在多年冻土的隧道施工中温度场控制的作用

刘志高

摘要：随着近几年施工技术的不断提高，尤其在多年冻土的隧道施工中要求越来越严格，由于地质的影响，如何在这种较低的温度场下进行施工是各大施工单位所面临的重要问题。本文主要分析在多年冻土隧道施工中，如何控制好温度场，便于隧道施工，同时提出各个施工阶段的工程措施，为相关的人士提供参考。

关键词：多年冻土；隧道施工；温度场控制

中图分类号：U45文献标识码：A 文章编号：

引言

在隧道施工过程中，一般我们需要考虑的是如何进行安全的施工，因此，在进行施工之前我们要做好综合分析，考虑开挖的过程出现的应力集中区及围岩变形等情况，做好安全保障。对于复杂的地区需要特殊处理，本文主要依据相关的实例结合，分析温度场的控制要点，并对相关施工数据进行探讨和分析。从而确保冻土隧道的施工安全性。

一、工程概况分析

本文主要工程是青藏铁路的施工，整个工程的全长1142km，其中有550krn处于海拔4 000 m以上的多年冻土区域。其中昆仑山的隧道主要位于青藏高原的多年冻土的北端部分，由于青藏高原具有严酷的缺氧环境，而且昆仑山的隧道工程在整个工程中具有明显的特点。

昆仑山的山体主要是三叠系板岩的夹片岩，山坡上分布有坡积角砾土和碎石土以及洪积碎石土。并且隧道洞身主要通过板岩的夹片岩，其中以板岩为主，局部为夹片岩。隧道的进口山坡为阴坡，而冻土的上限为2.7 m，出口的山坡为阳坡，冻土的上限为2.1～3 m。整个隧道的埋深3～106 m，通过勘测资料的显示，昆仑山的隧道多年冻土下限为100～110 m，年平均地温为一般在-1.81～-2．65℃，是属于多年冻土的低温稳定区或者低温基本稳定区。

二、冻土隧道施工的温度场控制分析

根据实际的工作经验，对于冻土的施工中，如何加强温度场的控制，保证正常的施工，而提出的具体实施措施，本文主要利用有限元模型进行分析，了解温度对施工的影响。

（1）有限元模型的建立

主要是根据现场的施工工艺流程及冻土围岩的特殊要求，结合周围的温度影响进行分析。

由于昆仑山隧道的特殊情况，因此，我们选取昆仑山隧道的横截面作为有限元的几何模型，其中模型的厚度为一个单位，隧道的埋深30m，对于下边界的距离隧道的底部为20.8 m，并且隧道的两侧各26.5 m。由于所建立的模型隧道具有对称结构，所以，沿着隧道的中线取一半作为有限元几何模型。其有限元模型图如下图所示：

图1 有限元模型图及荷载与参考点位置图

其中我们需要对于工程的材料参数作出一些基本的假定：①围岩均一而且各相同性和连续；②围岩中的裂隙冰都是均匀分布；③不考虑热辐射的影响。其中模型的工程材料参数如下表所示：

表1 工程材料参数表

由于围岩具有和温度相关的热传导和比热和焓，因此采用国际的通用单位，根据需要，计算时间的单位为小时（h），其中焓由下式确定：

Q=Lpd（W—wu)

式中：Q为焓的含量(J／m3)；L为冰的水化潜热(J／kg)；而Pd为围岩的干密度(g／cm3)；W为含水率；wu为未冻水含水率。由于未冻水的含水率很小，一般忽略不计，围岩的含水率从12％～24％，一般取含水率为12％进行计算，计算结果偏于安全。

（2）边界条件分析

由于昆仑山的平均地温处在-1.81～-2.65℃，一般取隧道的围岩初始地温-2.5℃。根据隧道施工的现场温度量测数据表明，将施工的环境划分三个等级:最高温度和正常温度以及安全温度。其中最高温度为9～10℃，占整个施工周期11周左右；正常温度1～4℃，主要的施工温度处于此范围；而安全温度一般就是指低于零摄氏度一下。

由于隧道内的温度场分布不均匀，造成温度上高下低，同时沿洞身的方向的温度分布特征主要为隧道口温度变化最大，而衬砌施工时此处的温度最高，而开挖面的顶部基本处于正常温度。因此，我们将有限元模型的洞内温度荷载主要分为4个分区：洞顶到拱腰的温度最高，其次是拱腰到拱脚的温度，紧接着是拱脚到墙中的温度，在紧接着是墙中到洞底的温度。

三、冻土隧道施工温度场的影响作用分析

通过分析计算，由于温度的问题而引起的变形在工程中很小，并且实际的施工变形量也是很小，因此，温度所引起的变化基本可以忽略不计。因此为了弄清隧道的浅层围岩内部温度的变化和施工的安全之间的关系，我们选取了一些重要的参考点进行安全分析。并根据施工和观察点的分析，找出最佳的温度场，从而提高施工的安全性。

根据需要，我们所选的观察点主要位于围岩，对于岩层的外表温度主要通过直接测量法进行取得数据，而围岩的内部温度主要依据参考点的温度变化而进行观察断定。根据实际的情况，我们将昆仑山的隧道开挖工作，分为4各阶段进行。第一，安全施工阶段；第二，相对安全阶段；第三，安全预警阶段；第四，安全隐患阶段。我们将四个阶段的温度进行测定，从而直接将数据进行反映出来。

下面我们主要对以下几个方面的数据进行分析，同时总结出施工中最佳的温度场。

根据分析，总结出最不利荷载的作用下，关键点的温度和时间关系图如下:

图2 最不利荷载的作用下的温度和时间坐标图

根据图表明，随着时间的一定增加，观察点的温度有所变化，而且影响变化比较快。

正常荷载作用下关键点的温度和时间变化图如下图所示：

图3 正常荷载作用下的关键点温度随时间变化图

通过图3表明，观察点的温度变化与时间的变化明显不同步，整个隧道的上部基本上快于下部，一般在240 小时之内，隧项的围岩内15 cm点处一直维持在负温的状态。

因此，通过分析可知，施工中的四个阶段的安全状态不同，所采取的措施也是不相同。因此，我们根据不同的温度进行不同的措施施工，从而保证了安全事故的发生。

四、结束语

综上所述，在多年冻土的隧道施工中，我们经常采取的有限元模型进行实际的温度分析，并通过分析数据，找出不同温度阶段的施工方式，从而确保整个施工正常进行，因此，在进行冻土隧道施工中，加强温度场的控制是确保安全施工的重要前提条件。

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