高岩温隧道初期支护应力场及安全性研究

唐兴华 ，王明年 ，童建军 ，董从宇 ，张 冲

（1. 西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031；2. 西南交通大学土木工程学院，四川 成都610031；3. 铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300140）

在深埋隧道中，受岩浆、温泉等活动影响会导致围岩温度增高，从而使隧道施工时空气温度超过28 ℃，一般将此类隧道定义为高岩（地）温隧道[1-2].由于高岩温的影响，隧道初期支护在其施作养护期间产生了以下问题：围岩与喷射混凝土之间黏结力不足；砂浆锚杆强度抗拔力不满足设计要求[3]；高岩温蒸发水分导致喷射混凝土产生裂缝[4]等. 因此，有必要开展高岩温隧道初期支护的研究.

目前，学者们针对高岩温隧道初期支护开展了一些研究：邵珠山等[5]利用微分方程级数求解的方法得到了高地温隧道的温度场-应力场-位移场的热弹性解；刘乃飞等[6]通过理论分析获取了高地温水工隧洞衬砌结构的温度场和应力场特征；郭进伟等[7]运用数值模拟方法求解了某水工隧道支护结构在温度应力和内部水压力作用下的内力值；许富贵等[8]采用有限差分法软件分析了深埋高地温隧洞的应力、位移、塑性区特征；王玉锁等[9]通过模型试验和数值模拟分析了深埋高地温隧道支护结构内力和温度变化规律以及隔热层设置对其的影响；周建军等[10]依托某深埋引水隧洞高地温洞段，通过数值模拟的方法研究了围岩在施工全过程中的变形特征，并比选了衬砌设计方案；李书杰[11]以娘拥水电站的高地温段引水隧洞为依托，采用有限元软件对运行工况和检修工况下不同厚度的衬砌结构进行计算分析，得出了不同情况下衬砌的结构应力和位移值. 以上研究揭示了高岩温隧道支护结构的受力特点，但未结合施工过程分析隧道初期支护应力场和温度场的演变规律，也未对不同岩温条件下初期支护的安全性进行评价.

本文研究依托拉日铁路中的高岩温隧道——吉沃希嘎隧道，研究不同围岩初始温度下，高岩温隧道施工过程中初期支护温度场和应力场的演变规律，最终评价其安全性.

1 拉日铁路吉沃希嘎隧道工程概况

拉日铁路吉沃希嘎隧道为单线铁路隧道，全长3 974 m. 隧道位于雅鲁藏布江左岸，属中高山区，主要地层为第四系松散堆积物、燕山期闪长岩等. 受南北地热带影响，隧道在IIIDK117 + 690～IIIDK120 +375段高岩温现象突出，路肩处温度主要在28～48 ℃，对工程造成很大影响. 该段主要为Ⅳ、Ⅴ级围岩，初期支护参数见表1，V 加强级围岩初期支护见图1.

图1 V加强级围岩初期支护（单位：cm）Fig.1 Primary support of V enhanced rock （unit：cm）

2 高岩温隧道初期支护数值模拟

运用FLAC3D有限差分法软件进行三维的热-应力耦合分析，模拟隧道开挖过程，分析其温度场随施工进程的演变规律. 热-应力耦合采用间接耦合的方式，即先计算模型的温度场，然后将温度应力与模型自重应力进行叠加.

2.1 计算模型

本文所建立的数值模型以吉沃希嘎隧道DK117 + 850断面为基础，围岩等级为V级，隧道埋深为85 m，模型底部距隧底35 m，水平宽度为35 m（5倍隧道跨度），纵向长度为34 m. 围岩、初期支护的数值本构模型分别使用摩尔-库伦模型、各向同性线弹性模型. 热力学计算使用各向均质导热模型. 数值单元类型为Brick，围岩、初期支护单元数量分别为100 464个和10 350个. 初期支护数值模型由喷混凝土单元和包含钢架喷混凝土单元纵向相间排列组合而成，见图2.

图2 计算模型Fig.2 Calculation model

2.2 计算参数

围岩以及初期支护的计算参数由工程现场设计资料及相关文献[12]～[14]确定，含钢架喷混凝土参数采用等效面积法（式（1））计算求得. 具体参数结果见表2.

式中：XT为含钢架喷混凝土的参数；XS为钢架的参数；XC为混凝土的参数；ST为含钢架喷混凝土截面的总面积；SS为含钢架喷混凝土截面的钢架面积；SC为含钢架喷混凝土截面的喷混凝土面积.

2.3 边界条件

数值模型力学边界具体如下：地表为自由面，两侧为X方向位移约束，纵向两端为Y方向位移约束，下底面为Z方向位移约束. 数值模型热学边界具体如下：地表温度由最不利原则取吉沃希嘎隧址区年度最高气温30 ℃，两侧边界的温度梯度见表3，围岩和喷混凝土内侧表面温度恒定为28 ℃[1].

表2 计算参数Tab.2 Calculation parameters

表3 数值模型两侧边界温度梯度Tab.3 Thermal boundary condition on both sides of calculation model

表3中，两侧竖向温度梯度采用拓展分析模型获得，即通过建立大尺寸拓展分析模型，模拟大范围内的地层温度场，并与钻孔实测温度比较来确定计算模型两侧边界竖向温度梯度. 以路肩标高处围岩初始温度48 ℃时为例，具体该方法如下：

（1） 拓展分析模型中，隧道埋深85 m，底部以下为200 m，两侧为300 m，见图3. 热分析时本构模型同样选用各向均质导热模型. 拓展分析模型中，上边界温度根据吉沃希嘎隧道区域夏季极端高温取为 30 ℃，下边界温度分别拟定为 60、80、100、120 ℃4种工况.

（2） 通过对不同温度边界的拓展分析模型进行温度场数值模拟，获得以上4种工况中隧道路肩标高处围岩初始温度，见表4.

图3 围岩温度场拓展分析模型（单位：m）Fig.3 Spreading model of rock temperature field (unit: m)

表4 不同温度边界下的隧道路肩岩温Tab.4 Rock temperature at tunnel shoulder with various boundary conditions

对表4数据进行拟合处理可知，当模型下边界温度约为105 ℃时，隧道路肩处围岩温度为48 ℃，与DK117 + 850断面钻孔实测路肩岩温48 ℃一致.

（3） 将拓展分析模型的下边界温度设置为105 ℃，并进行温度场数值模拟，得到计算模型底面的温度，进而得到计算模型两侧温度边界条件（竖向温度梯度）.

2.4 计算工况

根据路肩标高处围岩初始温度分为48、60、80 ℃3种工况. 开挖方法为上下台阶法，具体施工步序依次为上台阶施工、下台阶施工和仰拱施工，相应的循环进尺为 1、2、3 m.

3 高岩温隧道初期支护现场测试

现场测试依托拉日铁路吉沃希嘎隧道开展，试验段里程DK118 + 960～DK119 + 000，全长为40 m，等里程布置4个测试断面，其路肩标高处初始围岩温度在50～55 ℃之间. 试验段采用振弦式温度计测量温度，测点分别布置在拱顶、左拱腰、左边墙、右拱腰、右边墙共5个位置，每个测点中初始支护的中间和靠近围岩一侧分布布置1个振弦式温度计.混凝土应力量测采用振弦式应变计，与温度量测相同的测点布置，在每个部位的初期支护中间位置设置1个应变计，具体布置方案见图4，图中，C1～C5为温度测点，C6～C10为应力测点.

图4 初期支护温度和应力测点布置Fig.4 Measuring point arrangement of initial support temperature and stress

4 高岩温隧道初期支护温度演化规律

由文中数值模拟得到的结果，绘制隧道初期支护拱顶部位的温度-时间曲线，分析高岩温隧道初期支护温度场变化规律，见图5.

图5 初期支护温度随时间变化曲线（数值模拟）Fig.5 Temperature change with time curve of initial support （from numerical simulation）

由图5可知：不同的路肩标高处围岩初始温度下，初期支护温度随时间的变化规律类似，即在开始的5 d时间内，初期支护拱顶外表面的温度大幅度降低，其减小幅度达到了92.7%～94.8%，5～60 d之间温度降低的幅度不大；由于初期支护厚度较小，第60 d后其温度稳定于28 ℃，接近洞内气温. 隧道初期支护其它部位的温度演化规律类似.

根据现场试验段实测结果，得到初期支护温度-时间曲线，见图6.

图6 初期支护温度随时间变化曲线（现场测试）Fig.6 Temperature change with time curve of initial support （from in-situ test）

由图6可知，隧道开挖7 d后，各测点初期支护温度趋于稳定，拱顶、拱腰、边墙等测点的温度在26.6～26.9 ℃之间，略高于洞内空气温度（25～26 ℃）.

由数值模拟和现场测试所得到的初期支护温度随时间变化曲线可知，两者温度演变规律基本一致，表明了数值模拟的正确性.

5 高岩温隧道初期支护应力演变规律及安全性评价

根据数值模拟，获得不同路肩标高处围岩初始温度下，不同施工步序时高岩温隧道初期支护的最大主应力最值，见表5、6，表中：“范围”指主应力最值在分布位置上的法向宽度；拱腰外侧（边墙外侧）的“范围”为左右拱腰外侧（边墙外侧）的范围之和.

表5 各施工步序初期支护最大主应力最大值Tab.5 Maximum of major principal stress in primary support by various construction step

表6 各施工步序初期支护最小主应力最小值Tab.6 Minimum of minimum principal stress in primary support by various construction step

根据表5、6可知：

（1） 在同一路肩标高处围岩初始温度下，隧道下台阶施工后，初期支护最大主应力最大值及范围增大，而在仰拱施工后，最大主应力最大值及范围降低，表明初期支护最大拉应力及随着隧道开挖断面的增大而增大，而其封闭成环及仰拱施作可有效降低其拉应力，改善其受力状态. 与此不同的是，初期支护的最小主应力最小值及范围则随着施工进行不断增大，表明其最大压应力逐渐增大，充分发挥喷射混凝土的抗压性能.

（2） 从常岩温到高岩温，随着路肩标高处围岩初始温度增大，在不同施工步序中，初期支护的最大主应力最大值和最小主应力最小值均增大，但最大主应力增幅相比更大，表明高岩温对初期支护应力的影响十分显著.

（3） 根据文献[15-16]，C25 喷射混凝土极限抗压强度为20 MPa，极限抗拉强度为1.4 MPa，以此作为初期支护安全性评价标准. 在各路肩初始温度条件下，初期支护最小主应力最小值均小于C25喷射混凝土极限抗压强度. 在路肩标高处围岩初始温度大于48 ℃后，初期支护喷射混凝土的最大主应力最大值大于其极限抗拉强度，所以初期支护安全性受控于喷射混凝土抗拉强度，当路肩标高处围岩初始温度超过60 ℃，隧道下台阶施工后，喷射混凝土将产生受拉破坏.

根据现场测试，获得4个断面初期支护各测点的应力值，见表7.

表7 初期支护应力试验结果Tab.7 Primary support stress by test MPa

根据表7可知，初期支护压应力小于喷射混凝土极限抗压强度，拉应力除第3断面左拱腰之外均小于喷射混凝土极限抗拉强度. 对比表5和表7可知：现场试验段路肩初始围岩温度为50～55 ℃，最大拉应力发生在第3断面的左拱腰处，量值为1.68 MPa；数值模拟中当路肩初始围岩温度为48 ℃时，最大拉应力为1.37 MPa，当路肩初始围岩温度为60 ℃，最大拉应力为1.77 MPa，均发生在下台阶开挖后的墙脚内侧处. 虽然现场监测表明，当路肩标高处围岩初始温度为50～55 ℃时，初期支护将发生拉裂破坏，初步验证了数值模拟的结果，但是，其它方面与数值模拟结果对比，差异较大，其中原因较多，比如：高岩温隧道初期支护在围岩荷载和温度应力作用下其应力状态较为复杂，数值模拟断面与现场试验段存在地形地质条件上的差异，现场测试未考虑隧道开挖方法的影响以及测试断面数量有限，数值模拟技术的局限性造成与工程实际的出入等等，因此，后续需开展更为深入的研究.

6 结 论

针对高岩温隧道施工过程中初期支护的温度场、应力场的演变问题，通过数值模拟和现场测试之间的对比研究，得到了以下结论：

（1） 受施工通风影响，初期支护温度在隧道开挖后约5 d内急剧降低，之后基本恒定且与洞内气温一致.

（2） 受上下台阶法施工工序影响，初期支护最大拉应力先增后减，最大压应力持续增加，表明初期支护封闭成环和仰拱施作减小了其拉应力，增大了其压应力，有效改善了初期支护受力状态.

（3） 随着路肩标高处围岩初始温度增大，在不同施工步序中，初期支护的最大拉应力和最大压应力均增大，表明高岩温降低了初期支护的安全性.

（4） 高岩温隧道初期支护安全性受控于喷射混凝土抗拉强度，当围岩初始温度超过60 ℃时，喷射混凝土将产生受拉破坏.