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        季凍區(qū)客運專線隧道局部存水凍脹對襯砌力學(xué)性能的影響分析

        2019-11-18 09:15:56王雪來崔光耀侯占鰲呂曉聰
        高速鐵路技術(shù) 2019年5期
        關(guān)鍵詞:凍脹力拱頂安全系數(shù)

        王雪來 崔光耀 侯占鰲 呂曉聰

        (1. 北方工業(yè)大學(xué), 北京 100144;2. 中鐵隧道集團一處有限公司, 重慶 401121)

        目前,國內(nèi)外在建或已建成的部分寒區(qū)隧道在施工或運營階段都不同程度地出現(xiàn)了凍害現(xiàn)象,影響到隧道的正常運營。我國在東北等高緯度嚴寒地區(qū)修建的隧道中,有許多處于凍土區(qū)域,對這些隧道冰凍災(zāi)害進行調(diào)查后,發(fā)現(xiàn)有約80%的隧道存在凍害,可見我國對隧道防凍技術(shù)的研究迫在眉睫[1-2]。

        對于季凍區(qū)隧道的研究,主要應(yīng)用局部存水凍脹模型、破碎凍融圈整體凍脹模型以及含水風(fēng)化層凍脹模型三大凍脹模型來研究其凍脹機理。局部存水凍脹模型認為,隧道初支和二襯之間存在儲水的空間,溫度降低時,儲水空間中的水將會結(jié)冰,并且由于不斷的水源補給遷移至冰面將會形成巨大的凍脹力。破碎凍融圈整體凍脹模型認為,隧道襯砌一定深度范圍的圍巖形成凍結(jié)圈,凍結(jié)圈范圍的巖石中孔隙均勻且飽和,則凍結(jié)圈范圍內(nèi)的水凍成冰由將整體凍脹,從而對隧道襯砌產(chǎn)生凍脹力。含水風(fēng)化層凍脹模型認為,凡是有凍害的隧道,襯砌周邊的圍巖均有10~20 cm左右厚的風(fēng)化層,凍脹力正是由緊貼襯砌的圍巖含水風(fēng)化層的凍脹而產(chǎn)生的[3-6]。

        國內(nèi)外有關(guān)專家、學(xué)者對季凍區(qū)隧道的凍脹機理及抗凍措施等進行了部分研究,主要有:張祉道等人對三大凍脹模型的優(yōu)缺點進行了探討并提出的凍脹力計算公式以及建議的保溫結(jié)構(gòu),可供設(shè)計工作者參考[7];李集光通過研究隧道病害特點及區(qū)域適應(yīng)性,提出了已損二次襯砌加強和增設(shè)防寒保溫措施的相關(guān)處治方案[8];程濤等人基于伴有相變的瞬態(tài)傳熱理論和abaqus有限元模型模擬了圍巖凍結(jié)溫度場動態(tài)分布規(guī)律以及圍巖凍脹后的襯砌內(nèi)力及變形特征[9];董宇倉等人采用理論分析與數(shù)值模擬方法,對鐵路隧道在不同斷面形式、圍巖級別以及襯砌背后不同積冰厚度和積冰位置時,襯砌結(jié)構(gòu)凍脹力大小及分布規(guī)律進行了研究[10]。綜上,目前針對寒區(qū)隧道積冰位置不同對襯砌結(jié)構(gòu)影響方面的研究較少。本文依托吉圖琿客運專線五峰山隧道,運用有限元數(shù)值模擬技術(shù),對不同積冰位置情況下,局部存水凍脹力對隧道襯砌力學(xué)性能的影響進行了分析,研究成果可為季凍區(qū)隧道抗凍設(shè)計及凍害整治提供參考。

        1 吉圖琿客運專線五峰山隧道工程概況

        1.1 地質(zhì)條件

        吉圖琿客運專線五峰山隧道位于吉林省安圖縣石門鎮(zhèn)龍城屯附近,隧道進口位于龍城屯東南約300 m處,出口位于榆樹川西側(cè)的陡坡上。隧道地處敦化隆起與延吉盆地的交界部位,地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育,隧址區(qū)域內(nèi)受構(gòu)造影響,華力西晚期巖漿巖侵入強烈,隧址區(qū)通過地層主要表層為華力西晚期第二、第三花崗巖。

        1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

        五峰山隧道斷面為馬蹄形,跨度13.62 m,高度10.31 m。隧道全長 3 705 m,最大埋深283 m。隧道洞身段二次襯砌采用C30素混凝土,厚度40 cm。

        2 凍脹力計算

        襯砌結(jié)構(gòu)所受的凍脹力是由襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖之間積存的水體凍脹引起的,其方向始終垂直于襯砌結(jié)構(gòu)。根據(jù)寒區(qū)硬巖隧道凍脹力產(chǎn)生的機理,范磊等人推導(dǎo)了凍脹力的計算公式[11]:

        (1)

        式中:α——冰的凍脹率;

        t——水體深度;

        Krm——圍巖的彈性抗力系數(shù)的平均值;

        K1m——襯砌結(jié)構(gòu)的彈性當量系數(shù)的平均值;

        Kim——冰的彈性當量系數(shù)的平均值。

        根據(jù)設(shè)計資料,隧道襯砌采用C30素混凝土,襯砌厚度40 cm,襯砌的彈性當量系數(shù)取75 kPa/mm。隧道圍巖為Ⅳ級圍巖,圍巖的彈性抗力系數(shù)取500 kPa/mm,冰的彈性當量系數(shù)的平均值取175 kPa/mm。冰的凍脹率取10%。具體計算參數(shù)如表1所示。

        表1 計算參數(shù)

        通過局部存水凍脹力的計算公式(1),計算得到局部存水凍脹力大小為0.91 MPa。

        3 襯砌力學(xué)性能影響分析

        3.1 計算模型

        根據(jù)設(shè)計資料,用ANSYS軟件對隧道建立地層結(jié)構(gòu)模型。襯砌材料按線彈性考慮。襯砌材料采用BEAM單元,圍巖材料采用PLANE42單元,建立計算模型并劃分網(wǎng)格單元。計算模型如圖1所示。

        圖1 計算模型圖

        3.2 計算工況

        為研究不同積冰位置,局部存水凍脹力對隧道襯砌力學(xué)性能的影響,建立8組計算模型進行對比研究,如表2所示。

        表2 計算工況

        選取計算工況各監(jiān)測斷面的拱頂、左拱肩、左邊墻,如圖2所示。

        圖2 隧道監(jiān)測點布置形式圖

        3.3 內(nèi)力分析

        提取不同工況襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力(以工況1、2、5、8彎矩為例),如圖3所示。提取各工況襯砌結(jié)構(gòu)最大彎矩值,并與工況1進行對比,如表3所示。

        上述農(nóng)諺即是農(nóng)民長期經(jīng)驗的總結(jié),不管是農(nóng)作物栽種、施肥還是五畜飼養(yǎng)都要具體問題具體分析,根據(jù)各自的特點,尊重客觀規(guī)律,做到一切從實際出發(fā)。

        圖3 各工況隧道襯砌彎矩圖

        表3 各工況最大彎矩值

        由圖3及表3可知,施加局部凍脹力后,隧道襯砌受力處彎矩突變明顯,襯砌最大彎矩值與工況1相比有明顯提高,最大提高3.49倍。

        3.4 安全系數(shù)

        提取各監(jiān)測點的彎矩、軸力值,由公式(2)、公式(3)計算襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)[12],計算結(jié)果如表4所示。

        KN≤φαRabh

        (2)

        (3)

        式中:b——截面寬度,取1 m;

        h——截面厚度;

        Ra——混凝土抗壓極限強度;

        K——安全系數(shù);

        φ——構(gòu)件縱向彎曲系數(shù);

        α——軸向力偏心影響系數(shù)。

        表4 各工況最小安全系數(shù)

        繪制各種工況的安全系數(shù)包絡(luò)圖(以工況1、2、5、8為例),如圖4所示。

        圖4 各工況隧道襯砌安全系數(shù)包絡(luò)圖

        由表4及圖4可知,當凍脹力分別作用在隧道拱頂、拱肩、拱腰時,隧道安全系數(shù)相較于無凍脹力作用時都會降低,當凍脹力作用于拱頂時,安全系數(shù)降低更為顯著。當存水位置位于隧道拱頂時,影響最大,結(jié)構(gòu)安全系數(shù)最小值由10.33降至4.62,下降55.28%。

        4 結(jié)論

        (1)局部存水凍脹可對隧道結(jié)構(gòu)安全性造成一定的不利影響,存水位置不同,影響程度有所差別。

        (2)施加局部凍脹力后,隧道襯砌受力處彎矩突變明顯,襯砌最大彎矩值與工況1相比有明顯提高,最大提高3.49倍。

        (3)當隧道拱頂、拱肩、拱腰處積冰時,隧道安全系數(shù)相較于無凍脹力作用時都會降低,當拱頂處積冰時,結(jié)構(gòu)安全系數(shù)降低更為顯著,安全系數(shù)最小值由10.33降至4.62,下降55.28%。

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