当金山隧道防寒泄水洞适宜埋设位置数值分析

刘利玮,何文社,路仕洋,曾祥茜

(1.兰州交通大学土木工程学院,兰州　730070； 2.甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室,兰州　730070；3.中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安　710043)

随着兰新铁路、青藏铁路的修建，预示着修建寒区隧道已成为发展西部经济的重要途径[1]。作为沟通新疆、青海、甘肃、西藏四省区便捷通道的重要枢纽，当金山隧道的正常运营任重而道远。由于隧道所处地海拔2 864 m，昼夜温差极大，冬季寒冷常年积雪，决定了当金山隧道为高海拔寒区隧道。

寒区隧道工程是基础建设中的一项特殊工程，冻害是影响寒区隧道正常使用年限的重要因素，而冻害产生的本质是隧道内部排水体系尚未完善。目前，我国寒区隧道排水系统包括保温水沟、中心深埋水沟、防寒泄水洞以及盲沟、横沟、横导洞等配套排水设备[2]。在寒冷地区，如果工程所在地最冷月平均气温低于-25 ℃，当地黏性土的冻结深度大于2.5 m，可以采用防寒泄水洞。寒冷和严寒地区冬季有水的隧道，由于气温低，水沟内水流容易冻结，从而引起隧道内线路冻胀隆起等一系列冻害现象，影响安全行车[3]。随着寒区隧道防寒泄水洞的大量运用，防寒泄水洞不同埋置深度问题将会对隧道结构稳定，工程造价以及隧道正常运营等方面产生较大的影响。因而，防寒泄水洞适宜埋置深度将具有一定的研究空间，为实际工程施工提供相应的理论根据。

本文以当金山隧道为例[4]，利用MIDAS/GTS有限元软件，取里程DK195+390～DK195+490同时含有主隧道、平导及防寒泄水洞的100 m为研究对象[5]。以平导超前防寒泄水洞，防寒泄水洞超前主隧道模拟开挖过程[6]。(1)以主隧道拱底为基准，在竖直方向调整防寒泄水洞与主隧道间距。(2)以主隧道与平导间距中点为基准，在水平方向上调整防寒泄水洞位置。由《公路隧道设计细则》(TG/T D70—2010)相关规定，考虑最大冻结深度及工程造价，泄水洞不同方向距离调整均在小范围内进行。通过上述(1)、(2)两方面的数值模拟，从位移及应力变化两方面对比分析，从而确定当金山隧道防寒泄水洞适宜埋设位置[7]。具体方案设计如表1所示。

表1　方案设计

1　工程概况

1.1　地形及水文条件

当金山隧道位于甘肃省阿克塞县境内，线路在长草沟以20.14 km的隧道穿越祁连山-阿尔金山的分水岭当金山[8]。隧道进口高程为2 864.83 m，出口高程为3 107.00 m，位于当金山中高山区，沟谷大多呈“V”字形，地表风化严重，岩体破碎。隧道属高寒半干旱气候区，季节性温差较大，多年平均气温3.1 ℃，最低-34.3 ℃，最热35.9 ℃，相对湿度在30%；年平均降水量127 mm，年平均蒸发量为3 297.9 mm，最冷月平均气温-13.1 ℃，最大积雪厚度约16 cm，最大冻结深度为235 cm。

1.2　地质构造

当金山山区基岩裸露，仅在山体南北两侧及山间断陷盆地中有第四系地层覆盖，隧道洞身主要通过第四系、志留系、长城系、加里东期花岗岩及构造岩[9]。敦煌附近分布第四系全新统湖相及沼泽相沉积的黏性土及冲、洪积成因的砂类土、次生黄土。当金山、塞什腾山等山区基岩裸露，出露第三系、侏罗系、石炭系、泥盆系、志留系、奥陶系震旦系等地层。沉积岩，变质岩，岩浆岩均有出露，岩性复杂多变，软硬交互。Ⅱ～Ⅲ级围岩占52.81%，Ⅳ～Ⅴ级围岩占47.19%

2　模型建立及参数确定

2.1　计算模型的建立

当金山隧道最大埋深764 m，最小埋深52 m。模型左右边界按距离隧道轮廓线5倍洞径取值，考虑防寒泄水洞竖向距离及埋深，因此上下边界按照距离隧道轮廓线5倍洞高取值[10]。取隧道平均埋深300 m进行模拟，上边界施加6.04 MPa的法向均布荷载，以模拟上覆岩层的自重。主隧道、平导及防寒泄水洞具体位置如下：平导位于主隧道左侧40 m处，防寒泄水洞位于主隧道与平导下方，且平导拱底低于主隧道拱底1.02 m。当金山隧道工程实体图、模型网格划分及三者之间位置关系如图1所示。

图1　工程实体图及模型网格划分(单位：m)

数值模拟按以下假定进行[11]：(1)围岩为连续均质体，且服从摩尔-库伦准则；(2)忽略底层构造应力，初始应力场由自重场构成。

2.2　施工过程模拟及材料力学参数确定

施工时采用台阶法，以平导超前防寒泄水洞，防寒泄水洞超前主隧道开挖。以10 m为一个循环进尺，隧道进深方向取100 m，分为10个工步掘进[12]。主隧道、平导以及防寒泄水洞初期支护均采用C25喷射混凝土，支护滞后开挖位置一个工步。具体施工过程如表2所示。结合文献[13]，围岩及支护措施力学参数如表3所示。

表2　施工过程

表3　围岩、支护材料力学参数

3　计算结果及分析

3.1　防寒泄水洞与主隧道拱底不同竖向距离条件下位移变化情况分析

隧道开挖是围岩打破自身三轴应力状态且进行应力重分布的过程，由于围岩特殊水平层理构造，将导致隧道临空面产生鼓胀、破裂、折断及脱落[14]。因此通过比较分析防寒泄水洞在不同位置处，隧道开挖时各洞位移与应力变化情况来确定当金山隧道防寒泄水洞适宜埋设位置[7，15]。图2为防寒泄水洞在不同位置处隧道横剖面部分位移云图。由图2可见，在3 m处主隧道位移等值线略小于平导，这与最终稳定后的值略有出入。主要是因为模拟开挖长度较小，围岩变化还没达到稳定状态所致。

图2　防寒泄水洞与主隧道拱底不同竖向距离条件下位移云图(单位：m)

图3为防寒泄水洞与主隧道拱底不同竖向距离条件下主隧道各控制点位移变化。由图3可见，主隧道各控制点位移变化趋势基本一致，在位移值上表现为拱顶最大，拱底次之，拱脚最小。由于施加初期支护，在埋深相同的情况下，拱底位移值大于拱脚。拱顶与拱脚位移值在竖向距离为4～6 m处较小，拱底位移值在竖向距离为3～5 m时较小。

图4为防寒泄水洞与主隧道拱底不同竖向距离条件下平导各控制点位移变化。由图4可见，平导各控制点位移变化整体趋势基本与主隧道一致，但变化幅度比主隧道较小。是由于主隧道断面较平导大，水平层理对其影响大，进而围岩向临空面产生的位移较大。当开挖完成后围岩达到稳定状态时，同一竖向距离条件下，主隧道位移值大于平导，较符合实际情况。当泄水洞与主隧道拱底竖向距离处于3～5 m时，各控制点位移变值较小。

图5为防寒泄水洞与主隧道拱底不同竖向距离条件下自身各控制点位移变化。由图5可见，防寒泄水洞拱底位移值较大，主要是受地层埋深加大所致。拱顶处位移值比拱底处小，是由于主隧道及平导拱底隆起抵消了防寒泄水洞拱顶部分沉降量。

图3　主隧道各控制点位移

图4　平导各控制点位移

图5　防寒泄水洞各控制点位移

由上述分析可知，防寒泄水洞开挖过程当中，主隧道、平导及防寒泄水洞三者之间的影响是相互的。当防寒泄水洞与主隧道拱底竖向距离为4～6 m时，主隧道、平导及防寒泄水洞变化情况处于相对最佳阶段。

通过对比分析雁口山隧道(Y)埋深25 m情况与当金山隧道(D)埋深300 m情况下主隧道及防寒泄水洞各控制点位移变化(表4、表5所示)可知，主隧道及防寒泄水洞各控制点位移变化规律基本一致。但本文主隧道及平导拱脚隆起量相比拱顶沉降量小，是由于防寒泄水洞拱顶沉降抵消了部分隆起量。

表4　主隧道各控制点位移变化量对比分析

表5　防寒泄水洞各控制点位移变化量对比分析

3.2　防寒泄水洞与主隧道拱底不同竖向距离条件下应力变化情况分析

图6为防寒泄水洞与主隧道拱底不同竖向距离条件下主隧道各控制点应力变化。由图6可见，防寒泄水洞开挖对主隧道拱顶第一主应力影响不大，是由于初期支护一定程度上降低了沉降量。主隧道各控制点第一主应力在竖向距离5 m时发生转变。在3～5 m范围内呈现稳定状态。

图7为防寒泄水洞与主隧道拱底不同竖向距离条件下平导各控制点应力变化。由图7可见，相对于拱顶，拱底及拱脚处的第一主应力所受影响较大。各控制点在竖向距离为3～5 m时应力值较小，变化趋势相对平缓

图8为防寒泄水洞与主隧道拱底不同竖向距离条件下自身各控制点应力变化。由图8可见，拱底第一主应力应力值在竖向距离为5～6 m范围内较小，拱顶第一主应力在竖向距离为4～6 m范围内呈现稳定状态。

通过对比分析雁口山隧道(Y)埋深25 m情况与当金山隧道(D)埋深300 m情况下主隧道及防寒泄水洞各控制点应力变化(表6、表7所示)可知，主隧道及防寒泄水洞应力变化趋势也基本一致，在防寒泄水洞与主隧道竖向距离为5 m处基本处于谷值，两者主隧道及防寒泄水洞应力在拱底处均表现为最小值。

图6　主隧道各控制点应力

图7　平导各控制点应力

图8　防寒泄水洞各控制点应力

防寒泄水洞距主隧道距离/m2345678拱顶2250213020402000203020702130D/kPa拱底1980133011501220127013601590拱脚2930268025102290312031603200拱顶232233230228230231232Y/kPa拱底84757372738280拱脚823810795792794795794

结合位移及应力变化情况，在综合考虑隧址区最大冻结深度、安全经济要求以及结构影响等因素，最终确定当金山隧道防寒泄水洞与主隧道拱底适宜竖向距离为5 m。经工程施工现场确认可知，当金山隧道防寒泄水洞实际位置为距离主隧道仰拱5 m处，故本文数值模拟结果较符合工程实际设计要求。

表7　防寒泄水洞各控制点应力变化量对比分析

3.3　防寒泄水洞与主隧道在水平方向不同净距条件下位移变化情况分析

由于当金山隧道平导拱底低于主隧道拱底1.02 m；为了兼顾平导结构稳定，因此在确定防寒泄水洞与主隧道拱底竖向距离为5 m的基础上，调整防寒泄水洞与主隧道在水平方向的净距，通过位移及应力变化两方面研究，确定防寒泄水洞水平向适宜埋设位置。

图9为防寒泄水洞与主隧道在水平方向不同净距条件下主隧道各控制点位移变化。由图9可见，主隧道各控制点位移值较不同竖向距离条件下位移值较小。由于所取水平净距变化区间较小，位移值在主隧道与平导间距中点处上下波动。在水平净距为-3～-1 m范围内呈现稳定状态，在1 m处各控制点应力值均较小。

图10为防寒泄水洞与主隧道在水平方向不同净距条件下平导各控制点位移变化。由图10可见，平导各控制点位移值较主隧道较小，是由于平导横断面较小，围岩向临空面移动的程度较小。防寒泄水洞左移与右移位移值均变小，在水平净距为1 m时处于谷值。

图11为防寒泄水洞与主隧道在水平方向不同净距条件下自身各控制点位移变化。由图11可见，防寒泄水洞拱顶处位移值比拱底小，是由于主隧道及平导拱底隆起抵消了拱顶部分沉降量。拱底位移值大可能是由于地层埋深较大所致。在水平距离-1～1 m范围内呈现稳定状态。

由上述分析可知，当防寒泄水洞水平距离为-1～1 m时，主隧道、平导及防寒泄水洞变化情况处于相对最佳阶段。

图9　主隧道各控制点位移

图10　平导各控制点位移

图11　防寒泄水洞各控制点位移

3.4　防寒泄水洞与主隧道在水平方向不同净距条件下应力变化情况分析

图12为防寒泄水洞与主隧道在水平方向不同净距条件下主隧道各控制点应力变化。由图12可见，主隧道拱顶及拱脚处第一主应力变化幅度较大。整体变化趋势以主隧道及平导间距的中点呈对称分布，拱底处第一主应力在水平净距为-1 m与1 m处处于谷值。

图13为防寒泄水洞与主隧道在水平方向不同净距条件下平导各控制点应力变化。由图13可见，当泄水洞向主隧道偏移时平导各控制点第一主应力均有所变小，但变化幅度不大。说明泄水洞在水平方向与主隧道净距的变化对平导影响较小，这在一定程度上使得泄水洞在水平向的位置变化较灵活。

图14为防寒泄水洞与主隧道在水平方向不同净距条件下自身各控制点应力变化。由图14可见，防寒泄水洞各控制点应力值以主隧道及平导间距中点处应力值为基准对称分布；在水平净距-1～1 m范围内应力值处于谷值。

图12　主隧道各控制点应力

图13　平导各控制点应力

图14　防寒泄水洞各控制点应力

结合位移及应力变化情况，最终确定当金山隧道防寒泄水洞在水平方向与主隧道适宜净距为偏向主隧道1 m处。

3.5　不同距离条件下，衬砌截面的安全系数计算

通过对比研究不同距离条件下，衬砌截面的安全系数变化情况，从而确定防寒泄水洞适宜埋设位置。根据材料的极限强度计算出偏心受压构件的极限承载力与实际内力相比较，得出截面的抗压(或抗拉)强度安全系数，检查其是否满足铁路隧道设计规范要求[16]。表8及表9分别为防寒泄水洞与主隧道拱底不同竖向距离及防寒泄水洞与主隧道不同水平净距条件下主隧道衬砌截面安全系数。

表8　不同竖向距离条件下衬砌截面安全系数

表9　不同水平净距条件下衬砌截面安全系数

由表8及表9可见，衬砌截面安全系数在防寒泄水洞与主隧道拱底竖向距离为5 m处为最大值，且随着竖向距离的增大呈非线性变化，拱脚处因应力集中是低安全系数的危险区。防寒泄水洞与主隧道不同水平净距条件下的衬砌截面安全系数也呈非线性变化，但变化幅度较小，在水平净距为1 m处呈现最大值。

4　结论

(1)通过分析防寒泄水洞与主隧道拱底不同竖向距离条件下位移(拱顶处以沉降为主，拱底及拱脚处以隆起为主；图中所示数据均为位移值的绝对值)及应力(根据计算，应力均为压应力，拉应力为正，压应力为负，图中所示数据均为应力值的绝对值)变化情况，确定防寒泄水洞与主隧道拱底适宜竖向距离为5 m。

(2)通过分析防寒泄水洞与主隧道在水平方向不同净距条件下的位移及应力变化情况，考虑主隧道、平导的结构稳定及安全运营，确定防寒泄水洞与主隧道在水平方向的适宜净距为偏向主隧道1 m处。

(3)通过不同距离条件下，衬砌截面安全系数的计算及对比分析得出，当防寒泄水洞与主隧道拱底竖向距离为5 m、与主隧道水平净距为1 m时衬砌截面相对安全。

(4)结合当金山隧道所在地最大冻结深度为2.35 m的情况，以及考虑安全经济要求、结构影响等因素，最终确定当金山隧道防寒泄水洞适宜埋设位置为竖向距主隧道拱底5 m处，横向距主隧道中线19 m处(距平导中线21 m处)。

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