含水量对季节性冻土区隧道衬砌开裂影响分析.pdf

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1、路基工程SubgradeEngineering2014年第5期(总第176期)DOI：10．13379／j．issn．1003—8825．2014．05．45含水量对季节性冻土区隧道衬砌开裂影响分析师亚龙，陈礼伟，郑波，吴剑(1．中国铁道科学研究院，北京100081；2．中铁西南科学研究院有限公司，成都611731)摘要：针对我国西北地区一些受季节降雨作用影响明显的季节性冻土隧道，运用传热学和有限元的基本理论，建立ANSYS有限元模型，对不同含水量围岩的温度场、应力场进行模拟研究；探讨含水量对围岩冻结圈范围及冻胀力对衬砌结构体系的影响。计算结果表

2、明：随着含水量的增大围岩的冻结圈变小，冻结深度减小；隧道衬砌内力，随着含水量的增大整体上呈增大趋势；隧道边墙处拉应力均较大，如当含水量为20％时，边墙拉应力达到5．6MPa，这与隧道边墙呈现沿纵向延伸的张拉裂缝相符。依据上述结论，含水量变化对季节性冻土隧道衬砌开裂有较大影响，建议二次衬砌尽量避免采用素混凝土衬砌。关键词：季节冻土；隧道；温度场；应力场；冻结圈；冻胀力中图分类号：U4514文献标志码：A文章编号：1003—8825(2014)05—0214—060引言温回暖后，裂缝停止发展。改革开放后，随着西部大开发这一战略国策的本文采取不同含水量

3、的围岩，对其温度场、应逐步实施，隧道工程已逐渐向各种复杂和恶劣的地力场分布规律进行研究分析，提出该类隧道衬砌开区延伸。其中，高海拔、严寒冻土自然条件会对隧裂机理，建议二次衬砌采用钢筋混凝土，供该类地道支护体系产生较大影响。隧道开挖后，破坏了围区的隧道设计、施工参考。岩原先的热平衡，使得隧道衬砌因围岩冻胀或融沉而发生破坏。日本道路公团和日本铁道综合技术研1工程背景究所最近的统计表明，日本全国铁路、公路隧道中某新建铁路隧道全长221．0m，处于线路的直线有接近1／3的隧道由于冻害原因，在冬季运营期间段，隧道上覆第四系新黄土和细圆砾土，洞身穿越危及到行

4、车安全。在我国，对已经建成的寒区公路三叠系强风化砂岩夹泥岩，岩层基本水平，埋深隧道进行调查时发现，有80％以上都存在各种各样15．0m左右，节理裂隙发育。岩层自由膨胀率为的冻害’。目前，针对寒区隧道冻胀机理的研究，24％，根据规范属于非膨胀岩。冬季气温较低，最主要集中在低温及冻融条件下围岩的水、热、力特低月平均气温在一10℃以下，设计文件表明地表土性的研究，且研究成果也较丰富。但是，大多数研体最大冻结深度为1．5m。隧道所处地区地下水位较究集中在多年冻土区、埋深较大的冻土隧道，深，处于地下水位以上，仅在隧道两侧水沟处设有而对于受季节降雨影响的季节

5、性冻胀隧道鲜有报道。保温层。隧道衬砌为复合或衬砌，其初期支护为喷这些隧道大多埋深较浅，围岩风化严重，而降雨势锚支护，二次衬砌为模筑混凝土。必会对围岩的含水量产生一定的影响。同时，近年该隧道于2008年7月开始施工，并于次年4月来随着我国北方雨水的增多，一些隧道出现随季节开始浇筑衬砌，7月衬砌浇筑完成。近年来，由于变化的衬砌开裂现象：冬季裂缝发展迅速，而当气该地区夏季雨水明显增多，见图1(2013年雨量统计截止9月份)，导致围岩含水量发生明显的变化，收稿13期：2013—12—13冬季隧道边墙部位沿纵向延伸的张拉裂缝发展明显，作者简介：师亚龙(19

6、88一)，男，河南平顶山人。硕士研究生，并呈现出逐年恶化趋势，部分衬砌裂缝如图2、主要从事隧道与地下工程研究。E-mail：shiyll121@126．coln。图3。师龙，等：含水量对季节性冻土区隧道衬砌开裂影响分析·215·、撂甚壁Ⅲ㈨如0圈‘uILJ_f然通风的地下洞室围岩，每年均要发生冻结与融化，●20I1{f故本问题为具有相变的传热问题。根据传热学和冻口20l2q土学的基本理论，忽略土中水气蒸发耗散及水分迁口20I3q移，仅考虑冰水相变问题，其热量平衡的二维控制方程为：-’』．．．在内23456789l0I】12时问／Jq图1近年来雨量

7、分布警=)+)c3在内cp鲁=)+(九aT．)c4式中：P为土体密度；f和u分别表示冻结和融化状态；，cr，Ar分别为正冻区内围岩温度、定压比热和导热系数。带“u”者为融区内的相应物理量。图2边墙处张拉裂缝隧道开挖后，围岩中的自由水要发生冻结，伴随着相变过程释放或吸收潜热；通过定义材料随温度变化的焓来考虑潜热，其表达式为=JpC()dT(5)则OT=·=pC(T)-警(6)图3避车洞上方斜向裂缝式中：为围岩温度。将式(6)代入式(3)，得到用焓法求解而伴有相隧道衬砌裂缝的发展是在冬季气温较低时产生，变的非稳态温度场的控制微分方程当气温回暖后，裂缝

8、停止发展。经初步判断，是由OH围岩含水量变化，导致隧道季节性冻胀所引起。若：A+A(‘7)是由泥岩膨胀所引起，则裂缝发展应在夏季降雨之在