2016, Vol. 33扩展功能
文章信息
- 毛正君, 魏荣誉, 李广平
- MAO Zheng-jun, WEI Rong-yu, LI Guang-ping
- 隧道防寒泄水洞适宜埋置深度数值分析
- Numerical Analysis of Suitable Embedded Depth for Cold-proof Drainage Hole of Tunnel
- 公路交通科技, 2016, 33(8): 106-113
- Journal of Highway and Transportation Research and Denelopment, 2016, 33(8): 106-113
- 10.3969/j.issn.1002-0268.2016.08.016
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文章历史
- 收稿日期: 2015-10-22
2. 山西省交通科学研究院 黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室, 山西 太原 030006;
3. 中交第一公路勘察设计研究院有限公司, 陕西 西安 710075
2. Key Laboratory of Highway Construction and Maintenance Technology in Loess Region, Shanxi Transport Research Institute, Taiyuan Shanxi 030006, China;
3. CCCC First Highway Consultants Co., Ltd., Xi'an Shaanxi 710075, China
土层年冻结深度大于80 cm的地区称为寒区，我国有一半以上的国土面积属于寒区，寒区隧道工程是基础建设中的一项特殊工程[1]。随着我国交通运输基础设施建设的大力发展，在寒区修建的隧道越来越多，对于寒区隧道建设的关键技术问题日益受到工程界的关注和重视[2-5]。冻害是影响我国寒区隧道安全行车与运营管理的主要问题之一[6-10]。
目前对于寒区隧道排水系统，主要有双侧保温水沟、中心深埋保温水沟和防寒泄水洞3种形式[11]。严寒地区，最冷月份平均气温低于-25℃，当地黏性土冻结深度大于2.5 m时，如采用明挖中心沟时，埋深过大，施工困难，且有可能影响边墙和隧道的稳定时，可在主隧道下设置防寒泄水洞[12]。防寒泄水洞在寒区隧道的应用，可以追溯到位于青藏高原东北部的大坂山隧道，该隧道为了保证洞内防排水设施的运作，在隧道主洞正下方5.0 m处设置了防寒泄水洞[1, 13]。防寒泄水洞和泄水横洞对于缓解和防止大坂山隧道围岩及衬砌结构的冻胀有重要作用[14]。目前，对于防寒泄水洞的研究主要集中在以下3个方面：(1) 防寒泄水洞的施工工艺和防寒保温措施[15-20]；(2) 对运营的寒区隧道防寒泄水洞的实地调研和使用效果评价[14]；(3) 对防寒泄水洞进行温度场模拟研究[21-24]。
然而，对于防寒泄水洞位于隧道主洞下方的合理埋置深度还有待于进一步研究。防寒泄水洞的埋置深度即指隧道主洞底至其下方防寒泄水洞底的高度[25]。对于防寒泄水洞埋置深度的确定，公路隧道设计细则(TG/T D70—2010)规定：“应保证沟内水流不冻结，且不小于隧址区围岩最大冻结深度；应满足暗挖时不至于引起隧底坍塌的要求；埋置深度不宜过深，避免不必要的延长防寒泄水洞的长度和增加工程造价。”因此，对于具体的寒区隧道，防寒泄水洞的埋置深度必须综合考虑隧址区最大冻结深度、安全经济要求以及结构影响因素。
本文以雁口山隧道为实例，采用数值仿真分析手段，基于MIDAS/GTS有限元分析软件，从隧道主洞与防寒泄水洞结构相互影响出发，按照隧道主洞贯通后，再分别以埋置深度为5～12 m范围施做防寒泄水洞，从而确定出适宜的雁口山隧道防寒泄水洞埋置深度。
1 工程概况雁口山隧道位于青海省玉树州称多县歇武镇东北方向约10 km处，为分离式隧道，左线长3 966.0 m，进出口设计路面高程4 333.99～4 235.74 m，设计纵坡-2.500%，右线长3 950.0 m，进出口设计路面高程4 333.01～4 236.26 m，设计纵坡-2.480%，轴线方位228°，单洞设计净宽10.0 m，洞净高8.0 m。隧址区处于青藏高原三江源地区，通天河、扎曲河及歇武河交汇处，属构造剥蚀低山丘陵地貌，地形总体呈西北-东南向，地形起伏较大。
隧址区深处内陆高原腹地，海拔高，受海洋季风影响较微弱，属典型的高原大陆性半干旱气候类型。冬季气候寒冷漫长，多风雪，易成雪灾；夏季气候凉爽短促，雨水较充足。中高山脉终年霜雪不断，降水分布地区差异明显，随地势升高降水量增加，气温和蒸发量随海拔高度的增加而相对下降和减少。四季不分明，昼夜温差大，空气稀薄，气压低含氧量少。隧址区年平均气温-1.7℃，极端最高气温24.0℃，极端最低气温-33.0℃。年平均相对湿度为81%，年平均蒸发量为1 649.2 mm。全年冰冻期长达7个月，最大积雪深度14 cm，最大冻结深度3.08 m。日照充足，年平均日照率达50%～60%。
隧址区多年平均降水量约615.2 mm，年平均降雨日数约为170 d，月最大降雨量为425 mm，降雨量多集中在每年的5—9月份，约占全年降雨量的54%。大气降水沿坡面流入冲沟内，最后汇入歇武河。歇武河河水常年流水不断，雨季时水量较大，旱季时水量较小；歇武河河床较为狭窄，河漫滩较为平缓。
依据地下水的赋存条件可将隧址区地下水划分为第四系松散岩孔隙水和基岩裂隙水。第四系松散岩孔隙水分布于坡体及沟谷，赋存于碎石土、粉质黏土中，补给源为大气降水及地下水侧向补给；基岩裂隙水主要赋存于中生界三叠系统上巴颜喀拉山群(T3by)砂岩和页岩互层风化带的裂隙中，受控于风化层厚度变化，透水性及富水性较好，补给源为大气降水，受季节影响，水量变化大。
隧址区上覆第四系全新统残坡积层(Q4el+dl)，主要为含岩石风化碎屑的粉质黏土；第四系全新统冲洪积层(Q4al+pl)，主要为含砾的粉砂、圆砾土。下伏中生界上三叠统上巴颜喀拉山群(T3by)灰黑色砂岩和页岩互层，隧址区沟谷地段局部有出露。隧址区主要位于青藏滇缅“歹”字形构造体系头部主体和外围褶皱带，北部重接复合巴颜喀拉-松潘弧形构造带，隧址区未见大的断裂构造通过，属构造相对稳定地段。
2 模型建立及确定参数 2.1 基本假设基于MIDAS/GTS有限元分析软件，作出以下基本假设：隧道主洞位置固定，并开挖结束已贯通，仅调整防寒泄水洞的埋置深度；土体设置为莫尔-库伦材料，初期支护采用喷射混凝土；初始应力场仅考虑围岩自重应力场，不考虑围岩的构造应力；模型上边界定义为自由面，模型左、右边界定义为法向约束，模型下边界采用全约束条件。
2.2 模型建立考虑隧道的影响范围，模型左、右边界按照距隧道轮廓线侧面3～5倍洞径取值，模型底部边界按照距隧道轮廓线底部3～5倍洞高取值，模型上边界按照距隧道轮廓线上部取值为隧道平均埋深25 m，从而得到模型尺寸为110 m×75 m。隧道主洞及防寒泄水洞设置见图 1，模型网格划分见图 2。
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| 图 1 隧道主洞及防寒泄水洞示意图(单位：mm) Fig. 1 Schematic diagram of main tunnel and cold-proof drainage hole(unit: mm) 注：X为防寒泄水洞有效埋深；2 900+X为防寒泄水洞埋置深度。 |
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| 图 2 模型网格划分图(单位:m) Fig. 2 Model meshing(unit:m) |
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雁口山隧道在开挖完隧道主洞后，再进行防寒泄水洞施工，施工工况定义见表 1。方案设计如表 2所示。
| 阶段 | 施工工况 | 定义 |
| 1 | 初始状态 | 隧道主洞完成开挖，初期支护已施做，保持应力状态，进行位移清零 |
| 2 | 开挖防寒泄水洞 | 取应力释放系数第一阶段0.4，第二阶段0.3，第三阶段0.3 |
| 3 | 支护防寒泄水洞 | 进行防寒泄水洞支护 |
| 方案编号 | 有效埋深X/m | 埋置深度(2.9+X)/m |
| a | 2.1 | 5 |
| b | 3.1 | 6 |
| c | 4.1 | 7 |
| d | 5.1 | 8 |
| e | 6.1 | 9 |
| f | 7.1 | 10 |
| g | 8.1 | 11 |
| h | 9.1 | 12 |
2.3 确定参数
所选取的围岩材料力学参数如表 3所示。
3 数值模拟计算 3.1 位移变化规律
为了分析在防寒泄水洞不同埋置深度条件下的位移变化规律，将初始状态位移量清零，所得防寒泄水洞不同埋置深度下的位移云图见图 3。
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| 图 3 防寒泄水洞不同埋置深度条件下位移云图(单位：mm) Fig. 3 Displacement nephograms in different embedded depths for cold-proof drainage hole(unit:mm) |
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从图 3可以看出，防寒泄水洞埋置深度越大，位移等值线受到影响的程度越小；当防寒泄水洞有效埋深处于5～6 m时，即埋置深度处于8～9 m时，防寒泄水洞的开挖对位移等值线的影响基本消除。
防寒泄水洞处于隧道主洞正下方不同埋置深度处的隧道主洞各控制点位移量变化见图 4。从图 4可以看出：
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| 图 4 防寒泄水洞不同埋置深度条件下隧道主洞各控制点位移量 Fig. 4 Displacements of main tunnel control sites in different embedded depths for cold-proof drainage hole |
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当防寒泄水洞处于不同的埋置深度时，隧道主洞各控制点的位移量变化趋势是基本一致的，但在影响程度上表现出拱底的沉降量最大，拱脚次之，拱顶最小。防寒泄水洞有效埋深处于4 m之前，开挖防寒泄水洞对隧道主洞的结构影响变化率较大；有效埋深处于4～7 m时，变化率变小，出现平缓阶段，即影响明显变小。
防寒泄水洞处于隧道主洞正下方不同埋置深度处的防寒泄水洞各控制点位移量变化见图 5。
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| 图 5 防寒泄水洞不同埋置深度条件下防寒泄水洞各控制点位移量 Fig. 5 Displacements of cold-proof drainage hole control sites in different embedded depths for cold-proof drainage hole |
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从图 5可以看出：防寒泄水洞有效埋深处于4 m之前，其各控制点沉降量都较小，沉降量变化率较大，这可能是因为隧道主洞拱底处存在的初期支护对于防寒泄水洞在结构上具有过梁作用所致；防寒泄水洞有效埋深处于4～7 m时，其各控制点沉降量变化率变小，出现平缓阶段，可能是隧道主洞拱底过梁作用影响减小导致；防寒泄水洞有效埋深处于7 m以后，其各控制点沉降量变化率显著增大，这主要是受地层埋深加大的结果，隧道主洞拱底过梁作用影响已经基本消失。
通过对防寒泄水洞不同埋置深度条件下的位移变化规律分析，隧道主洞与防寒泄水洞之间的结构影响是相互的，当防寒泄水洞有效埋深处于5～6 m时，隧道主洞与防寒泄水洞处于最佳控制阶段。
3.2 应力变化规律防寒泄水洞处于隧道主洞正下方不同埋置深度处的隧道主洞各控制点应力见图 6。从图 6可以看出：隧道主洞拱顶的第一主应力基本保持不变，这可能是因为隧道主洞的初期支护作用导致防寒泄水洞的开挖对其影响降低；与拱顶相比，防寒泄水洞的开挖对隧道主洞拱底与拱脚处的第一主应力影响较大，随着防寒泄水洞埋置深度的增加，其第一主应力的变化在防寒泄水洞有效埋深为5～6 m处都出现了谷值状态。从图 6还可以看出：隧道主洞的拱脚第三主应力整体趋势是随着防寒泄水洞埋置深度的增大而增大，但是防寒泄水洞有效埋深在4～7 m左右出现了平缓阶段；隧道主洞的拱顶和拱底则表现出明显的规律，随着防寒泄水洞埋置深度的增大，其第三主应力的变化在防寒泄水洞有效埋深为4～7 m处都出现了谷值状态。
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| 图 6 防寒泄水洞不同埋置深度条件下隧道主洞各控制点应力 Fig. 6 Stresses of main tunnel control sites in different embedded depths for cold-proof drainage hole |
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防寒泄水洞处于隧道主洞正下方不同埋置深度处的防寒泄水洞各控制点应力见图 7。从图 7可以看出：防寒泄水洞拱顶处的第一主应力在其有效埋深为4 m处发生了较大的转变，有效埋深处于5～8 m范围内出现了稳定区；防寒泄水洞拱底在其有效埋深为4～7 m时，可以清楚地看到第一主应力出现了谷值；防寒泄水洞拱脚处的第一主应力在其有效埋深为4～6 m时出现了稳定区。从图 7还可以看出：防寒泄水洞的拱顶和拱底处第三主应力在其有效埋深为4 m处都出现了转折点，并在其有效埋深处于4～8 m范围内同时出现了稳定区；对于防寒泄水洞拱脚处的第三主应力，整体表现为随防寒泄水洞埋置深度的增大而增大；对于防寒泄水洞拱脚处的第三主应力，在其有效埋深为4～7 m范围内出现了波动。
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| 图 7 防寒泄水洞不同埋置深度条件下防寒泄水洞各控制点应力 Fig. 7 Stresses of cold-proof drainage hole control sites in different embedded depths for cold-proof drainage hole |
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通过对防寒泄水洞不同埋置深度条件下的应力变化规律分析，隧道主洞与防寒泄水洞之间的结构影响是相互的，当防寒泄水洞有效埋深处于5～6 m时，隧道主洞与防寒泄水洞处于最佳控制阶段。
3.3 塑性区变化规律防寒泄水洞不同埋置深度条件下的塑性区云图见图 8。从图 8可以看出：对于防寒泄水洞在不同埋置深度条件下开挖，隧道主洞在拱脚部位均表现为卸荷状态，这可能是由于防寒泄水洞在不同埋置深度条件下的开挖导致了隧道主洞底部发生应力重分布的结果。从图 8还可以看出：防寒泄水洞不同埋置深度条件下，其塑性区面积随着埋置深度的增大而增大，同时其塑性区由拱顶沿着两侧向拱脚位置对称发展；防寒泄水洞拱脚和拱底处于卸荷状态，这是由于防寒泄水洞自身开挖释放围岩应力的结果。
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| 图 8 防寒泄水洞不同埋置深度条件下塑性区云图 Fig. 8 Plastic zone nephograms in different embedded depths for cold-proof drainage hole |
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通过对防寒泄水洞不同埋置深度条件下的塑性区变化规律分析，隧道主洞与防寒泄水洞之间的结构影响是相互的，考虑到防寒泄水洞支护和材料受力的均一性，因此选用塑性区分布比较均一的埋深方案，即当防寒泄水洞有效埋深处于4～6 m时，隧道主洞与防寒泄水洞处于最佳控制阶段。
4 结论(1) 雁口山隧道隧址区冬季寒冷漫长，年平均气温-1.7℃，极端最高气温24.0℃，极端最低气温-33.0℃，全年冰冻期长达7个月，最大积雪深度14 cm，最大冻结深度3.08 m。为了防止雁口山隧道出现冻害，从而造成隧道衬砌结构的失稳破坏，降低衬砌结构的安全可靠性，影响其安全运营和正常运行，设置防寒泄水洞是有效的整治措施。
(2) 基于MIDAS/GTS有限元分析软件，固定雁口山隧道主洞位置并贯通，仅调整防寒泄水洞的埋置深度，通过分析防寒泄水洞不同埋置深度条件下的位移变化规律、应力变化规律和塑性区变化规律，揭示了防寒泄水洞不同埋置深度条件下对隧道主洞结构的影响。结果表明：隧道主洞与防寒泄水洞之间的结构影响是相互的；从位移变化规律来看，雁口山隧道防寒泄水洞的适宜有效埋深为5～6 m；从应力变化规律来看，雁口山隧道防寒泄水洞的适宜有效埋深为5～6 m；在考虑防寒泄水洞支护和材料受力均一性的基础上，从塑性区变化规律来看，雁口山隧道防寒泄水洞的适宜有效埋深为4～6 m。
(3) 在综合考虑隧址区最大冻结深度、安全经济要求以及结构影响因素，最终确定了雁口山隧道防寒泄水洞适宜的有效埋置深度为5 m，即雁口山隧道防寒泄水洞适宜埋置深度为8 m。
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