季节性冻土隧道围岩变形机制研究

(重庆交通大学河海学院 重庆 40074)

Thestudyofdeformationmechanismsofsurroundingrockoftunnelslocatedinseasonalfrozenarea

Cuihualong

(ChongqingJiaotongUniversity,GeotechnicalEngineering,Chongqing,40074)

Abstract：The main reason of tunnels producing frost damage is seasonal changes of freezing and thawing,its deformation mechanism for Lord freeze period and under the action of freeze-thaw cycle,and the engineering properties of rock mass and rock mass structure change;Introduces the factors influencing the frost heave effect of surrounding rock has three aspects:temperature,seepage field and seasonal frozen;This paper shows that weak layers can make the surrounding rock displacement and stress increase sharply,surrounding rock plastic zone distribution area is large,fault fracture zone of the surrounding rock deformation is greater than the normal period of deformation of the surrounding rock.

Keywords：Seasonal frozen soil;deformation mechanism of surrounding rock

一、引言

地球上多年冻土、季节冻土和瞬时冻土区的面积约占陆地面积的50%，我国永久性冻土和季节性冻土的分布区域占国土面积的70%以上[1]，主要分布在西部和北部，而且这些地区大多是崇山峻岭，可以预见高海拔地区隧道将迎来修建高潮，高纬度或高海拔地区隧道的修筑对工程技术人员提出了更高的挑战和要求[2]。

二、国内外研究现状

在考虑了季节性冻土方面，赖远明[3]利用弹性粘弹性相应原理，导出了衬砌-正冻围岩-未冻围岩系统冻胀力在拉氏象空间中的有关算式，然后采用数值逆变换的方法，求得了寒区隧道的冻胀力和衬砌应力。赖远明[4]根据冻土地区的实际情况对圆形隧道正冻区和未冻区的热传导方程进行简化，应用无量纲量和摄动技术对简化方程进行求解，给出了圆形隧道冻结过程的近似解析解。王建宇[5-7]认为冻胀压力的量值和分布不仅取决于围岩的性态和气象条件，而且同衬砌结构的材料、刚度以及施工质量密切相关，从岩石和土层两种围岩中衬砌承受冻胀压力的机理出发，探讨其计算方法。

三、隧道围岩变形机制

冻土：一般是指一种温度低于0℃且含有冰的岩和土[8]，即冻土是冻结土和冻结岩的总称。

(一)冻结期内的变形机制分析

低温条件下，岩石内部的孔隙水产生冻结、发生体积膨胀，在岩石内部产生冻胀作用。对于颗粒间胶结强度相对较弱的岩石，这种冻胀力具有破坏作用，极易在岩石内部造成损伤；且当岩石含水量较高时，局部损伤有可能逐步连通成裂缝，甚至造成岩石块体断裂、剥落。

(二)融沉期内的变形机制

融沉期隧道围岩温度场由负温转为正温，冻土融化，岩体产生收缩，围岩继续受到扰动，稳定性更差，塑性区变得更大，极易产生大变形。在融沉期，岩石内部孔隙冰的融化,冻结应力和水分开始释放流出,这一过程加速了岩石的裂隙发展。冻土融化后极易产生坍方。尤其对于围岩岩体破碎，差异风化明显，上下部围岩软硬不一，稳定性差；隧道埋深浅，破碎块石地层具备较强的渗流通道，为地表水和冰雪融化水渗入隧道内提供了通道[9]。

(三)冻融循环作用下的变性机制

岩石冻融损伤的本质是三相介质(岩石、水和冰)具有各自不同的热物理性质[10]。温度降低时,水冰相变膨胀,在岩石内部产生了巨大的冻胀力,使其出现局部损伤产生微裂缝;温度升高时,伴随着岩石内部孔隙冰的融化,冻结应力和水分开始释放流出,这一过程加速了岩石的局部损伤。

岩石的冻融损伤劣化程度与冻融循环次数和冻融周期密切相关。循环次数越多,冻融周期越短,岩石受到的损伤越大、程度越深。此外,冻融温度范围对岩石的劣化损伤也有较大影响,冻融温度范围越大(冻结温度值越低),岩石受冻融循环影响越大。

四、结论

(1)冻结期，岩石的工程力学特性发生了改变，由于冰的胶结作用，岩石强度会有不同程度的增加；岩石的结构也发生了改变，冻胀作用破坏岩石内部结构，造成岩块断裂、剥落。(2)融沉期，岩体内部孔隙水融化，软体软化、收缩，对围岩产生扰动，影响其稳定性。(3)循环冻融破坏，岩体的冻融损伤本质上是所处环境的应力场、温度场及渗流场的耦合问题，多次冻融循环后,导致岩体强度和岩体承载力降低,最终对隧道围岩稳定性产生不利影响。