寒区隧道冻胀力计算分析

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1、公路隧道2012年第】期(总第77期)寒区隧道冻胀力计算分析顾博渊姚红志(中交第一公路勘察设计研究院有限公司西安710075)摘要鹤大高速小沟岭(黑吉界)至抚松段项目区最低月平均气温约零下27~C，根据规范要求当月平均气温低于零下15~C时，须考虑围岩冻胀力的影响。由于目前周内隧道设计对如何合理计算冻胀力尚无理论经验，规范也无相关规定，根据本项目特点，结合近年来寒区隧道科研成果对项目区隧道冻胀力进行计算，借助有限差分软件，基于热力耦合模式，定量分析了冻胀力的大小、分布规律及隧道衬砌应力状态，为下阶段设计提供

2、依据，也可为同类工程提供参考。关键词寒区隧道冻胀力计算分析冻融圈整体冻胀学说，该学说认为，冻结区中嗣岩均1引言匀孔隙中充满地下水，冻胀压力系冻融圈冻结后整鹤岗至大连高速公路小沟岭(黑吉界)至抚松段体膨胀所致，并假定围岩和衬砌均为同心圆断面的公路工程位于我国东北吉林地区，项目区自然气候弹性体，采用弹性力学方法推导出相应的冻胀压力寒冷，年平均气温4．3~C，极端最低气温37．7℃，理论计算公式。最低月平均气温一27．4℃。根据国内现行的公路隧青藏线高寒隧道冻胀力研究中提出的积水冻胀道和铁路隧道设计规范要求：“最

3、冷月平均气温低于学说，该学说认为，对岩石隧道，由于喷射混凝土和一l5℃地区的隧道应考虑冻胀力，冻胀力可根据当钢架施工的表面不平顺、防水板铺设以及混凝土浇地自然条件、围岩冬季含水量及排水条件等通过研筑工艺等原因，支护衬砌背后与围岩之问局部存水究确定”。该条文仅做了原则性的规定，对于如何空间普遍存在，一旦结冰即产生冻胀力。但由于岩考虑冻胀力以及具体的计算方法均未作相应规定，石本身的冻胀几乎可以忽略不计，围岩的冻胀压力导致该条文缺乏可操作性。这也体现了国内寒区隧主要凶存水空间内的地下水冻结时，体积膨胀受到道设计对

4、于冻胀力理论经验的缺乏。围岩和支护衬砌的约束所致。冻土(岩)相对未冻土(岩)体和隧道衬砌产生体日本在对北海道、我国东北地区的大量冻害隧积膨胀，当体积膨胀受到约束时将会产生冻胀力。道调查、研究后提出了含水风化层冻胀学说。该学根据前苏联有关资料，当岩石裂隙中有水侵入，冻结说认为，冻胀一般发生在边墙风化层，而拱顶冻胀较时可能产生的冻胀力为15MPa，当采用封闭容器，小，而且衬砌背后围岩风化层的冻胀率远远大于水即在没有体积膨胀的条件下测得冰的冻胀力为结成冰的冻胀率(9)，其原因在于冻胀现象并不单211MPa。从以上

5、资料来看，冻胀力的数值可以大得纯是因围岩中水的冻结而形成的体积增长，更主要惊人，但它又和约束条件有关。在东北林区铁路嫩的是远处水分从未冻结部位转移以及这些水又冻结林线朝阳2号隧道，现场实测的冻胀力25～成冰。张趾道等在研究日本对冻害隧道调查资料的200kPa。基础上，提出的风化层冻胀模型认为，冻胀压力可用设计中如果过大的考虑冻胀力的影响将会使得侧压力代替同时考虑拱顶4m范围内布设弹簧来考隧道工程的造价增加过多，但如果过小估计冻胀力虑地层的弹性抗力作用。的影响，则会对隧道衬砌结构的安全带来隐患。因3冻胀力计算

6、存在的问题此如何合理确定冻胀力的大小，成为了本项目设计的关键。．上面介绍的3种冻胀解释机理基本是在“荷载一结构”模式基础上演变而来的解析方法，一般针对2国内外冻胀力研究成果线弹性的材料，且不能反映冻胀压力在衬砌各部位目前对于冻胀力的研究，国内外主要存在3种的分布情况。理论学说，分别为大阪山隧道冻胀力研究中提出的冻融岩石圈整体冻胀理论主张的岩体孔隙中的·1f)·顾博渊，等寒区隧道冻胀力计算分析少量水冻结，即能使岩体的体积冻胀似不可信，也与一+q===(3)工程实践不符。实际上，当岩石强度较大时，是能够式中：～

7、热流矢量，W／m；承受孔隙中微量水结冰产生的冻胀力的，比如，规范从未要求修建在露天岩石地基上的结构物考虑地基q一体积热源密度，W／m。；冻胀。一单位体积内的热储，J／m。。积水冻胀理论也有缺点：首先衬砌施工时，拱腰一般地，能量存储和体积应变e的变化可能引起温度变化，联系这些参数的热力本构定律可以表以下部分的混凝土由于浇筑压力以及塑料防水板的达为：延伸性多能与喷层接触(钢架被要求用喷混凝土包裹)，一般不会留有较大积水空间；其次衬砌背后如一(一)c4有地下水，会不停留地沿防水板及土工布向隧底排式中：M-r，～材

8、料常数；出，不会有大量水停留；另外计算中认为衬砌后水冻T一温度。结时的冻胀率仅为9也是偏小的，没有考虑地下对于固体和液体的准静态力学问题，应变变化水会源源不断地向冻结处输送(即冰会逐渐长大)。对温度的影响可忽略不计，可以得到：积水冻胀理论的冻胀力计算公式中没有考虑冰也是弹性体，冻胀力计算时会引起误差。鲁a￡：8aT(⋯5)含水风化层模型来自于实地调查，也有试验依将式(5)代人式(3)，得到能量平衡方程：据。遗憾的