技術提供參考。

1 桑珠嶺隧道概況

1.1 隧道概況

桑珠嶺隧道全長16.45 km，地勢為海拔 3 300～5 100 m，位于西藏至林芝段鐵路的雅魯藏布江縫線區。隧道所在區域處于歐亞板塊與印度板塊交界處，同時穿過溫泉活躍的斷層帶，因此隧道地熱活動十分強烈，洞內環境溫度高達56 ℃，隧道地溫高達89.9 ℃，是我國地溫最高的隧道。該隧道的圍巖以閃長巖和花崗巖為主要成分，堅硬易碎。

1.2 隧道支護參數

該隧道采用曲墻帶仰拱形式的復合襯砌，初期支護采用25 cm厚的噴射混凝土，二襯采用45 cm厚的模筑混凝土。

2 研究概況

2.1 計算模型

本文根據桑珠嶺隧道地質條件和地溫鉆孔資料，以隧道斷層為研究背景，建立FLAC 3D數值模型。模型縱向厚度為200 m，隧道左右寬度各取50 m。隧道埋深為50 m，模型底部基巖厚度為20 m，基巖為Ⅱ級圍巖。斷層破碎帶與隧道正交，傾角為80°，斷層寬度為10 m。斷層處巖體破碎，較完整巖體更易導熱，隧道在斷層處受地溫影響較大，故建立模型時需設置好斷層處的導熱系數。圍巖采用摩爾庫倫模型，襯砌采用彈塑性模型。靜力計算時的模型邊界條件為模型上部無約束，底部和側面全約束；動力計算時的模型邊界條件為自由場邊界。動力計算時采用2008年汶川地震臥龍測站測得的加速度波。熱分析時，初始溫度場為上部初始溫度54 ℃，斷層底部固定溫度90 ℃。隧道模型如圖1所示。

圖1 計算模型圖

2.2 計算參數

根據地質資料確定圍巖參數，減震層采用橡膠板，阻尼層為Qtech-506澆筑阻尼，室溫條件下粘度可達600×104cP，斷裂增長率在10倍以上，材料自身損耗因子大于0.5，泊松比為0.5。材料具體參數如表1所示。

表1 計算參數表

2.3 計算工況

本文主要研究在初支與二襯之間設置減震層與阻尼層后隧道的減震隔熱效果，計算工況如表2所示。

表2 計算工況表

2.4 監測布置

在隧道通過斷層中心部位的左右兩側各設置6個監測斷面，其中，D1為下盤監測斷面中接近斷層中心部位的監測斷面，D2為上盤監測斷面中接近斷層中心部位的監測斷面，斷面分布如圖2所示。每個監測斷面共設置8個監測點，測點布置如圖3所示。

圖2 斷面分布圖(m)

圖3 測點布置圖

2.5 動力參數

此次模擬采用常規動力的加載方式，將地震波從(x,y,z)3個方向通過模型底部傳輸到頂部。地震波持續時間共15 s，并按照9度地震烈度進行標準化。數值模擬過程中，力學阻尼采用局部阻尼，阻尼系數為0.157 1。處理后的加速度時程曲線如圖4所示(以x方向為例)。

圖4 加速度時程曲線圖

3 隔熱減震效果分析

3.1 隔熱效果分析

提取兩種工況12個監測斷面各個測點的監測溫度(以隧道右側為例)，如圖5所示。

圖5 不同條件下隧道溫度曲線圖

由圖5可知，兩種工況的隧道襯砌最高溫度均出現在距斷層最近處，兩種工況的溫度變化趨勢相似，距離斷層破碎帶越近，襯砌溫度越高，距離越遠，溫度越低。各監測斷面的最高溫度均出現在仰拱處，最低溫度均出現在拱頂處，從拱頂至仰拱，隧道襯砌溫度逐漸升高。

工況1隧道襯砌的最高溫度為51.16 ℃，在施加減震層和阻尼層后，隧道襯砌的最高溫度降低至49.49 ℃(工況2)，相較于工況1降低了3.26%，說明施設阻尼層和減震層可起到隔熱效果。

3.2 減震效果分析

3.2.1 最大主應力

提取斷層完成錯動時兩種工況12個監測斷面所有測點中的最大主應力值，如圖6所示。

圖6 各監測斷面的最大主應力圖

由圖6可知，各監測段面中最大主應力最大值均出現在D2監測斷面處，故提取D2監測斷面各監測點最大主應力值，如表3所示。

表3 D2監測斷面最大主應力值表(MPa)

由圖6和表3可知，從隧道縱向來看，斷層破碎帶處最大主應力值較大，最大主應力最大值出現在上盤斷層處，而距離斷層破碎帶越遠，最大主應力值越小。在同一個監測斷面中，隧道拱頂處的最大主應力值最大，仰拱處的最大主應力值最小。工況1的最大主應力值最大為24.51 MPa，設置阻尼層和減震層后，隧道整體最大主應力有明顯減小，工況2的最大主應力值最大為18.35 MPa，相較工況1降低了25.17%，說明隧道最大主應力得到了有效控制。

3.2.2 最小主應力

提取斷層完成錯動時兩種工況12個監測斷面所有測點中的最小主應力值，如圖7所示。

圖7 各監測斷面的最小主應力圖

由圖7可知，各監測段面中最小主應力最大值均出現在D2監測斷面處，故提取D2監測斷面的各監測點最小主應力值，如表4所示。

由圖7和表4可知，從隧道縱向來看，斷層破碎帶處最小主應力值較大，最小主應力最大值出現在上盤斷層處，而距離斷層破碎帶越遠，最小主應力值越小。在同一個監測斷面中，隧道拱腳處的最小主應力值最大，仰拱處的最小主應力值最小。工況1的最小主應力最大值為-28.79 MPa，在設置阻尼層和減震層后，斷層破碎帶處的最小主應力值有明顯減小，工況2的最小主應力最大值為-16.33 MPa，相較于工況1降低了43.28%，說明隧道最小主應力得到了有效控制。

表4 D2監測斷面最小主應力值表(MPa)

3.2.3 安全系數

提取計算結果，根據規范規定[18]計算D2監測斷面各個監測點的安全系數。

KN≤φαRabh

(1)

(2)

式中：K——安全系數；

N——軸力；

φ——構件縱向彎曲系數；

α——軸向力偏心影響系數；

Ra——混凝土抗壓極限強度；

b——襯砌寬度，常取1 m；

h——襯砌厚度；

Rl——混凝土抗拉極限強度；

e0——偏心距。

當e0≤0.2h時，采用式(1)計算安全系數，當e0≥0.2h時，采用式(2)計算安全系數。

提取模擬結果數據計算安全系數，兩種工況D2監測斷面的安全系數如表5所示。

表5 D2監測斷面安全系數表

由表5可知，兩種工況同一監測斷面安全系數的分布趨勢基本相同，左、右邊墻處的安全系數較大，仰拱及拱腳處的安全系數最小。工況1的最小安全系數出現在左拱腳處，最小值為0.283，工況2的最小安全系數出現在仰拱處，最小值為0.78。設置阻尼層和減震層后，最小安全系數提高了175.62%，隧道整體安全系數也有較大提升。綜上可知，設置阻尼層和減震層可有效提高隧道安全性能。但設置減震層和阻尼層后，隧道仍有部分位置低于規范要求，故在實際工程中需要增強支護強度，提高隧道安全性能。

4 結論

本文依托桑珠嶺隧道工程，通過建立有限元模型，對比分析了不設置減震層和阻尼層隧道和設置了9 mm阻尼層和9 mm減震層的隧道的隔熱效果和減震效果，得出主要結論如下：

(1)高地溫跨斷層隧道靠近斷層處易受到斷層錯動影響，隧道溫度、主應力和內力較其他位置均處于較高的水平，施工時應在斷層處采取措施提高隧道的安全性能。

(2)設置阻尼層和減震層后，隧道襯砌溫度整體都有所下降，最高溫度降低了3.26%。

(3)設置阻尼層和減震層后，隧道最大主應力值和最小主應力值均有所減小，最大主應力最大值減小了25.17%，最小主應力最大值減小了43.28%；隧道安全系數有較大提升，最小安全系數提高了175.62%。

(4)由隔熱和減震分析可知，阻尼層和減震層可降低高地溫跨斷層隧道的襯砌溫度，同時可提高隧道的安全性能，起到較好的減震效果。