高巖溫隧道圍巖-支護結構溫度場演化規律

王明年， 唐興華， 吳秋軍， 童建軍， 董從宇

(西南交通大學 土木工程學院 交通隧道工程教育部重點實驗室, 四川 成都 610031)

當隧道埋深過大，或受到巖漿活動、溫泉等地下熱水的影響時，圍巖溫度升高，使隧道施工作業時洞內空氣溫度超過28 ℃，影響施工安全和人員健康[1-2]，這類隧道可認為是高巖(地)溫隧道。與常巖溫隧道相比，高巖溫隧道支護結構出現了各種問題，比如：砂漿錨桿抗拔力以及噴射混凝土與圍巖黏結強度不足[3]、噴射混凝土因高巖溫蒸發水分而產生裂縫[4]、二次襯砌混凝土由于溫度應力產生裂縫[5]等，而研究并解決這些問題的前提，是弄清高巖溫隧道圍巖、初期支護、二次襯砌溫度場在施工過程中的變化過程，明確隧道開挖、施工通風對各類溫度場的影響規律。所以，開展高巖溫隧道溫度場研究是十分必要的，也是很有意義的。

目前，高巖溫隧道溫度場的研究主要采用理論分析、數值模擬的方式，比如：邵珠山等[6]采用二維穩態熱傳導方程和平衡方程，研究了圓形隧道溫度場分布；盧達[7]以拉日鐵路雅江峽谷地熱異常區為研究對象，根據測溫鉆孔實測數據，采用數值模擬方法，研究了隧道的溫度場分布；徐長春等[8]以高黎貢山隧道為背景，采用有限元分析法分析了隧道結構溫度場的變化規律；劉乃飛等[9]采用解析方法研究了新疆布侖口-公格爾水電站高地溫隧洞圍巖和支護結構的溫度分布規律；謝強等[10]采用有限單元法模擬秦嶺隧道區域地溫場，對隧道巖溫進行預測并進行分區；彭浩等[11]依據熱傳導-對流模型，對齊熱哈塔爾水電站引水隧洞溫度場進行數值分析，研究了隧址區發育的泉水對溫度異常的影響。上述研究可分為兩類，一是分析高巖溫隧道穩態溫度場，二是預測隧道原始地溫場，兩者皆未涉及高巖溫隧道溫度場在施工中的瞬態變化。

鑒于此，本文依托拉日鐵路典型的高巖溫隧道——吉沃希嘎隧道，研究了在施工通風作用下隧道溫度場的變化過程和規律，以期為高巖溫隧道支護材料特性、結構受力及相關研究提供支持和參考。

1 拉日鐵路高巖溫隧道概況

新建拉薩至日喀則線(簡稱拉日線)鐵路位于青藏高原西南部，途經雅魯藏布江峽谷區域，由于受南北向斷裂構造控制的條帶狀熱儲構造的影響，色麥至仁布段地熱異常，里程為IDK87+697～ⅢDK145+170，涉及隧道工點6個，見表1。

表1 拉日線高巖溫隧道統計表

在表1中，最典型的高巖溫隧道是吉沃希嘎隧道，其起訖里程為ⅢDK117+520～ⅢDK121+494，全長3 974 m，為單線隧道。該隧道洞身地熱問題突出，在ⅢDK117+690～ⅢDK120+375段，地勘測溫顯示，隧道路肩部位的巖溫值在28～48 ℃，孔內溫度值最高達65.4 ℃，施工中根據掌子面超前鉆孔測溫，最高溫度達55.1 ℃。

2 高巖溫鐵路隧道溫度場現場測試及數值模擬

2.1 現場測試

選取拉日線典型的特高巖溫隧道-吉沃希嘎隧道開展現場試驗，試驗段里程DK118+960～DK119+000，長為40 m。隧道圍巖為Ⅳ級，埋深60～66 m。溫度量測采用振弦式溫度計。初期支護溫度測點布置在斷面的拱頂、左拱腰、左邊墻、右拱腰、右邊墻，每個位置布置2個溫度計，分別位于初期支護靠近圍巖一側和初期支護中間位置；二次襯砌溫度測點布置在二次襯砌左、右邊墻高1 m處，位置在靠近初期支護一側，且兩側邊墻沿隧道縱向均布置9個溫度計，間距1 m。具體布置方案見圖1、圖2。

2.2 數值模擬

運用FLAC3D有限差分法軟件，進行高巖溫隧道施工階段的三維熱分析。選擇吉沃希嘎隧道DK117+850截面建立三維計算模型(見圖3)，其中隧道埋深85 m，隧底圍巖厚35 m，左右兩側寬度取5倍隧道跨度約為35 m，縱向長度為34 m。

計算模型上邊界溫度考慮最不利影響，根據吉沃希嘎隧道區域夏季極端高溫取為30 ℃，左右邊界簡化為固定溫度梯度(見表2)，隧道開挖后其圍巖及初期支護內表面溫度為28 ℃[1]。

計算工況以隧道路肩處圍巖初始溫度為準，總共分為3組，見表2。

表2 計算工況及模型兩側溫度梯度

根據現場勘察設計資料以及文獻[12-14]等確定圍巖和初期支護的計算參數，含鋼架噴混凝土的計算參數通過等效面積進行換算，見表3。

選擇隧道軸向第7 m處為分析斷面，在該斷面拱頂上方豎直方向20 m內設立14個分析點，在邊墻兩側水平方向15 m內設立12個分析點，在仰拱下方豎直方向15 m內設立9個分析點。通過提取分析點溫度數據，研究圍巖和初期支護溫度場演化規律。

表3 計算參數

3 高巖溫鐵路隧道圍巖溫度演化規律

3.1 隧道開挖對圍巖溫度的影響范圍

根據數值模擬結果，以圍巖初始溫度48 ℃的工況為例，繪制隧道周邊圍巖分析點在不同開挖時間的溫度曲線，見圖4。

由圖4可知，隨著隧道開挖的進行，由于隧道內連續通風散熱，同一圍巖分析點溫度逐漸降低，并且發生降溫的分析點數量增加，即圍巖降溫范圍擴大。當隧道開挖60 d后，拱頂上方、邊墻外側、仰拱下方圍巖降溫范圍(即開挖對圍巖溫度場影響范圍)分別是17、14、13 m。同理，可得當圍巖初始溫度分別為60、80 ℃時，隧道開挖60 d后對圍巖溫度場的影響范圍，見圖5。

由圖5可知，圍巖初始溫度越高，隧道開挖對圍巖溫度場影響范圍越大；隧道拱頂上方的圍巖溫度場影響范圍最大，達到2.9～3.6倍洞徑，邊墻兩側和仰拱下方的影響范圍基本一致，分別達到2.2～3.3倍洞徑和2.0～3.3倍洞徑。

根據圖5，通過數學擬合，得到影響范圍與圍巖初始溫度的關系式，方差均為1。

( 1 )

式中：Lg為拱頂上方影響范圍，m；Lb為邊墻外側影響范圍，m；Ly為仰拱下方影響范圍，m；T為隧道路肩處圍巖初始溫度，℃。

3.2 隧道周邊圍巖的降溫方式和幅度

根據數值模擬結果，以圍巖初始溫度48 ℃的工況為例，繪制隧道拱頂上方圍巖分析點溫度隨時間變化曲線，見圖6。

由圖6可知，拱頂上方1.4 m內圍巖在開挖5 d內溫度快速降低，降幅較大，而5 d后溫度下降較小或變化不大，60 d總降幅達22%～37%；拱頂上方1.4 m外圍巖溫度隨時間逐漸降低，60天總降幅小于20%。這表明：隧道開挖后的施工通風對1.4 m范圍內圍巖的降溫影響顯著，表現為突變式降溫且降幅大于20%。由此，可得不同圍巖初始溫度時，隧道周邊圍巖的降溫方式和幅度，見表4。

表4 隧道周邊圍巖降溫方式和幅度

由表4可知：

(1) 隧道周邊圍巖降溫方式可分為突變式和漸變式。突變式降溫是指圍巖溫度在0～5 d急劇降低，在5～60 d緩慢降低；漸變式降溫是指圍巖溫度在0～60 d較均勻地逐漸降低。發生突變式降溫的圍巖范圍隨其初始溫度的增大而增大。

(2) 隧道周邊圍巖降溫幅度與圍巖初始溫度、圍巖位置有關。圍巖初始溫度越高，降溫幅度越大；拱頂上方、邊墻兩側、仰拱下方圍巖的降溫幅度依次增大。

4 高巖溫鐵路隧道支護結構溫度演化規律

4.1 初期支護溫度演化規律

根據數值模擬結果，以初期支護拱頂為例，繪制初期支護溫度隨時間變化曲線，見圖7。

由圖7可知，盡管圍巖初始溫度不同，初期支護拱頂外表面溫度均在隧道開挖5 d內出現了大幅度下降，占總降幅的92.7%～94.8%，而在之后的55 d里溫度變化很小，基本恒定在28 ℃左右，與洞內空氣溫度基本一致，原因是初期支護較薄，其溫度場受通風降溫影響顯著。初期支護其余部位同樣受到施工通風的影響，其溫度變化規律與拱頂處相同。

根據現場測試結果，繪制初期支護溫度隨時間變化曲線，見圖8。

由圖8可知，7 d內初期支護拱頂、拱腰、邊墻等各部溫度迅速降低，7 d后溫度則波動均很小，接近洞內空氣溫度。

比較數值模擬和現場測試結果，兩者反映出的初期支護溫度變化規律基本一致，即初期支護降溫方式表現為突變式降溫，且5～7 d后溫度與洞內空氣溫度基本一致。

4.2 二次襯砌溫度演化規律

根據現場測試結果，繪制二次襯砌溫度隨時間變化曲線，見圖9。

由圖9可知，二次襯砌左右邊墻溫度在0～7 d內大幅度降低，7 d后變化很小，基本在34.5～35.5 ℃范圍內，與洞內空氣溫度差異不大(試驗段后期通風措施減弱，空氣溫度有所上升)。該溫度變化規律與初期支護一致。

5 結論

針對高巖溫鐵路隧道施工中溫度場的變化過程，運用數值模擬和現場測試兩種方法開展研究，可得到以下結論：

(1) 隧道開挖對圍巖溫度場的影響范圍與圍巖初始溫度呈正相關關系，拱頂上方、邊墻兩側和仰拱下方圍巖的影響范圍可表示為圍巖初始溫度的二次函數。

(2) 隧道周邊圍巖降溫方式可分為突變式和漸變式；圍巖初始溫度越高，降溫幅度越大，拱頂上方、邊墻兩側、仰拱下方圍巖的降溫幅度依次增大。

(3) 隧道初期支護、二次襯砌降溫方式也表現為突變式降溫，即5～7 d內溫度急劇下降，后期則基本與洞內空氣溫度一直。這表明施工通風的降溫效果顯著，高巖溫對隧道襯砌結構的作用時間有限，不利影響也是暫時的。

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