高地温热害对隧道及围岩影响的研究进展

2022-07-18扶凤姣胡玄旺吴银芳张军胜赵慧玲

建筑施工 2022年3期

扶凤姣胡玄旺吴银芳张军胜赵慧玲袁啸

1. 中电建路桥集团有限公司北京 100048；2. 上海大学土木工程系上海 200444

随着交通强国战略的推进，隧道工程建设范围和里程不断扩大，隧道穿越的地质条件越来越复杂。西部山区岩层隧道工程常遇到难以避绕的高地温不良地质，如已建成的西康（西安—安康）铁路秦岭隧道围岩地温达40 ℃。隧址区的高地温场主要取决于深部热流背景、岩浆活动、地下水活动、放射性生热元素含量等。隧道施工中，高地温不仅会使隧道内作业环境恶化，增加安全风险，降低施工效率，而且围岩高温会使得隧道初衬混凝土黏结强度降低、喷射困难，二衬混凝土水泥水化热不易散发导致混凝土强度降低。同时，高地温围岩易使隧道衬砌产生温度附加应力，引起衬砌开裂，严重影响隧道的安全性与围岩的稳定性。

目前，针对高地温环境问题的研究主要集中在隧道工程通风降温等技术方面，而高地温对隧道支护结构施工与力学行为影响的研究相对较少。本文对国内外高地温隧道研究现状进行总结与分析，阐述高地温对隧道衬砌施工力学行为、隧道衬砌混凝土耐久性以及隧道围岩的影响，期望能为后续工程及研究提供一定的依据。

1 高温热害对隧道衬砌施工力学的影响

隧道开挖后，土体的原有平衡被破坏，隧道衬砌作为隧道的支护结构维持围岩的稳定性。在高地温环境下，围岩温度较高，需采取降温措施控制隧道内部温度以保证施工环境。此时衬砌外表面承受围岩高温，内表面温度与施工环境保持一致，内外的温度差导致隧道形成围岩-衬砌-气流的传热系统，三者之间不断进行热传导、热对流和热辐射，隧道围岩温度场不断变化。受温度场影响，衬砌的内外表面产生不同程度的热膨胀，导致衬砌结构产生温度附加应力而开裂，且在喷射混凝土时，温度差导致混凝土黏结性能差，均不利于高地温隧道的施工。

因此，已有学者针对高地温隧道温度场、应力场的变化等对隧道衬砌施工方面的影响，进行了相关的试验研究与数值模拟研究。

1.1 高地温隧道温度场

隧道的围岩-衬砌-气流传热系统中，热量交换主要通过围岩与隧道之间的热传导、衬砌与隧道内气流之间的对流换热进行。热辐射存在于整个传热系统中，但相对于热传导与对流换热，热辐射引起的热量传递要小得多，故往往不予考虑。

目前的热传导与热对流理论多基于三维均质热传导偏微分方程与对流热传递方程进行求解，考虑到均质环境下热量呈环状扩散，Lai等[1]在极坐标系下采用无量纲法、摄动法求解二维热传导控制微分方程的近似解，得到了较为完备的解析。但由于隧道的施工条件复杂，方程的初始条件、边界条件等需根据环境的改变而改变。如考虑到隧道围岩的非均质性对隧道传热的影响，需对近开挖面围岩分层列出热平衡微分方程进行叠加求解；考虑到不同程度的高温对隧道传热的影响，需对整个隧道进行离散化分析。

在解析的基础上，利用相关数值软件也可实现温度场分布的计算，确定合理的数值模型，并有利于进行复杂的耦合场计算。其中，与流场耦合不仅需考虑水分的热传递，还需要考虑相变带来导热性能的变化。Zhang等[2]结合实测数据，充分考虑水分传递与热传导的耦合效应建立热平衡方程，运用数值方法得到其半解析解，并应用Galerkin法推导出隧道温度场的有限元计算方法。考虑到隧道内部气流会随着时间变化呈正弦规律变化，对隧道温度场产生影响，Krarti等[3]通过建立简化分析模型，基于隧道能量守恒原理，获得了地下风洞内气体温度场的解析解。

目前已有研究均基于二维热传导方程进行解析，没有考虑隧道开挖方向上的热传递影响；解析多为瞬态温度场的分布情况，未能考虑在热源影响下所形成的稳态温度场，因此适用性和解答的精度受到限制。

1.2 高地温隧道应力场

隧道开挖敷上衬砌后，隧道形成了新的应力场，在高地温影响下，衬砌内外受热不均匀，应力场随着热量传递而不断变化。基于已形成的温度场，学者们加入不同的热本构关系来联立弹性方程，进而求出指定温度场状态下的应力场与位移场。刘乃飞等[4]提出高地温隧道中衬砌受热导致自生温度应力，同时衬砌与围岩热膨胀系数不同导致约束应力，求解时需分开。其中，衬砌的自生温度应力计算模型如图1所示，相关公式如式（1）～式（3）所示。

图1 温度应力计算模型

其余参数意义可参见图1。

求解约束应力时假定衬砌与围岩完全接触，基于拉梅应力公式可得弹性约束温度应力计算公式，如式（4）、式（5）所示。

式中：ps—热弹性约束力。

鉴于隧道围岩的不均匀性与施工条件的复杂性，现场实测与数值模拟结合往往成为研究的有效手段。研究[5]发现，随着围岩温度的升高，初期支护的最大主应力均迅速增大，高温状态下主应力与无温度场状态下主应力的比值随温度升高呈二次函数关系增长，分布范围也存在扩大趋势，在温度大于50 ℃时，初期支护已有可能发生破坏。将围岩压力按照规范[6]中深埋隧道的荷载模式简化为垂直压力与水平压力，发现垂直压力与水平压力均随着温度升高呈增大趋势，且垂直压力增长速度更快，衬砌拱顶受压增长速率最大，为最不利位置。高温情况下，二次衬砌的最小安全系数迅速下降。当温度高于50 ℃时，最小安全系数甚至难以达到规范要求。因此，通常采取在初衬与二衬之间添加一层隔热层以提高二衬承载能力。研究发现，隔热层的施加可以显著减小二衬的内力，但对分布形式影响较小。工程实际应用中，隔热层的敷设方式与选用材料各有优缺点，适用于不同的工程条件，其中贴壁式与夹心式隔热层运用广泛，适用性好；干法硅酸铝纤维板与硅酸盐质复合绝热卷毡隔热材料兼具隔热性与经济性[7]。

1.3 高温热害对隧道衬砌黏结强度的影响

在喷射初期支护混凝土时，高岩温加速了混凝土内部水分的损失，尤其是处于高温低湿的环境下，水分流失更快，喷射混凝土与岩层之间的黏结强度大大降低，且水分的缺失导致混凝土水化反应中止快，水化产物不致密，混凝土细观结构上表现为疏松多孔，黏结强度降低。同时，混凝土水化热在高岩温环境下不易散失，产生过多的温度应力，也不利于混凝土与岩层的黏结。

在高温状态下，混凝土需要更多的养护时间来达到其设计强度，故对衬砌混凝土的养护要求比较高。一般考虑在混凝土硬化之前尽早采取保温保湿养护措施，目前针对施工、养护方法研究较多，多采用通风降温作为主要手段；并考虑于高岩温洞段添加隔热层或者采用耐高温混凝土，张俊儒等[8]提出采用高性能隔热轻骨料喷射混凝土代替传统的普通喷射混凝土初期支护与有机隔热材料。但研究多针对高地温环境下的养护与防护措施，有关混凝土与围岩胶结面的破坏机理研究较少。

1.4 高温热水环境对衬砌的影响

工程中一般在勘察设计阶段就合理规划隧道选线，避开高温热水地区，如难以避开，为减少地下热水对隧道施工及运营的影响，应保持隧道在高温热水面之上。一些地区受其地层特性、地质构造以及地下水等因素影响，很可能出现高温涌水等问题。在一些富水高地温围岩还存在着渗流与温度效应耦合，形成温度场、流场与应力场三场耦合的复杂问题。不仅需要考虑流体在温度场中的热传递，还要考虑土体间应力对于渗流的影响。考虑流场、热场、力场等多场耦合的高地温隧道问题较为复杂，例如高地温隧道过水导致衬砌受力与变形相比未考虑温度场的情况增幅更大、高温涌水导致围岩衬砌黏结性能差等。另外，二次衬砌作为隧道内部结构的载体，过水后其应力增大，安全系数降低，更容易发生破坏。

同时，在高温热水的长期浸泡下，受水中负离子的侵蚀，隧道内部支护结构易被腐蚀，且混凝土内部空隙被孔隙水填充，混凝土的饱和度增加，混凝土颗粒间的相互作用减小，材料强度降低，结构安全系数下降。华阳等[9]基于规范中材料性能计算方法，在有限元软件中建立了有关混凝土温度、饱和度、力学性能的耦合关系，对高温热水影响下的隧道劣化特征进行分析，发现高地温隧道衬砌拱顶在热水作用下安全系数下降最快，拱肩次之。

2 高温热害对衬砌耐久性能的影响

在高地温隧道工程喷射混凝土施工过程中，隧道内与围岩存在温度差，喷射混凝土内部形成温度梯度，升温或者降温过程中均会产生热变形。当变形受约束而产生的拉应力超过混凝土自身抗拉强度时，混凝土容易发生开裂。除了进行及时合理的养护，工程中常选用合理骨料级配与水灰比、加入添加剂来防止裂缝产生。

2.1 混凝土长期强度

混凝土养护过程中，温度越高、湿度越低，混凝土的抗渗性能与抗碳化性能就越弱，混凝土的长期强度就越低。在养护过程中，隧道内的地热与围岩温度较高，混凝土内部的胶凝材料水化速度快，生成的水化产物来不及均匀扩散，初凝与终凝的时间大大缩短。虽然初凝时间缩短可以使混凝土的前期强度提高，但导致了内部结构疏松，混凝土的后期强度增长缓滞，且温度越高、湿度越大，对混凝土抗氯离子渗透性能和抗碳化性能的影响越大。

对此，通常采用不同的骨料级配、配合比调整和添加相应材料以增加混凝土的耐久性能。添加粉煤灰与矿渣粉，可以有效地抑制高地温环境下衬砌混凝土的力学性能劣化。尤其是粉煤灰，在水化反应中生成胶凝颗粒填充微观空隙，使混凝土整体结构更为紧密，有效地提高了混凝土的耐久性能。但粉煤灰通常在80 ℃超高地温环境下表现较好，在50～60 ℃时矿渣粉的抑制劣化效果更优；且过多地掺入粉煤灰会导致水泥含量降低，强度不升反降，故需根据实际情况合理选择粉煤灰掺量。王艳等[10]通过模块试验研究不同龄期、不同掺合料混凝土的强度特性，并借助XRD和SEM测试手段，对比了掺和矿渣粉煤灰与单掺粉煤灰的差异，给出了不同温度下不同配合比的更优选择。

2.2 混凝土细观结构

高温导致混凝土的早期水化反应加快，会在混凝土内部中留下许多孔洞，在长期使用过程中，内部空隙由内部扩散至表面，形成裂纹，也会大大影响衬砌混凝土的耐久性能。掺入纤维可以有效提高混凝土的延展性，抑制混凝土裂缝的产生与发展，降低混凝土的质量损失与强度损失。纤维混凝土相比普通混凝土有更优越的抗压、抗剪性能，能够满足高地温隧道衬砌的设计要求。王瑞兴等[11]通过混凝土力学性能试验，对比混凝土中掺加高熔点的钢纤维、低熔点的丙烯纤维与玻化微珠后，对于抑制混凝土由于温度效应产生微裂缝的情况。郭丽萍等[12]发现掺入有机纤维可以减少高温作用下混凝土的水分蒸发量，降低混凝土的质量损失。

3 高温热害对隧道围岩的影响

高温热害不仅会影响隧道支护结构的力学性能，也会影响隧道周围岩层。地层岩石性质复杂多变，其中复杂的矿物晶体的空间排列方式与结晶方式导致了岩石热膨胀的各向异性。受热时，内部的矿物晶体会发生不同程度的膨胀，产生裂缝。同时岩石受热微观结构改变、分子间约束力降低，裂纹产生及发展，物理性质发生变化。

3.1 温度对岩石物理参数的影响

研究发现岩石受热导致内部矿物成分发生复杂的物理或者化学变化，从而引起岩石物理力学性质的改变。例如温度升高会导致岩石内聚力降低、内摩擦角增大、弹性模量降低、脆性增加；在20～40 ℃范围内，弹性模量随着温度的升高而降低，泊松比随着温度的升高而升高，高于40 ℃后，弹性模量和泊松比受温度影响的幅度降低[13]。万志军等[14]通过与温度耦合的三轴试验测定了花岗岩的热膨胀系数，指出热膨胀系数随着温度升高而增加，且数值受围岩围压影响较大。Yavuz等[15]通过试验研究与文献调研，概述了花岗岩弹性模量、单轴抗压强度、抗拉强度、泊松比、线性热膨胀系数、热扩散系数、比热和热传导率等物理性质随着温度的变化。郤保平等[16]考虑了热-水-力耦合，试验研究了高温花岗岩遇水冷却后抗压抗拉强度、弹性模量与温度的关系。

3.2 高温下岩石热应力破坏特征

岩石在高温状态下产生热应力，受力状态改变，严重时甚至产生裂缝。学者们对于岩石裂缝的研究主要采用电子计算机断层扫描（CT）或扫描电子显微镜（SEM）等微观方式，或者基于岩石破裂声发射特征进行观察。研究发现，温度升高后，在不均匀的热膨胀下拉应力增大，岩石产生裂缝甚至发生破坏，断裂韧性降低[17]。根据声发射变化规律，岩石热破裂存在阈值，不同温度段岩石的裂纹发展情况不同。赵阳升等[18]利用声发射特征与三轴试验发现，当岩石温度高于热破裂阈值时，热破裂随温度变化具有随机性、间断性与多期性。

武晋文等[19]提出岩石在升温与降温过程中产生破坏的类型也不同，其中升温主要表现为弹塑性破裂，为压剪破裂；降温主要表现为脆性破裂，为拉剪破裂。除了受热产生热膨胀，学者们发现岩石在高温冷却过程中会发生收缩，温度越高收缩越大，岩石内部拉应力越大，越容易产生裂缝。