王先義,徐小濤

(重慶交通大學(xué)土木與建筑學(xué)院,重慶400074)

隨著我國在青藏高原鐵路、公路建設(shè)的興起,高海拔寒冷地區(qū)隧道的關(guān)鍵技術(shù)問題日益受到工程界的關(guān)注和重視。在高海拔寒區(qū)修建隧道工程,與一般地區(qū)相比,技術(shù)問題要復(fù)雜得多,防抗凍技術(shù)是高海拔寒區(qū)隧道一大難題。在我國東北和西北地區(qū)有33座鐵路及公路隧道,由于地處寒區(qū),這些隧道都有不同程度的凍害。有的隧道由于凍害的影響,常年有8～9個月不能正常使用,有的隧道由于凍脹力的作用,襯砌裂縫寬達5 cm,嚴重影響正常運營[1]。

為了最大程度減輕隧道的凍害影響,建立合理有效的防排水系統(tǒng)至關(guān)重要。防寒泄水洞是隧道排除地下水的主要措施之一,其形狀類似一個帶孔的小隧道,位于隧道的正下方,泄水洞這種排水措施,可以大大減少或消除隧道內(nèi)部冒水、掛冰、積冰、凍脹等病害[2]。但同時,防寒泄水洞對隧道的初期支護也有一定影響,本文結(jié)合青海省共和至玉樹段的姜路嶺隧道實際工程,利用數(shù)值分析軟件對其影響進行模擬分析。

1 工程概況

1.1 地形與地貌特征

隧址區(qū)屬冰緣侵蝕中高山,地形中間高南北低,東西兩側(cè)為山脈走向峰脊,海拔高程4 690 m,隧道海拔高度在4 280 m以上,地勢總體西北高東南低,地形起伏較大,屬中-淺切割區(qū),其溝谷地段較平緩,山梁斜坡地段陡峻,山脊線和緩起伏,從山頂?shù)缴降子忻黠@的分帶性,山頂部寒凍風(fēng)化剝蝕作用強烈 ,山體坡度在 30°～ 40°之間,部分基巖裸露,坡下堆積碎石堆,植被不發(fā)育;中部坡度在20°～35°之間,局部基巖裸露,大部分為坡積、坡洪積覆蓋,地表草甸植被較發(fā)育;下部山體坡度較緩,坡度在15°～25°之間。山頂溝谷以“V”型峽谷為主,下部河谷橫斷面呈“U”型寬谷。該區(qū)是片狀和連續(xù)多年凍土分布區(qū),溝谷第四系松散堆積物分布廣泛,冰緣作用十分發(fā)育,熱融洼地、凍脹丘、凍土草沼等冰緣地貌較普遍。圖1為姜路嶺隧道進口。

圖1 姜路嶺隧道進口

1.2 隧址區(qū)氣象條件及沿線水系及水文概況

姜路嶺隧址區(qū)為高原大陸性半干旱氣候,冬季寒冷且持續(xù)時間長,年平均氣溫-4.2℃,年最低氣溫-10.3℃,極端最低氣溫-48.1℃,晝夜溫差大且氣壓較低,與平原相比,該地區(qū)的大氣含氧量低40%,缺氧嚴重,全年冰凍期長達7個月,降水期主要集中在五至九月份,年平均降水量369.2 mm。由此可見,該隧址區(qū)氣候條件十分惡劣,為典型的高原寒區(qū)隧道,需注意防寒抗凍的設(shè)計與施工,避免施工時或者施工完成后發(fā)生凍脹破壞。隧址區(qū)地表水主要為姜路嶺山頂及兩坡面接納大氣降水,順坡匯流,北坡流入山底小河,流量為0.1 m3/s～0.5 m3/s,最后匯入長水河;南坡流入山底小河,流量為0.1 m3/s～0.4 m3/s,最后匯入苦海;南、北坡地表水均為季節(jié)性流水,夏季時水量較大,冬季時水量較少,河床狹窄,河流彎曲呈S型。

2 隧道防寒泄水洞的施工探討

為了解決隧道圍巖低溫和水形成凍融的難題,在隧道底部3.5 m～5 m處修建防寒泄水洞,通過φ160PE豎向泄水管和φ100泄水孔與上層隧道排水系統(tǒng)相連接,形成上下連接的排水系統(tǒng),通過該系統(tǒng)將襯砌后面圍巖中的地下水匯集在泄水洞中,然后再排出隧道,如圖2所示。

2.1 防寒泄水洞保溫措施

防寒泄水洞在修筑完成后投入使用的過程中,如果不采取合理有效的保溫措施,在溫度低時,會發(fā)生泄水洞內(nèi)結(jié)冰現(xiàn)象,泄水洞將喪失排水功能,比如在早期我國東北地區(qū)嫩林線西嶺1號、2號隧道[3],最冷月平均氣溫達到-28℃,在隧道運營期間,泄水洞部分段出現(xiàn)凍結(jié),影響了隧道排水效果。

為防止這一點,泄水洞施工期間,需做好保溫措施。第一,泄水洞襯砌全線段鋪設(shè)保溫隔熱材料,溫度較高季節(jié)時,保溫層能阻止熱量向泄水洞襯砌背后流動,防止泄水洞附近圍巖發(fā)生熱融現(xiàn)象而影響隧道穩(wěn)定性。在極寒氣候條件下,保溫隔熱層能阻止泄水洞襯砌和圍巖熱量的散失,既能減小出現(xiàn)凍脹破壞的幾率,又能保持泄水洞內(nèi)溫度,使洞內(nèi)不出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象。姜路嶺隧道防寒泄水洞采用5 cm厚聚氨酯泡沫保溫層,聚氨酯材料導(dǎo)熱系數(shù)低、吸水率低,能有效地隔絕熱量傳遞。第二,在隧道進出口設(shè)置防寒保溫門,在冬季時可緩解冷空氣長驅(qū)直入到隧道內(nèi)部,形成冷能積累而造成凍脹破壞。第三,泄水洞的出水口若被凍結(jié)住,則整個排水系統(tǒng)將受到影響,所以,將泄水洞出口設(shè)計成椎體式保溫出水口,施工時,加大出水口流水面坡度,一般不小于8%,保持排水的流速可減少水因溫度下降而凍結(jié)現(xiàn)象。

圖2 姜路嶺隧道進口凍土段防寒泄水洞設(shè)計圖

2.2 防寒泄水洞施工時產(chǎn)生的熱融效應(yīng)探討

2.2.1 熱融效應(yīng)

姜路嶺洞口段為多年凍土分布區(qū),在未進行泄水洞和隧道主洞施工擾動時,土層常年處于凍結(jié)狀態(tài),巖層內(nèi)力處于平衡狀態(tài),巖體節(jié)理和裂隙內(nèi)的水以冰體的形式填充。施工時,為滿足施工人員、機械的工作環(huán)境要求以及模筑混凝土的質(zhì)量要求,此時洞內(nèi)溫度高于圍巖溫度,熱量將由洞內(nèi)傳遞到裸露圍巖上,使得部分范圍內(nèi)的圍巖溫度將達到一定程度,造成永久凍土冰體融化,原本內(nèi)力的平衡狀態(tài)關(guān)系被打破,熱融區(qū)圍巖喪失穩(wěn)定性,極易發(fā)生隧道大面積沉降甚至坍塌等現(xiàn)象[4]。

2.2.2 熱融圈深度

如何避免熱融效應(yīng)的不利影響,控制好施工時洞內(nèi)溫度是一個重要因素,把洞內(nèi)溫度控制在既不會導(dǎo)致多年凍土大范圍發(fā)生熱融效應(yīng),又能保證施工質(zhì)量和效率。對于需要施工防寒泄水洞的隧道來說,一個施工斷面需要同時考慮泄水洞和隧道主洞的熱融影響,控制好熱融圈的深度,避免兩個熱融圈貫通在一起,從而避免大范圍危險情況發(fā)生,示意圖如圖3(a),但是在實際施工過程中,各種復(fù)雜條件的限制以及突發(fā)情況的不確定性,很難保證熱融圈深度如圖3(a)情況,存在變成圖3(b)情況的可能性,所以,應(yīng)采取措施,使得泄水洞和隧道主洞的熱融圈深度為圖3(c)所示。

圖3 泄水洞和隧道主洞的熱融影響示意圖

采取的措施有:(1)當泄水洞位于主洞斷面以下時,應(yīng)先施工小斷面泄水洞,這樣可起到地質(zhì)超前預(yù)報、降低地下水的作用;(2)防寒泄水洞斷面應(yīng)考慮小型施工機具的使用,盡可能提高機械化施工程度,與縱向排水管相連的豎向泄水孔應(yīng)采用鉆機鉆孔;(3)防寒泄水洞的明洞段須在冰凍之前完成施工;(4)防寒泄水洞應(yīng)超前主洞100 m以上,保證在開挖主洞時,該斷面上的泄水洞圍巖熱力學(xué)重新達到平衡狀態(tài)。

3 防寒泄水洞的數(shù)值分析

3.1 數(shù)值計算模型

由于本文主要研究的是施作防寒泄水洞后,對開挖主洞的影響分析,主要從隧道初次襯砌的位移沉降和應(yīng)力狀態(tài)兩方面進行比較分析,所以選用GTS作為數(shù)值模擬軟件較為方便、合理。

根據(jù)姜路嶺隧道的工程概況,本次計算選取進洞段作為研究對象,材料物理參數(shù)見表1。

表1 材料物理參數(shù)

在一般情況下,隧道周圍大于三倍洞跨以外的圍巖受到隧道施工的影響較小,所以,本模型左右邊界的計算范圍取隧道洞跨的三倍,但因為垂直方向考慮泄水洞的影響,隧道到底部邊界取洞跨的五至六倍,GTS三維劃分網(wǎng)格模型見圖4所示。

圖4 GTS網(wǎng)格劃分

3.2 計算結(jié)果

前文已提及防寒泄水洞應(yīng)超前主洞100 m以上,本文將施工工況定義為以下幾個階段(見表2)。

表2 施工工況定義表

3.3 穩(wěn)定后的位移沉降對比

根據(jù)上述施工工況進行定義,得出各個施工階段的結(jié)果,分別取無防寒泄水洞和有防寒泄水洞的最后支護主洞階段進行結(jié)果對比。數(shù)值模擬結(jié)果見圖5。

對有泄水洞和無泄水洞兩種施工條件進行數(shù)值模擬,可以發(fā)現(xiàn),開挖泄水洞引起的最大沉降發(fā)生在泄水洞拱頂位置,為1.9 mm,泄水洞底部隆起2.8 mm。在此基礎(chǔ)上開挖隧道主洞,穩(wěn)定后最大沉降在主洞拱頂,為6.8 mm,隧道主洞底部隆起17.7 mm。而在不考慮有泄水洞的情況下,開挖隧道至穩(wěn)定時,最大沉降為6.8 mm,最大隆起為19.8 mm。比較兩者不同情況下的位移關(guān)系,可發(fā)現(xiàn),超前開挖泄水洞,對主洞的沉降影響可以忽略不計,從一定程度上還抵消了由于圍巖應(yīng)力重新分布引起的隧道底部隆起現(xiàn)象。

圖5 有、無泄水洞兩種施工條件數(shù)值模擬結(jié)果

4 結(jié) 論

水是寒區(qū)隧道發(fā)生各種病害的重要因素,通過修建防寒泄水洞,與泄水孔、盲溝、支導(dǎo)洞、椎體保溫出水口、檢查井等組成排水系統(tǒng),可以大大緩解或消除隧道內(nèi)部冒水、掛冰、積冰、凍脹等病害現(xiàn)象發(fā)生。本文對泄水洞的保溫措施和熱融效應(yīng)進行探討,提出了全線段鋪設(shè)保溫隔熱材料、設(shè)置防寒保溫門和采用椎體式保溫出水口措施;在施工時應(yīng)保證防寒泄水洞超前主洞100m以上,避免主洞和泄水洞熱融圈相連貫通;利用GTS對姜路嶺隧道設(shè)泄水洞和不設(shè)泄水洞兩種工況模擬,得出在超前開挖泄水洞時,對主洞的沉降影響可忽略不計。

[1]周幼吾,郭東信,邱國慶,等.中國凍土[M].北京:科學(xué)出版社,2000,3:12-14.

[2]張亞興.嘎隆拉隧道抗防凍及防排水技術(shù)的研究[D].重慶:重慶交通大學(xué),2009:83-84.

[3]蔡榮和.修建防寒水溝的幾點體會[J].路基工程,1992,(3):4-5.

[4]張 耀,何樹生,李靖波,等.寒區(qū)有隔熱層的圓形隧道溫度場解析解[J].冰川凍土,2009,31(1):113-118.