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高海拔季节性冻土隧道的多场耦合分析研究

李岩松  
【摘要】:以新建汶川至马尔康高速公路鹧鸪山特长隧道为依托工程,针对其施工重难点及关键技术难题,开展高原高寒深埋软岩隧道设计与施工技术研究。通过对隧址区大气温度、地层温度、围岩应力的监测、分析,掌握高原高寒深埋长大隧道围岩特性、变形特征及温度、应力特征;并结合相关数据对高原高寒深埋软岩隧道进行理论分析和数值计算,建立合理的渗流场、应力场双场耦合模型,以及附加温度场的三场耦合模型。重点展开隧道在温度、应力、地下水条件的影响下围岩特性、变形特征、温度应力特征的研究,为高原高寒深埋软岩隧道防冻害设计、施工提供理论依据。获得的主要结论如下:1.通过对隧道内纵向大气温度的监测,研究隧道纵向温度变化规律,探明各里程处气温变化与外界大气温度变化趋势基本一致,呈现出隧道洞内各里程温度随洞外大气温度的变化而同趋势变化,但隧道气温变化的灵敏程度随着隧道纵向深度的加深而下降;鹧鸪山隧道冬季冰点出现在距离洞口约100米处,衬砌结冰现象出现在距离洞口约100米以内。2.通过对隧道围岩径向温度的监测,可以看出,围岩总体温度会随着季节的变化而变化,越靠近临空面的围岩温度变化越剧烈,而越远离临空面的围岩温度变化越小。3.对比隧道在穿越不均匀地层时由于围岩岩性变化,隧道拱顶竖向位移会有不同程度改变,在围岩岩性较好时位移较小,围岩岩性较差时位移较大。4.通过对现场衬砌的监测数据分析可知:围岩的扰动对于衬砌变形也存在很大影响;隧道开挖过程中时间效应、空间效应互相依存,互相影响,及时、合理的支护、封闭洞室对隧道稳定有着积极的影响;隧道变形大小还取决于施工中对施工工艺的控制,施工工艺达不到标准会影响隧道变形状况。5.利用有限差分软件对隧道深埋段进行应力场单场模拟计算以及应力场、渗流场双场耦合模拟计算,分析比较隧道在开挖过程中隧道结构在地下水作用下的应力应变规律。通过对比单场模拟计算和双场耦合模拟计算结果得到在单场情况下,计算所得到的隧道拱顶及拱肩处的位移均要小于双场耦合得到的隧道拱顶及拱肩处的位移,渗流场对应力场的影响是存在的,特别是在埋深较深、地下水水头较高的山岭隧道中。6.对比三场耦合模拟计算和实测数据,分析比较隧道在开挖过程以及后期运营过程中主体结构在渗流场、温度场作用下的变化规律,由于围岩温度只在与大气环境接触的一定范围以内才有热交换,温度场才会改变,围岩内部与大气环境几乎没有热交换,围岩温度较为稳定。温度场对隧道在开挖过程中的影响有限,所以可以认为温度场对于开挖时应力场的影响几乎可以忽略不计,开挖时隧道变形的大小只与渗流场和应力场有关,与温度场无关;随着隧道的运营,在冻融循环的作用下,隧道围岩有一定的变形,并且呈现出随着运营时间越长,隧道围岩变形越大的规律。说明隧道洞口段冻土产生的冻胀力会对衬砌产生一定的作用,冻胀力影响了衬砌的力学行为,增大了围岩和衬砌的形变。根据模拟结果每年隧道洞口段围岩冻结范围均在约1.4米处(包括初期支护和二次衬砌厚度)这与地勘资料中所述隧址区为季节性冻土,夏季冻土完全融化,冬季最大冻深约1米吻合的较好。地勘资料从侧面印证了数值模拟结果的可靠性。


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