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        寒區(qū)隧道襯砌周邊凍脹力及防治措施研究

        2021-04-22 05:51:32周有祿
        鐵道勘察 2021年2期
        關(guān)鍵詞:圍巖變形措施

        劉 萌 周有祿

        (1.甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院,蘭州 730050; 2.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司,蘭州 730000)

        我國寒區(qū)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(qū)分布有豐富的自然資源,為了有效開發(fā)和利用自然資源,需在寒區(qū)修建鐵路和公路,而在建設(shè)過程中必然會遇到隧道。

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

        目前,國內(nèi)外學(xué)者對隧道建設(shè)進(jìn)行大量研究,但對于高寒地區(qū)的隧道防凍害技術(shù)研究相對較少[6]。為研究高寒地區(qū)高標(biāo)準(zhǔn)鐵路隧道建設(shè)中的凍脹及防治措施等問題,基于有限元軟件構(gòu)建寒區(qū)隧道凍脹模型,探討圍巖性質(zhì)、含水率和襯砌彈性模量對凍脹力的影響,提出高寒地區(qū)隧道凍害防治原則,對凍害等級進(jìn)行劃分,并提出防治措施建設(shè),為高寒地區(qū)的隧道建設(shè)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(qū),平均海拔在3 000 m以上,最高海拔為3 292 m。隧道工程區(qū)主要為石炭系上統(tǒng)砂巖,山坡坡面分布有第四系粉土、細(xì)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(gòu)造裂隙水,與隧道關(guān)系較密切的為基巖裂隙水和構(gòu)造裂隙水。具有春季多雪多風(fēng),夏季涼爽多雨,秋季溫和暫短,冬季寒冷漫長的氣候特點(diǎn)[7]。

        2 數(shù)值分析

        2.1 數(shù)學(xué)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(yīng)力場耦合計算可簡化為平面應(yīng)變問題,隧道有限元模型如圖1所示。平面應(yīng)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(shù)、比熱及導(dǎo)熱系數(shù)來考慮溫度與應(yīng)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(shè)置為1,僅考慮受壓狀態(tài)。

        圖1 有限元模型

        數(shù)值模擬參數(shù)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(shù)取值見表1和表2。

        表1 物理力學(xué)參數(shù)

        表2 熱力學(xué)參數(shù)

        2.2 襯砌凍脹力分析

        數(shù)值分析的凍脹力定義:凍結(jié)前后圍巖與結(jié)構(gòu)接觸壓力的差值(提取LINK10的軸向壓應(yīng)力),以符號σd表示。根據(jù)數(shù)值分析結(jié)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(jù)此確定各影響因素下凍脹力的變化規(guī)律。

        3 結(jié)果分析

        3.1 圍巖性質(zhì)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(huán)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(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中和外荷載作用下襯砌的不均勻變形導(dǎo)致。此外,圍巖性質(zhì)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(diǎn))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(diǎn))減幅最大,從1.161 MPa減至0.003 MPa;對于最大凍脹力(4號點(diǎn)),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(jiān)測點(diǎn)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(dāng)氣溫降低時,隧道圍巖中的水將會變成冰,導(dǎo)致體積膨脹,是圍巖-襯砌接觸面產(chǎn)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(jié)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(dāng)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(jiān)測點(diǎn)處凍脹力的增幅見表4所示。

        表4 各監(jiān)測點(diǎn)凍脹力隨含水率的增幅

        當(dāng)含水率由10%增至20%時,拱頂處(1號點(diǎn))的增幅最大,凍脹力從1.034 MPa增至2.117 MPa,當(dāng)含水率由20%增至30%時,墻腳處(5號點(diǎn))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(diǎn)),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(xiàn)場表明,寒區(qū)隧道的凍脹力對水分特別敏感,在隧道設(shè)計和施工階段,宜做好防排水措施,減少圍巖中的水分,達(dá)到降低凍脹力,提高運(yùn)營期寒區(qū)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(dāng)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(qiáng),這跟含水率高低對襯砌凍脹力的影響類似,但同樣各監(jiān)測點(diǎn)處的增幅不同(見表5):當(dāng)彈性模量從8 GPa增至16 GPa時,拱腳處(3號點(diǎn))的增幅最大,凍脹力從0.455 MPa增至0.662 MPa,增幅達(dá)31.27%,當(dāng)彈性模量從16 GPa增至32 GPa時,仰拱中心處(6號點(diǎn))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(diǎn)),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(guān)。在相同條件下,襯砌對圍巖的約束變形越強(qiáng),其對襯砌的凍脹力就越大,反之則越小。從混凝土的力學(xué)性能可知,約束力的大小和混凝土應(yīng)變相關(guān),即混凝土彈性模量越大,其抵抗變形的能力越強(qiáng),約束力越大[9]。當(dāng)襯砌周圍的圍巖發(fā)生凍脹時,襯砌能夠發(fā)生一定的變形,可以一定程度上減少凍脹力[10]。上述現(xiàn)象說明,容易產(chǎn)生凍脹現(xiàn)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(dāng)增加混凝土變形來降低凍脹力對襯砌的作用,達(dá)到保護(hù)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(jiān)測點(diǎn)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(nèi)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(qiáng)度,增強(qiáng)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(jié)過程中凍脹力作用。

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

        4.2 防排水

        高寒區(qū)隧道防、排水措施對降低隧道凍害程度起著至關(guān)重要的作用,成功的防水、排水措施能夠使隧道圍巖發(fā)生凍脹時襯砌結(jié)構(gòu)不破壞,排水設(shè)施不凍結(jié)[13]。

        高寒區(qū)隧道建設(shè)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(qū)隧道圍巖大多不同程度含水,一般情況下,需設(shè)縱向?qū)?,在邊墻之?nèi)設(shè)集水盲井和排水溝或泄水洞[14]。這些措施能否發(fā)揮其功能,取決于這些排水設(shè)置能否真正構(gòu)成暢通無阻集排水系統(tǒng)。這就要求排水設(shè)施布設(shè)位置與深度要合理,最好布設(shè)在最大凍結(jié)深度范圍之外。若配合保溫、加熱等措施,也可以適當(dāng)減小埋深。

        4.3 隔熱保溫材料

        高寒區(qū)隧道工程中常采用保溫隔熱材料來減少凍結(jié)深度和消減凍脹力作用。其中,噴涂發(fā)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(dāng)在初襯和二次襯砌中間設(shè)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(jù)以上分析,提出高寒區(qū)隧道凍害防治綜合措施如下。

        ①在隧道進(jìn)出口段落設(shè)置加強(qiáng)配筋的抗凍混凝土;②在隧道洞口圍巖和襯砌之間設(shè)置保溫隔熱處理的隔熱層;③通過圍巖預(yù)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(qiáng)隧道進(jìn)出口段防排水措施,將排水設(shè)施增加埋設(shè)深度和防寒措施,有必要時可在洞口附近增設(shè)加熱措施。

        4.4 寒區(qū)隧道凍害設(shè)防等級及措施建議

        根據(jù)以上分析,在高寒區(qū)修建隧道,從襯砌凍脹力及洞內(nèi)結(jié)冰情況考慮,提出高寒區(qū)隧道凍害等級及相應(yīng)設(shè)防措施(見表6)。

        表6 寒區(qū)隧道凍害等級及相應(yīng)設(shè)防措施

        5 結(jié)論

        (1)受隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)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(zhì)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(jié)構(gòu)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(dāng)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(qiáng),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(guān),寒區(qū)隧道在做好防水的同時,在變形允許的條件下,宜適當(dāng)降低襯砌結(jié)構(gòu)的彈性模型,以減少作用在襯砌上的凍脹力。

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

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