季冻区客运专线隧道局部存水冻胀对衬砌力学性能的影响分析

王雪来 崔光耀 侯占鳌 吕晓聪

(1. 北方工业大学， 北京 100144；2. 中铁隧道集团一处有限公司， 重庆 401121)

目前，国内外在建或已建成的部分寒区隧道在施工或运营阶段都不同程度地出现了冻害现象，影响到隧道的正常运营。我国在东北等高纬度严寒地区修建的隧道中，有许多处于冻土区域，对这些隧道冰冻灾害进行调查后，发现有约80%的隧道存在冻害，可见我国对隧道防冻技术的研究迫在眉睫[1-2]。

对于季冻区隧道的研究，主要应用局部存水冻胀模型、破碎冻融圈整体冻胀模型以及含水风化层冻胀模型三大冻胀模型来研究其冻胀机理。局部存水冻胀模型认为，隧道初支和二衬之间存在储水的空间，温度降低时，储水空间中的水将会结冰，并且由于不断的水源补给迁移至冰面将会形成巨大的冻胀力。破碎冻融圈整体冻胀模型认为，隧道衬砌一定深度范围的围岩形成冻结圈，冻结圈范围的岩石中孔隙均匀且饱和，则冻结圈范围内的水冻成冰由将整体冻胀，从而对隧道衬砌产生冻胀力。含水风化层冻胀模型认为，凡是有冻害的隧道，衬砌周边的围岩均有10～20 cm左右厚的风化层，冻胀力正是由紧贴衬砌的围岩含水风化层的冻胀而产生的[3-6]。

国内外有关专家、学者对季冻区隧道的冻胀机理及抗冻措施等进行了部分研究，主要有：张祉道等人对三大冻胀模型的优缺点进行了探讨并提出的冻胀力计算公式以及建议的保温结构，可供设计工作者参考[7]；李集光通过研究隧道病害特点及区域适应性，提出了已损二次衬砌加强和增设防寒保温措施的相关处治方案[8]；程涛等人基于伴有相变的瞬态传热理论和abaqus有限元模型模拟了围岩冻结温度场动态分布规律以及围岩冻胀后的衬砌内力及变形特征[9]；董宇仓等人采用理论分析与数值模拟方法，对铁路隧道在不同断面形式、围岩级别以及衬砌背后不同积冰厚度和积冰位置时，衬砌结构冻胀力大小及分布规律进行了研究[10]。综上，目前针对寒区隧道积冰位置不同对衬砌结构影响方面的研究较少。本文依托吉图珲客运专线五峰山隧道，运用有限元数值模拟技术，对不同积冰位置情况下，局部存水冻胀力对隧道衬砌力学性能的影响进行了分析，研究成果可为季冻区隧道抗冻设计及冻害整治提供参考。

1 吉图珲客运专线五峰山隧道工程概况

1.1 地质条件

吉图珲客运专线五峰山隧道位于吉林省安图县石门镇龙城屯附近，隧道进口位于龙城屯东南约300 m处，出口位于榆树川西侧的陡坡上。隧道地处敦化隆起与延吉盆地的交界部位，地质构造发育，隧址区域内受构造影响，华力西晚期岩浆岩侵入强烈，隧址区通过地层主要表层为华力西晚期第二、第三花岗岩。

1.2 结构设计

五峰山隧道断面为马蹄形，跨度13.62 m，高度10.31 m。隧道全长 3 705 m，最大埋深283 m。隧道洞身段二次衬砌采用C30素混凝土，厚度40 cm。

2 冻胀力计算

衬砌结构所受的冻胀力是由衬砌结构与围岩之间积存的水体冻胀引起的，其方向始终垂直于衬砌结构。根据寒区硬岩隧道冻胀力产生的机理，范磊等人推导了冻胀力的计算公式[11]：

(1)

式中：α——冰的冻胀率；

t——水体深度；

Krm——围岩的弹性抗力系数的平均值；

K1m——衬砌结构的弹性当量系数的平均值；

Kim——冰的弹性当量系数的平均值。

根据设计资料，隧道衬砌采用C30素混凝土，衬砌厚度40 cm，衬砌的弹性当量系数取75 kPa/mm。隧道围岩为Ⅳ级围岩，围岩的弹性抗力系数取500 kPa/mm，冰的弹性当量系数的平均值取175 kPa/mm。冰的冻胀率取10%。具体计算参数如表1所示。

表1 计算参数

通过局部存水冻胀力的计算公式(1)，计算得到局部存水冻胀力大小为0.91 MPa。

3 衬砌力学性能影响分析

3.1 计算模型

根据设计资料，用ANSYS软件对隧道建立地层结构模型。衬砌材料按线弹性考虑。衬砌材料采用BEAM单元，围岩材料采用PLANE42单元，建立计算模型并划分网格单元。计算模型如图1所示。

图1 计算模型图

3.2 计算工况

为研究不同积冰位置，局部存水冻胀力对隧道衬砌力学性能的影响，建立8组计算模型进行对比研究，如表2所示。

表2 计算工况

选取计算工况各监测断面的拱顶、左拱肩、左边墙，如图2所示。

图2 隧道监测点布置形式图

3.3 内力分析

提取不同工况衬砌结构内力(以工况1、2、5、8弯矩为例)，如图3所示。提取各工况衬砌结构最大弯矩值，并与工况1进行对比，如表3所示。

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图3 各工况隧道衬砌弯矩图

表3 各工况最大弯矩值

由图3及表3可知，施加局部冻胀力后，隧道衬砌受力处弯矩突变明显，衬砌最大弯矩值与工况1相比有明显提高，最大提高3.49倍。

3.4 安全系数

提取各监测点的弯矩、轴力值，由公式(2)、公式(3)计算衬砌结构安全系数[12]，计算结果如表4所示。

KN≤φαRabh

(2)

(3)

式中：b——截面宽度，取1 m；

h——截面厚度；

Ra——混凝土抗压极限强度；

K——安全系数；

φ——构件纵向弯曲系数；

α——轴向力偏心影响系数。

表4 各工况最小安全系数

绘制各种工况的安全系数包络图(以工况1、2、5、8为例)，如图4所示。

图4 各工况隧道衬砌安全系数包络图

由表4及图4可知，当冻胀力分别作用在隧道拱顶、拱肩、拱腰时，隧道安全系数相较于无冻胀力作用时都会降低，当冻胀力作用于拱顶时，安全系数降低更为显著。当存水位置位于隧道拱顶时，影响最大，结构安全系数最小值由10.33降至4.62，下降55.28%。

4 结论

(1)局部存水冻胀可对隧道结构安全性造成一定的不利影响，存水位置不同，影响程度有所差别。

(2)施加局部冻胀力后，隧道衬砌受力处弯矩突变明显，衬砌最大弯矩值与工况1相比有明显提高，最大提高3.49倍。

(3)当隧道拱顶、拱肩、拱腰处积冰时，隧道安全系数相较于无冻胀力作用时都会降低，当拱顶处积冰时，结构安全系数降低更为显著，安全系数最小值由10.33降至4.62，下降55.28%。