劉　浩

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢　430063)

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內外溫差對明挖隧道主體結構內力的影響研究

劉浩

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢430063)

摘要：明挖隧道內外溫差會使其襯砌結構產生附加應力，嚴重時會使隧道軸線方向的襯砌產生環(huán)向裂縫。通過對溫度進行現場監(jiān)測，獲得工程實際內外溫差，對其規(guī)律進行簡要分析并將其作為有限元計算的溫度邊界條件；采用ANSYS進行有限元計算，考慮明挖隧道主體結構修建完成和回填完成兩個階段，對隧道內部溫度低于外部溫度、隧道內部溫度高于外部溫度以及無溫差3種工況進行分析，得出溫差對隧道結構應力的影響規(guī)律。

關鍵詞：市政隧道；明挖隧道；內外溫差；結構應力；溫度監(jiān)測；有限元計算

明挖法隧道施工過程較為復雜，隧道施工期間，襯砌結構暴露在空氣中，會受到環(huán)境溫度變化的影響。環(huán)境溫度變化包括：大氣溫度隨季節(jié)和晝夜的變化；地下土層與大氣的溫差；襯砌結構施工時產生的水化熱。當隧道襯砌受到環(huán)境溫度影響時，由于混凝土的干縮、熱脹冷縮和圍巖的約束，將在襯砌內部產生附加應力，附加應力會使隧道軸線方向的襯砌內產生環(huán)向裂縫[1-4]。這些裂縫不僅影響隧道襯砌的受力，而且是隧道滲漏水的通道。周宜紅[5]等利用分布式光纖傳感器對隧道邊墻襯砌混凝土溫度進行全方位監(jiān)測，根據監(jiān)測數據對襯砌混凝土升溫和降溫過程中的溫度狀態(tài)進行對比分析，獲得該襯砌混凝土不同位置溫度變化規(guī)律。劉新宇[6]等對鋼筋混凝土超長結構進行了使用階段環(huán)境溫度影響下結構變形現場量測，并應用一維非穩(wěn)態(tài)熱傳導理論和溫度應力理論對環(huán)境溫度影響下隧道結構的溫度和變形進行計算。蒲春平[7]在分析了影響溫度應力各種因素的基礎上，通過推導巖石隧道溫度應力的計算公式，探討了由溫度應力引起的裂縫的開展規(guī)律。張永興，尹盛斌[8，9]分析了時間、溫度兩大因素對隧道襯砌表面裂縫的發(fā)展趨勢。程磊、白國權[10，11]則對鐵路隧道的混凝土在高巖溫環(huán)境下的耐久性進行了研究。

劉志春[12]、宋鶴等[13]對高寒、多年凍土情況下的隧道洞內外溫度進行了長期的實測與分析。為了研究寒冷地區(qū)隧道二次襯砌混凝土結構在環(huán)境溫度變化情況下的力學狀態(tài)，羅彥斌[14]提出了溫差引起的誤差修正公式，對隧道二次襯砌混凝土的溫度應力進行了分析。張學富[15]通過對隧道內的大氣溫度進行實測，利用三維有限元計算公式，計算分析了隧道未來的溫度特性。

明挖法隧道，同其他類型隧道相比，最大的不同之處在于：施工過程中土體側向壓力主要由基坑支護結構承擔，且襯砌結構暴露在空氣中，其表面溫度會隨著環(huán)境溫度改變而改變。目前國內外針對溫度的研究多集中于大型混凝土水化熱的研究以及對深大基坑的溫度影響，對于明挖法隧道的溫度影響研究還是少見的。

依托工程實例，對明挖法隧道進行溫度現場監(jiān)測并加以分析，研究其隧道結構內外產生溫差的原因以及結構產生附加應力的機理，并通過有限元數值模擬分析計算，對隧道結構的溫度場和應力場進行熱力耦合分析，研究了溫度應力對海中明挖法隧道受力變形的影響，為以后的明挖法隧道設計分析提供參考依據。

1工程概況(圖1)

澳門大學橫琴校區(qū)隧道是為澳門大學橫琴島新校區(qū)而修建的唯一專用通道，設雙向4車道+人行道，穿越十字門水道連接位于南海區(qū)域的珠海橫琴島與澳門路環(huán)島，全長約1.5 km。新校區(qū)和隧道建設由澳門政府出資，廣東省負責建成后整體移交澳門政府行政管轄，是“一國兩制”制度創(chuàng)新示范項目。為了滿足新校區(qū)兩年半整體建成的工期要求，隧道選用圍堰明挖法修建，即在十字門水道修筑兩道圍堰將中間海水抽干后，干作業(yè)施工530 m長的海中明挖隧道段。

隧道施工段分為3段，分別為橫琴側明挖隧道、海中明挖隧道、澳門側明挖隧道。其中，海中段隧道采用三孔一管廊的結構形式，隧道結構高度約10 m，寬度約32 m，設計頂板高程-16.26～5.57 m，底板高程-26.36～2.01 m，基坑開挖深度為18～25 m，設5～6道支撐。

圖1　澳門大學橫琴校區(qū)過海隧道位置

2M-M研究斷面地層條件及圍護結構設計

M-M斷面，里程K0+970～K1+100，處于海中段，開挖深度約25 m，開挖寬度約32 m。圍護結構采用鋼管樁，支撐采用4道鋼支撐和2道混凝土支撐。隧道底部土層較為軟弱，存在較厚的淤泥質土層，為減少沉降底部采用了基礎樁(鉆孔灌注樁)加固。

該斷面相關結構尺寸和參數見圖2。

圖2　澳門大學橫琴校區(qū)過海隧道橫斷面(單位：m)

根據鉆探揭露，場地內第四系覆蓋層地層巖性有人工素填土、細砂、第四系海陸交互沉積淤泥、第四系沖積黏土、淤泥質黏土、細中砂、中粗砂、礫砂及第四系殘積砂質黏性土。下伏基巖為燕山晚期花崗巖(全風化花崗巖、強風化花崗巖、中～微風化花崗巖等)。

3隧道溫度監(jiān)測方案

(1)監(jiān)測目的

施工階段對隧道襯砌內側溫度進行監(jiān)測，利用得到的溫度數據分析溫度產生的原因，以及溫度差對襯砌結構內力的影響，為以后的明挖結構設計提供參考。

運營階段對隧道襯砌內側溫度進行監(jiān)測，分析溫度變化的原因，以及溫度對結構性能的影響，研究溫度對隧道壽命的影響。

(2)監(jiān)測設備

溫度監(jiān)測設備采用JTM-T4000型溫度計和JTM-V10A型讀數儀進行監(jiān)測。

(3)監(jiān)測方法及測點布置

監(jiān)測方法：在襯砌澆筑之前，將溫度計綁扎在鋼筋籠上，將電纜線穿過鋼筋籠，預留在隧道內部，定時用讀數儀進行讀取數據并記錄。

測點布置：K0+760～K0+790，K0+910～K0+940，K0+970～K1+000，K1+090～K1+120；布置在以上4個里程段的襯砌結構側墻中部位置。

具體布置如圖3所示。

圖3　電纜線防滲水布置 (單位：mm)

(4)監(jiān)測頻率

襯砌內部溫度和坑內溫度監(jiān)測頻率均為施工階段1次/周、運營階段1～2次/月。

4隧道溫度監(jiān)測結果及分析

對2012-11-06～2012-12-27時間段內的襯砌外側土體、隧道內部環(huán)境的溫度變化進行了連續(xù)監(jiān)測。由于現場施工原因，部分測點被損壞，同時施工影響監(jiān)測人員不能夠按時進入隧道內部進行量測，故該階段數據并不完整，但不影響對整體溫度變化趨勢的判斷，將所得監(jiān)測數據整理后繪制變化曲線如圖4所示。

圖4　隧道襯砌內外側溫度變化

可以看出，襯砌外側土體溫度高于內側，溫差為2～4 ℃，但趨勢一致，說明襯砌外側土體溫度由于受到施工因素、土體保溫效應等影響比內側溫度高，但同時又受到環(huán)境溫度影響。該監(jiān)測結果在后續(xù)影響分析中將作為溫度邊界條件。

5溫差對結構內力的影響研究

采用有限元分析軟件ANSYS展開數值計算與分析，考慮實際施工過程，動態(tài)模擬基坑開挖，使得數值模擬計算結果更貼近實際，并結合溫度現場監(jiān)測數據，同時考慮溫度和結構受力的耦合作用，進一步分析結構內外溫差對明挖結構的實際影響，并給出建議。

(1)有限元模型建立

此次分析選取典型斷面M-M斷面，該斷面是該隧道開挖最深的斷面。有限元分析模型計算范圍取224 m(寬)×100 m(深)，其中開挖面兩側取開挖寬度的3倍，計算深度由于基礎樁較深，為充分考慮其影響范圍，故取開挖深度的4倍，根據以往基坑工程的實踐經驗，該計算域取值范圍完全能反映基坑真實的變形特征。其中土體以及結構單元均采用實體plane單元；基礎樁、圍護樁以及支撐采用梁單元。具體模型及網格劃分如圖5所示。

圖5　網格劃分

(2)材料參數選取

參數選取也要考慮兩方面，一方面是物理力學參數，另一方面是熱力學參數。其力學參數也分兩部分，一部分是土層的力學參數，另一部分是結構的力學參數。土層的力學參數可以根據地質勘察資料提供的建議值確定；結構的力學參數根據設計中所用的材料截面進行等效換算其面積與剛度等參數。熱力學參數并未給出，查閱以前學者做的相關資料以及類比工程實例進行選取確定，其中混凝土的膨脹系數可以認為不隨溫度變化而變化。具體參數可參見表1、表2。

表1　材料參數

表2　截面等效參數

(3)動態(tài)模擬施工過程

第1步：殺死圍護樁、基礎樁和支撐單元；

第2步：激活圍護樁、基礎樁和第1道支撐；

第3步：開挖第1層土和激活第2道支撐，模擬為激活第2道支撐單元并“殺死”第1層土層單元；

第4步：開挖第2層土和激活第3道支撐；

第5步：開挖第3層土和激活第4道支撐；

第6步：開挖第4層土和激活第5道支撐；

第7步：開挖第5層土和激活第6道支撐；

第8步：開挖第6層土；

第9步：施工隧道襯砌結構，模擬為激活隧道結構單元；

第10步：土體回填，拆除支撐，模擬為“殺死”支撐單元，激活土體單元并更改土體參數。

(4)計算工況分析

主要分析明挖隧道結構內力受溫差的影響，考慮施工階段明挖隧道修建完成和回填完成2種工況。根據現場溫度監(jiān)測數據可知，隧道修建完成但尚未回填時隧道內外溫差為2～5 ℃，且隧道內部溫度低于隧道外部溫度(靠近土體一側)；回填完成但尚未通車時，隧道內外溫差為1～4 ℃。故在此選擇2種典型工況分析溫度對隧道結構內力的影響。

隧道修建完成：隧道內部溫度低于隧道外部溫度，溫差為5 ℃；隧道內部溫度高于隧道外部溫度，溫差為5 ℃(用于對比分析及考慮特殊情況)。

回填完成：隧道內部溫度低于隧道外部溫度，溫差為4 ℃；隧道內部溫度高于隧道外部溫度，溫差為4 ℃(用于對比分析及考慮特殊情況)。

6隧道修建完成階段溫差影響分析

根據上述數值模型、參數選取及工況分析，利用有限元軟件進行溫差對隧道結構的影響分析。分析主要選取在隧道澆筑完成尚未回填階段，同時溫度工況選擇隧道內部溫度低于隧道外部溫度、隧道內部溫度高于隧道外部溫度及不考慮溫度3種情況。

由于選取分析的節(jié)點為隧道澆筑完成尚未回填，故頂板是暴露在空氣中的，因此此處定義溫度荷載時，隧道頂板外側溫度與隧道內部溫度取值相同。隧道外側和內側溫度定義均參考前述溫度監(jiān)測數據。

根據材料力學中的4種強度理論，并考慮到工程實際，本節(jié)針對計算結果進行重點分析，主要選取隧道結構的第一主應力、第三主應力和Von Mises應力作為主要應力加以探討研究。將不同工況下對應的應力云圖進行比較分析，研究溫差影響對結構應力整體趨勢的影響，得出定性的結論。

此次有限元分析中樁基礎與底板直接接觸，同時隧道各角點并未做倒角處理，故存在應力集中現象。直接分析應力極值并不能反映溫度實際影響，同時不同溫度工況下應力極值不同。由于有限元計算云圖默認根據極值大小自動分配云圖顏色，所以會產生在不同云圖下相同應力的云圖顏色不同的現象，那么直接對于云圖進行定性分析并不能直觀的得出溫差對隧道結構應力的影響，故應該對應力云圖進行后期處理，將同一個主應力不同工況下的云圖圖例調整一致，這樣就可以直觀的從云圖顏色對比看出溫差的影響。具體分析如下。

圖6　第一主應力對比

圖6為隧道結構在3種不同工況下的第一主應力對比。從圖中可以看出，相比不考慮溫度影響而言，當隧道內部溫度低于隧道外部溫度時，頂板應力略有增大，側墻中部應力明顯增大，底板中部隧道內側應力增大，靠近土體側變化較??；當隧道內部溫度高于隧道外部溫度時，頂板應力變化較小，側墻中部應力有所減小，底板中部靠近土體側應力略有增大。

圖7　第三主應力對比

圖7為隧道結構在3種不同工況下的第三主應力對比。從圖中可以看出，相比不考慮溫度影響而言，當隧道內部溫度低于隧道外部溫度時，頂板應力基本不變，側墻中部應力明顯增大，底板隧道內側應力絕對值減小，尤其是在每個跨的跨中變化最為顯著，底板靠近土體側應力絕對值增大；當隧道內部溫度高于隧道外部溫度時，頂板應力絕對值有所增大，側墻中部應力有所增大，底板中部隧道內側應力絕對值有所增大，靠近土體側應力絕對值略有減小。

圖8　Von Mises應力對比

圖8為隧道結構在3種不同工況下的Von Mises應力對比。從圖中可以看出，相比不考慮溫度影響而言，當隧道內部溫度低于隧道外部溫度時，其整體應力明顯增大，尤其是側墻和頂底板跨中應力，但個別點處應力有所減小，比如側墻和頂板的交點處；當隧道內部溫度高于隧道外部溫度時，整體應力明顯增大，尤其是頂底板最為顯著，側墻應力變化相對較小?？偟膩碚f，當考慮溫度影響，其應力整體趨勢是增大的，個別點應力略有不同。

7回填完成階段溫差影響分析

分析主要選取在回填完成尚未通車階段，同時溫度工況選擇隧道內部溫度低于隧道外部溫度、隧道內部溫度高于隧道外部溫度及不考慮溫度3種情況。隧道外側和內側溫度定義均參考前述溫度監(jiān)測數據。

圖9為隧道結構在3種不同工況下的第一主應力對比。從圖中可以看出，相比不考慮溫度影響而言，當隧道內部溫度低于隧道外部溫度時，頂板跨中應力明顯增大，側墻上角點應力和底板中部靠近土體側應力略有增大；當隧道內部溫度高于隧道外部溫度時，頂板跨中應力、側墻上角點應力和底板中部靠近土體側應力均有所減小，側墻中部應力變化較小。

圖9　第一主應力對比

圖10為隧道結構在3種不同工況下的第三主應力對比。從圖中可以看出，相比不考慮溫度影響而言，當隧道內部溫度低于隧道外部溫度時，頂板應力和側墻跨中應力絕對值均增大，而側墻與頂底板拐角處應力增大，底板應力絕對值也略有增大；當隧道內部溫度高于隧道外部溫度時，頂板應力和側墻上角點應力絕對值略有減小，側墻下角點應力有所減小，底板中部隧道內側應力絕對值有所增大。

圖10　第三主應力對比

圖11為隧道結構在3種不同工況下的Von Mises應力對比。從圖中可以看出，相比不考慮溫度影響而言，當隧道內部溫度低于隧道外部溫度時，隧道結構整體應力大體有所增大，尤其是頂板跨中應力最為顯著，底板部分點處應力有所減小；當隧道內部溫度高于隧道外部溫度時，頂板跨中應力略有減小，但頂板其余部分位置略有增大，側墻中部和底板中部應力增大，拐角處應力有所減小。

圖11　Von Mises應力對比

8結論

(1)襯砌外側土體溫度受施工因素、土體保溫效應等影響，其外側土體溫度比內側溫度高，溫差為2～4 ℃，但其變化趨勢一致。

(2)溫差對明挖結構的位移影響不大，若無特殊情況基本可以忽略不計；對于內力有一定影響。隧道修建階段，當隧道襯砌內外有溫差時，其結構應力會有所增大；回填完成階段，當隧道襯砌內外有溫差時，其結構應力會有所增大，但相比隧道修建階段而言影響較小。

(3)當隧道內溫度低于隧道外部溫度時，隧道修建階段和回填完成階段隧道結構的最大Von Mises應力和最大第一主應力比不考慮溫度時均明顯增大，尤其是頂底板中點和拐角點處最為顯著，對結構是不利的，工程中需特別注意。

(4)當隧道內溫度高于隧道外部溫度時，隧道修建階段和回填完成階段隧道結構內側最大Von Mises應力和最大第一主應力比不考慮溫度時均有所減小，而靠近土體側部分點的最大Von Mises應力或者最大第一主應力略有增大，認為對結構是有利的，在實際工程中仍需注意個別點處應力過大造成結構損傷。

(5)實際工程中溫差對結構應力的影響是不可忽視的，同時施工階段溫差對結構應力的影響要大于回填完成階段溫差對結構應力的影響。

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收稿日期：2015-11-09； 修回日期：2015-12-24

作者簡介：劉浩(1980—)，男，高級工程師，2005年畢業(yè)于同濟大學巖土工程專業(yè)，E-mail：68343670@qq.com。

文章編號：1004-2954(2016)06-0065-06

中圖分類號：U451

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.06.014

Influence of Internal and External Temperature Difference on Structural Stress of Open-excavated Tunnel

LIU Hao

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，Ltd.，Wuhan 430063，China)

Abstract：Additional stress may be generated by internal and external temperature difference in open-excavated tunnel，and circumferential cracks appear in tunnel lining along the axial direction where the stress is big enough. Internal and external temperature difference in engineering site is obtained by field monitoring to analyze the controlling factors，which are regarded as FEM temperature boundary condition. Finite element method calculation with ANSYS is employed to analyze the working conditions where the temperature inside the tunnel is below the external temperature，the temperature inside the tunnel is higher than the external temperature and there is no temperature difference with a view to the two stages of the completion of the main structure of the open-excavated tunnel and the completion of backfilling. As a result，the influencing law of temperature difference on structural stress is concluded．

Key words：Municipal road tunnel; open-excavated tunnel; Internal and external temperature difference; Structural stress; Temperature field monitoring; Finite element calculation