环境温度对铁路隧道冻胀力影响研究

2022-03-31李德山

科技创新导报 2022年21期

李德山

（中铁十二局集团第四工程有限公司陕西西安 710000）

随着国家基础设施的建设和铁路网的完善，越来越多的铁路修建于高海拔寒区。寒区隧道的冻害问题一直困扰着诸多学者，因此，开展寒区隧道冻胀力研究具有极大的必要性和紧迫性。

寒区隧道冻胀问题极易导致衬砌结构开裂等冻害问题，严重威胁铁路隧道的运营安全。刘红岩［1］、耿珂［2］等研究了考虑冻融循环条件下的隧道冻胀力对支护结构和围岩的破坏影响。黄杰［3］等分析了冻结圈厚度等因素对冻胀力的敏感性，并提出寒区隧道隔热层敷设的建议。李岩松［4］研究得到非圆形隧道的冻胀力解析解，有效克服了非圆形隧道断面不能直接应用求解非圆形隧道应力和位移的问题。王海龙等［5］基于理论分析，研究得到围岩冻胀对已有裂缝的影响大小。高焱［6］、张玉伟等［7］通过理论计算得到了冻胀力的计算公式。此外，刘萌［8］、王增运［9］和高志刚等［10］对寒区隧道的冻胀防治措施进行研究，为寒区隧道的建设提供了技术支撑。

综上所述，目前，对于寒区隧道冻胀力的研究已经较多，但是已有的研究鲜有涉及环境温度对围岩和支护结构的影响。本文基于数值计算，对不同环境温度下的支护结构和围岩冻胀力大小进行分析。本文的研究可为依托工程及类似工程的设计和施工提供一定的借鉴和参考。

1 工程概况

牡佳铁路麻山隧道全长9490m，属于低山丘陵区，植被茂盛。隧址区最低温度-37.5°C，历年最冷月平均气温-16.2°C，土壤最大冻结深度255cm，表层粉质黏土冻胀性分级为Ⅱ级弱冻胀性至Ⅳ级强冻胀性，全风化混合花岗岩冻胀性分级为Ⅱ级弱冻胀性至Ⅳ级强冻胀性。

2 计算模型及参数

本次数值计算模型如图1所示，采用COMSOL 多场耦合数值模拟软件中的固体力学和传热模块进行数值计算。模型底部约束竖向位移，两侧约束水平位移，围岩初始温度根据设计资料取为5.5°C，模型的隧道内壁为对流边界，对流换热系数取14W/（m2·K）。模型尺寸为120m×120m。数值计算参数如表1所示。本次数值计算共包括5 个工况，分别为外界环境温度为-5°C、-10°C、-15°C、-20°C 和-25°C，计算得到不同环境温度下衬砌结构和围岩的冻胀力大小，进一步得到冻胀力随外界环境温度变化的拟合表达式。

表1 数值模型计算参数

图1 数值计算模型图

3 冻胀力计算结果

3.1 支护结构冻胀力

支护结构在外界环境温度分别为-10°C、-15°C 时的最大拉、压应力随计算时间的变化规律如图2和图3所示。由此表明，随着计算时间的增大，支护结构最大拉、压应力表现为明显的先迅速增大、后逐步变缓增大的两阶段变化特性。

图2 - 10°C 下结构受力随计算时间变化图

图3 - 15°C 下结构受力随计算时间变化图

当计算时间为30d时，环境温度为-10°C时的初支拉应力为最终值的78.9%，压应力为最终值的81.6%，二衬结构拉应力为最终值的80.4%，压应力为最终值的69.3%；环境温度降低至-15°C时的初支拉应力为最终值的83.8%，压应力为最终值的85.0%，二衬结构拉应力为最终值的82.9%，压应力为最终值的75.2%。可见，随着计算时间的增长，衬砌结构的应力逐渐变大。因此，实际工程中应注意保证保温层等结构的施工质量，减小因持续低温造成衬砌结构发生破坏的现象。

不同环境温度下，支护结构的最大拉、压应力及其拟合曲线如图4所示，这表明初期支护结构的最大拉应力大于最大压应力，而二次衬砌结构的最大拉应力小于最大压应力。结构应力由大到小分别为初期支护的拉应力、二次衬衬压应力、二次衬砌拉应力和初期支护压应力。

图4 结构受力随环境变化规律图

当环境温度由-5°C降低至-25°C时，初期支护最大拉应力分别为0.76MPa、1.18MPa、1.76MPa和2.30MPa，分别增大322.2%、555.6%、877.8%和1177.8%；最大压应力分别为0.09MPa、0.19MPa、0.30MPa和0.43MPa，分别增大111.1%、233.3%、377.8%和533.3%；二次衬砌最大拉应力分别为0.23MPa、0.35MPa、0.53MPa 和0.67MPa，分别增大228.6%、400.0%、657.1% 和857.1%；最大压应力分别为0.28MPa、0.50MPa、0.72MPa 和1.16MPa，分别增大300.0%、614.3%、928.6%和155.7%。

拟合结果表明，支护结构受力随外界环境温度的变化规律可用一次函数拟合表现，拟合系数均大于0.90，表明拟合效果良好，可有效表现支护结构受力随外界环境温度变化规律。初期支护拉应力受环境温度的影响最大，斜率为-0.1048，而其压应力受环境稳定的影响最小，斜率为-0.024。因此，在冻胀力的作用下，初期支护结构最先发生拉裂破坏。

3.2 围岩冻胀力

不同环境温度下，围岩结构的最大拉、压应力及其拟合曲线如图5所示。当环境温度由-5°C 降低至-25°C 时，围岩结构最大拉应力分别为0.22MPa、0.38MPa、0.53MPa 和1.09MPa，分别增大120.0%、280.0%、430.0% 和990.0%；最大压应力分别为0.36MPa、0.57MPa、0.78MPa 和1.73MPa，分别增大140.0%、280.0%、320.0%和1053.3%。

图5 不同环境温度下围岩最大拉、压应力

围岩最大拉、压应力随环境温度变化可用二次多项式进行表现，拟合系数大于0.90，表明拟合效果较好。围岩的最大压应力值大于最大拉应力，其围岩的压应力变化量大于拉应力，即围岩压应力对环境温度的敏感度大于围岩的拉应力。当环境温度高于-10°C时，围岩应力受环境温度变化的影响较小。

拱顶测线的围岩应力分布如图6所示，表明围岩第一主应力随着围岩深度的增大表现为先减小、后增大、再减小、最后趋于稳定的变化趋势，第三主应力则表现为随着径深的增大而迅速增大、后逐渐缓慢增大、最后趋于稳定的变化规律。随着环境温度的降低，第一主应力峰值及其所处深度增大，第三主应力的峰值及其变化范围也增大，即不同环境温度下，围岩的受力状态有较大变化。

图6 围岩主应力随环境温度变化图

当环境温度由-25°C增加至-5°C时，围岩第一主应力最大负值分别为-80.1kPa、-51.6kPa、-36.8kPa、-19.9kPa、-4.64kPa，分别减小35.6%、54.1%、75.2%、94.2%，即变化率线性增大；最大正值分别为57.3kPa、47.4kPa、32.0kPa、15.3kPa、4.1kPa，分别减小17.3%、44.2%、73.3%、92.8%，变化率先增大后减小；围岩第三主应力最大值分别为-601.1kPa、-470.3kPa、-341.1kPa、-213.2kPa、-85.1kPa，分别减小21.8%、43.3%、64.5%、85.8%，变化率线性增大。