高海拔季節(jié)性凍土隧道的多場(chǎng)耦合分析研究.pdf

1、以新建汶川至馬爾康高速公路鷓鴣山特長隧道為依托工程，針對(duì)其施工重難點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)難題，開展高原高寒深埋軟巖隧道設(shè)計(jì)與施工技術(shù)研究。通過對(duì)隧址區(qū)大氣溫度、地層溫度、圍巖應(yīng)力的監(jiān)測(cè)、分析，掌握高原高寒深埋長大隧道圍巖特性、變形特征及溫度、應(yīng)力特征;并結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)高原高寒深埋軟巖隧道進(jìn)行理論分析和數(shù)值計(jì)算，建立合理的滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)雙場(chǎng)耦合模型，以及附加溫度場(chǎng)的三場(chǎng)耦合模型。重點(diǎn)展開隧道在溫度、應(yīng)力、地下水條件的影響下圍巖特性、變形特征、溫度應(yīng)

2、力特征的研究，為高原高寒深埋軟巖隧道防凍害設(shè)計(jì)、施工提供理論依據(jù)。
　　獲得的主要結(jié)論如下:
　　1.通過對(duì)隧道內(nèi)縱向大氣溫度的監(jiān)測(cè)，研究隧道縱向溫度變化規(guī)律，探明各里程處氣溫變化與外界大氣溫度變化趨勢(shì)基本一致，呈現(xiàn)出隧道洞內(nèi)各里程溫度隨洞外大氣溫度的變化而同趨勢(shì)變化，但隧道氣溫變化的靈敏程度隨著隧道縱向深度的加深而下降;鷓鴣山隧道冬季冰點(diǎn)出現(xiàn)在距離洞口約100米處，襯砌結(jié)冰現(xiàn)象出現(xiàn)在距離洞口約100米以內(nèi)。
　　2.

3、通過對(duì)隧道圍巖徑向溫度的監(jiān)測(cè)，可以看出，圍巖總體溫度會(huì)隨著季節(jié)的變化而變化，越靠近臨空面的圍巖溫度變化越劇烈，而越遠(yuǎn)離臨空面的圍巖溫度變化越小。
　　3.對(duì)比隧道在穿越不均勻地層時(shí)由于圍巖巖性變化，隧道拱頂豎向位移會(huì)有不同程度改變，在圍巖巖性較好時(shí)位移較小，圍巖巖性較差時(shí)位移較大。
　　4.通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)襯砌的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知:圍巖的擾動(dòng)對(duì)于襯砌變形也存在很大影響;隧道開挖過程中時(shí)間效應(yīng)、空間效應(yīng)互相依存，互相影響，及時(shí)、合理的

4、支護(hù)、封閉洞室對(duì)隧道穩(wěn)定有著積極的影響;隧道變形大小還取決于施工中對(duì)施工工藝的控制，施工工藝達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)會(huì)影響隧道變形狀況。
　　5.利用有限差分軟件對(duì)隧道深埋段進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)單場(chǎng)模擬計(jì)算以及應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)雙場(chǎng)耦合模擬計(jì)算，分析比較隧道在開挖過程中隧道結(jié)構(gòu)在地下水作用下的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律。通過對(duì)比單場(chǎng)模擬計(jì)算和雙場(chǎng)耦合模擬計(jì)算結(jié)果得到在單場(chǎng)情況下，計(jì)算所得到的隧道拱頂及拱肩處的位移均要小于雙場(chǎng)耦合得到的隧道拱頂及拱肩處的位移，滲流場(chǎng)對(duì)應(yīng)力場(chǎng)

5、的影響是存在的，特別是在埋深較深、地下水水頭較高的山嶺隧道中。
　　6.對(duì)比三場(chǎng)耦合模擬計(jì)算和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析比較隧道在開挖過程以及后期運(yùn)營過程中主體結(jié)構(gòu)在滲流場(chǎng)、溫度場(chǎng)作用下的變化規(guī)律，由于圍巖溫度只在與大氣環(huán)境接觸的一定范圍以內(nèi)才有熱交換，溫度場(chǎng)才會(huì)改變，圍巖內(nèi)部與大氣環(huán)境幾乎沒有熱交換，圍巖溫度較為穩(wěn)定。溫度場(chǎng)對(duì)隧道在開挖過程中的影響有限，所以可以認(rèn)為溫度場(chǎng)對(duì)于開挖時(shí)應(yīng)力場(chǎng)的影響幾乎可以忽略不計(jì)，開挖時(shí)隧道變形的大小只與滲流場(chǎng)

6、和應(yīng)力場(chǎng)有關(guān)，與溫度場(chǎng)無關(guān);隨著隧道的運(yùn)營，在凍融循環(huán)的作用下，隧道圍巖有一定的變形，并且呈現(xiàn)出隨著運(yùn)營時(shí)間越長，隧道圍巖變形越大的規(guī)律。說明隧道洞口段凍土產(chǎn)生的凍脹力會(huì)對(duì)襯砌產(chǎn)生一定的作用，凍脹力影響了襯砌的力學(xué)行為，增大了圍巖和襯砌的形變。根據(jù)模擬結(jié)果每年隧道洞口段圍巖凍結(jié)范圍均在約1.4米處（包括初期支護(hù)和二次襯砌厚度）這與地勘資料中所述隧址區(qū)為季節(jié)性凍土，夏季凍土完全融化，冬季最大凍深約1米吻合的較好。地勘資料從側(cè)面印證了數(shù)值模