高海拔寒区隧道冻胀机理的研究

高海拔寒区隧道冻胀机理的研究
作者：李盈灿王伟卢军源
来源：《建筑工程技术与设计》2014年第30期
【摘要】本文将着重分析隧道冻胀的机理，说明其中存在的一些问题，并介绍更加科学合理的温度-渗流-应力三场耦合条件下的围岩温度场控制方程。

【关键词】高海拔寒区隧道；冻胀机理；三场耦合
0 引言
我国每年在高海拔高寒山区修建的隧道数量很多，调查时发现高海拔寒区隧道大部分都有病害，每年用于这些病害隧道的维修养护费用数额巨大。

其主要原因是在施工过程中开挖区围岩本身的温度场会被破坏，随着隧道内外温度的交替，开挖断面冻土层的物理性质和热力性质将会改变，特别是冻土的融沉性、膨胀性和冻土的承载力等性质会改变。

1 冻胀现象物理机制
冰晶体的分子结构中，每一个水分子周围都有四个紧邻的水分子，靠氢键联接，形成一个以氧原子为中心的四面体巨分子。

这样的排列为冰晶体提供了强度，同时也形成了分子之间的“空穴”。

资料表明，冰的密度随着温度变化，但在工程应用领域，体积膨胀率通常取9%即可满足实际需求。

2 隧道冻融破坏机理
根据高海拔寒区隧道冻害产生的力学机理和工程实践，寒区隧道冻害产生主要决定于四个因素：温度条件、水文条件、围岩条件、设计施工。

根据已有的研究资料，隧道的冻胀破坏过程及其破坏机理，主要有三种冻胀破坏模型：含水风化层冻胀模型、冻融岩石圈整体冻胀模型、积水冻胀模型。

（l）含水风化层冻胀模型
上世纪80年代，日本学者研究认为，衬砌的冻胀是由于风化层中的水冻结而引起的。

边墙部位的风化层含水较拱顶大得多，所以冻胀主要在边墙，拱顶很少冻胀。

张社道和王联提出了含风化层冻胀模型，认为冻胀一般发生在边墙风化层，拱顶冻胀较小，冻胀压力可用侧压力代替，用弹簧模拟拱顶4m范围内地层的弹性抗力作用，并建议设计中洞口段冻胀力取
0.9MPa，洞内取0.6Mpa[1]。

（2）冻融岩石圈整体冻胀模型
该模型认为，隧道衬砌周围一定深度范围的围岩形成冻结圈，冻结圈范围的岩石中孔隙均匀且饱和，则冻结圈范围内的水冻成冰以后将整体膨胀，从而对隧道衬砌产生冻胀力。

（3）积水冻胀模型
结合青藏线高寒隧道的研究，中铁西南科学研究院提出积水冻胀模型，以此计算隧道衬砌所承受的冻胀力，该模型认为冻胀力主要由衬砌背后积水结冰引起。

由于开挖整、喷混凝土和钢架施工的表面不平整以及防水板铺设等原因使衬砌与围岩留有局部存水空间，一旦结冰即产生冻胀力，其计算公式为：
（1）
式中：水冻结成冰的体积膨胀系数（9%）；q为冻胀力；Ω为局部积水的体积；△Ω为当q=1Mpa，衬砌变形后所增加的体积[2-3]。

3 温度-渗流-应力-损伤（THMD）耦合机理
耦合过程是指一种物理力学过程对另外一种物理力学过程产生影响，且这种影响多为相互的[4]。

研究岩体工程的稳定性一般涉及到三个场的耦合问题：温度场（T）、渗流场（H）、应力场（M），而对于寒区隧道而言，还涉及到与冻融及受力引起的损伤的耦合。

4 温度-渗流-应力三场耦合条件下的围岩温度场控制方程
考虑围岩体积变形影响的围岩温度控制方程：
（2）
式中：Ceq为岩体等效体积热容；λe为岩体导热系数；νw为水的渗流速度；βs为各向同性固体的线性热膨胀系数；εv为岩体的体应变；Qe为岩体内部加热（放热）使控制体产生（消耗）的热量。

考虑体积应变的作用而得到温度-渗流-应力（THM）三场耦合条件下的围岩温度场控制方程：
（3）
式中：θw和θi只为水和冰的体积含量；βw为水的压缩系数；w0为初始密度；α为水的热膨胀系数；λw和λi分别为水和冰的密度；n为孔隙度；x为未冻水体积含量；kw为水的渗透系数，uw为水的动力粘滞系数；sp0为分凝势；Dt为温差作用下的水流扩散率。

低温冻结状态下的冻胀力与未冻水压力的关系
（4）
考虑冻融损伤，用位移形式表达的热弹性平衡方程：
（5）
式（2）、（3）、（4）、（5）构成了求解通风条件下寒区隧道温度-渗流-应力-损伤（THMD）耦合问题的基本控制方程。

由以上方程，再加上根据求解问题所指定的边界条件和初始条件，就可以确定围岩的温度场、渗流场及考虑冻融损伤的应力场以及隧道内空气的速度场、压力场、温度场和湿度场[6]。

5 结束语
针对已有的三种冻胀破坏模型的不足，使用海拔寒区隧道温度-渗流-应力-损伤（THMD）耦合问题的基本控制方程模型，不仅从力学的角度评价了隧道冻胀，而且还考虑了高海拔寒区环境与岩土体之间的热量交换及其伴随的力学变化、水分迁移等。

利用该模型，相信能更好更准确地解决高海拔寒区隧道的冻胀问题。

参考文献：
[1]张扯道，王联.高海拔及严寒地区隧道防冻设计探讨[J].现代隧道技术，2004
[2]何川，谢红强.多场祸合分析在隧道工程中的应用[M].成都：西南交通大学出版社，2007
[3]谭贤君，高海拔寒区隧道冻胀机理及其保温技术研究〔博士学位论文][D].武汉：中国科学院武汉岩土力学研究所，2010。