高地热大埋深环境隧道支护结构受力分析
复杂地质环境下的隧道施工技术探析 孙兵
复杂地质环境下的隧道施工技术探析孙兵发表时间：2018-10-01T12:55:02.520Z 来源：《基层建设》2018年第24期作者：孙兵[导读] 摘要：在我国基础设施建设中，隧道施工是非常关键的构成部分，其相对较为复杂性且具有一定难度，因此在正式施工过程中，则应当注重技术的优化运用。
广西桂商实业投资有限公司广西南宁 530000摘要：在我国基础设施建设中，隧道施工是非常关键的构成部分，其相对较为复杂性且具有一定难度，因此在正式施工过程中，则应当注重技术的优化运用。
本文主要根据复杂地质环境下隧道施工技术运用的实际情况，分析了常见地质问题，并由此对复杂地质环境下的隧道施工技术要点做出了深入探析。
关键词：复杂地质环境；隧道施工；技术要点引言我国地理条件较为复杂，在开展隧道施工时通常会面临很多问题，因而在最近几年的基础设施建设中，对于先进的技术运用显得十分迫切。
只有不断优化并全面掌握隧道施工中的技术运用，才可以让实际施工效率得到进一步提高，所以，深入探究复杂地质环境下的隧道施工技术，对于具体施工具有重要的指导意义。
1复杂地质环境下隧道施工技术运用的实际情况复杂地质环境会在很大程度上影响到隧道施工的正常开展。
根据隧道施工中复杂地质环境的实际状况来讲，关键可以从岩层的脆弱与地壳运动的活跃程度等方面反映出施工具有较大难度，并且此类较为复杂的地质环境，对于隧道施工的安全性也会产生很大威胁，因此，有关人员对此必须予以高度重视。
在较为复杂的地质环境下实行隧道施工，必将面临不同层面的挑战，根据具体的施工情况来看，全断面的挖法运用相对更加突出。
此种施工技术的运用包含了几种不同形式，而通过各种形式所得到的开挖效果也有一定差异。
在具体实行过程中，其关键特征就是可以在开放地点完成施工，以便于运用机械，进而在一定程度上提高工作效率。
此外，在复杂地质环境下的隧道施工技术运用当中，对于台阶法与分部开挖法的应用也十分突出。
2复杂地质环境下常见的地质问题2.1大断层带在隧道工程建设中，大断层是危害系数非常高且较为典型的一种复杂地质环境，通常情况下，断层破碎带和塌方、高外水压力等各种事故均具有一定关联。
深埋隧道软弱围岩支护体系受力特征的试验研究
深埋隧道软弱围岩支护体系受力特征的试验研究隧道施工技术的发展已经引起了世界各地的关注。
隧道在不同的地层、环境及施工条件下都存在着软弱围岩的支护问题，这些围岩大多由粉质、黏粘性矿物组成，如淤泥、黏土、砂岩等。
深埋隧道软弱围岩支护体系的受力特性是一个重要的课题，也是隧道安全施工和抗侧坡稳定性等方面的重要因素。
本文以深埋隧道软弱围岩支护体系的受力特性作为研究对象，探讨了其受力特性。
首先，本文综述了深埋隧道软弱围岩支护体系的结构、受力特性和受力的影响因素；其次，进行了受力特性试验研究，分别考察了隧道软弱围岩矿物种类和外加应力对支护体系受力特性的影响；最后，得到了支护体系受力特性的结论，建议了根据不同施工情况有效地进行支护体系设计。
深埋隧道软弱围岩支护体系的受力特性是由矿物种类、外加应力等因素决定的。
深埋隧道软弱围岩支护体系中，矿物种类对支护体系受力特性的影响最大，二水硫酸盐矿物结构整体较脆、微观结构复杂，抗压和抗拉强度较低；硅藻土矿物结构整体较脆、微观结构较简单，抗压和抗拉强度较高；淤泥矿物结构整体较脆、微观结构复杂，抗压和抗拉强度较低。
此外，外加应力对深埋隧道软弱围岩支护体系受力特性影响较大。
随着应力的增加，材料的抗压强度和抗拉强度均会下降，支护体系的受力性能会显著降低。
通过受力特性试验研究，可以得出深埋隧道软弱围岩支护体系的受力特性的结论，为深埋隧道软弱围岩支护体系的设计提供参考。
相关研究表明，根据不同地质条件、施工阶段等因素，应选择合适的基坑地质类型、结构形式以及支护材料组合，有效地进行支护体系设计。
综上所述，深埋隧道软弱围岩支护体系的受力特性是一个复杂的课题，需要综合考虑矿物种类、外加应力等因素，综合考虑支护体系的设计，确保深埋隧道的安全施工和侧坡稳定性。
未来的研究将考虑如何改善支护体系受力特性，以提高隧道施工质量和抗侧坡稳定性。
总之，深埋隧道软弱围岩支护体系受力特性的研究对深埋隧道安全施工和抗侧坡稳定性具有重要意义。
复杂条件下隧道支护结构稳定性分析
复杂条件下隧道支护结构稳定性分析摘要：近年来，随着我国交通运输业的蓬勃发展，多数隧道工程需要在复杂的地质条件下施工，这对隧道施工技术提出了更高的标准和要求。
在复杂地质条件下，隧道支护结构的稳定性在很大程度上决定着隧道施工的质量和安全。
本文讨论了在复杂地质条件下，如何利用有限元模型分析隧道支护的稳定性。
怎样才能确保由于复杂地质条件下，对隧道支护结构的稳定性的保护，是本文研究的关键所在。
关键词：隧道；复杂条件；支护结构；稳定性前言支护设施的可持续性是影响和阻碍隧道建设的主要问题。
如何通过适当的支护来控制隧道的荷载分布，使围岩承载力最大化，我们面临的一个重要问题是如何确保围岩与支护体系的共同承载作用，本文结合具体工程，应分析复杂地质条件下支护隧道结构的稳定性。
一、工程概况公路工程需要大面积隧道开挖。
本工程地质环境复杂，隧道穿越区岩石类型多。
上覆土为碎石土、崩坡积块石，位于隧道进口浅埋段。
隧道最大埋深880m，大型暗挖隧道围岩主要成分为灰岩和白云质灰岩。
沉积岩的物理参数为：灰岩中泊松系数=0.19，粘着系数C=4.0MPa，弹性模量E=8531MPa，内摩擦角=34.6°，白云岩中泊松系数0.24，粘附系数C=1.6MPa，弹性模量E=14003MPa，内摩擦角39.8°，沉积岩等级为四级。
二、隧道支护结构的主要测量方法目前，我国隧道工程的施工和设计中，主要采用现场监测的方法，然后采用反分析法计算岩体参数和原岩应力。
最后，运用经验分析方法对超前支护的安全机理进行了预测，并对隧道结构的最终稳定性进行了预测。
由于隧道内地下作业材料的复杂性，包括环境地质因素、结构因素、施工过程控制水平、隧道施工能力和工程量，对岩石防护结构的研究只能停留在技术理论的简单阶段，停留在单体实体分析领域，这只是一种理论研究工具和广泛的工程实践经验。
在设计和施工中的纯应用力学问题，数学理论是行不通的。
必须在系统论的指导下，从隧道实际情况出发，依靠原型或模型的观测数据和反馈理论与实践。
高难度地质条件下的隧道施工技术要点
高难度地质条件下的隧道施工技术要点隧道在现代交通建设中起着至关重要的作用，它不仅能够缩短路程，提高交通效率，还能够改善交通条件，减少交通事故发生率。
然而，在高难度地质条件下进行隧道施工却是一项具有挑战性的任务。
本文将分析高难度地质条件下的隧道施工技术要点，探讨如何克服这些难题，确保工程顺利进行。
1. 地质勘察与分析首先，在进行高难度地质条件下的隧道施工之前，必须进行地质勘察与分析。
地质调查非常重要，可以确定地质构造、地层厚度、岩性特征等相关信息。
这些信息对于后续的施工过程至关重要，能够帮助工程师制定合理的施工方案。
2. 隧道掘进方法选择选择适当的隧道掘进方法是确保施工顺利进行的重要因素之一。
在高难度地质条件下，常见的隧道掘进方法有：爆破掘进、机械掘进、隧道推进机掘进等。
每种方法都有其适用范围和优势，工程师需要根据具体情况选择最合适的方法。
3. 地下水的处理在高难度地质条件下施工隧道，地下水是一个需要重点关注的问题。
地下水会对施工过程产生很大的影响，例如会导致隧道内泥水横流、松软土层失稳等问题。
因此，工程师需要制定相应的地下水处理方案，确保施工区域的干燥与稳定。
4. 支护与防治措施支护与防治措施是高难度地质条件下隧道施工中的重要环节。
工程师需要根据地质特征选择合适的支护措施，例如钢筋混凝土衬砌、锚杆支护、防水处理等。
同时，防治措施也要随时进行监测和调整，以确保施工安全性。
5. 岩石爆破与块石处理在高难度地质条件下，岩石的爆破与块石的处理是十分重要的工作。
爆破工程的安全与效率直接关系到后续的施工进度和质量。
同时，块石的处理也需要考虑到施工环境、运输条件等因素，使得块石能够被高效处理。
6. 施工质量控制高难度地质条件下的隧道施工对质量要求非常严格。
因此，工程师需要建立科学合理的质量控制体系，包括材料的选择、施工工艺的把控等。
同时，还需要进行严格的质量检测，确保施工达到设计要求。
7. 施工安全管理在高难度地质条件下的隧道施工，工程安全是首要问题。
隧道结构受力分析
实例1 隧道结构受力分析1．问题描述选取某新建铁路线上的隧道断面，该断面采用的支护结构如图1所示。
为保证结构的安全性，采用了载荷-结构模型。
主要参数如下：⑴隧道腰部和顶部衬砌厚度是65mm，隧道仰拱衬砌厚度为85cm；⑵采用C30钢筋混凝土为衬砌材料；⑶隧道围岩是IV级，洞跨是5.36m，深埋隧道；⑷隧道仰拱下承受水压，水压0.2MPa。
图3-3 隧道支护结构断面图隧道围岩级别是IV级，其物理力学指标及衬砌材料C30钢筋混凝土的物理力学指标见表3-4。
根据《铁路隧道设计规范》，可计算出深埋隧道围岩的垂直均布力和水平均布力，见表3-5。
对于竖向和水平的分布载荷，其等效节点力分别近似取节点两相邻单元水平或垂直投影长度的一般衬砌计算宽度这一面积范围内的分布载荷的总和。
自重载荷通过ANSYS程序直接添加密度施加。
隧道仰拱部受到的水压0.2MPa按照径向方向再置换为等效节点力，分解为水平竖直方向加载。
2. 求解步骤第一步：定义工作文件名和工作标题⑴进入ANSYS/Multiphysics的程序界面后，选择菜单Utility Menu（菜单）：File→Change Jobname，出现Change Jobname对话框。
在【/FILNAM】Enter new Jobname 输入框中输入工作名称Support，单击OK按钮关闭该对话框。
⑵选择菜单Utility Menu：File→Change Title（标题）命令，出现Change Title 对话框，在输入栏中输入Tunnel Support Structural Analysis，单击OK按钮关闭该对话框。
第二步：定义单元类型（衬砌类型）选择菜单Main Menu：Preprocessor（前处理）→Element Type（元素类型）→Add（添加）/Edit（编辑）/Delete（删除）命令，出现Element Types对话框，单击Add按钮，出现Library of Element Types（类型库）对话框。
地下隧道施工中支护结构的力学分析与措施研究
地下隧道施工中支护结构的力学分析与措施研究随着城市化进程的不断加快，越来越多的地下隧道被建设出来。
在隧道施工过程中，支护结构的设计与施工难度极大，一旦设计不当或施工不规范可能导致严重的安全事故，影响地下施工的进行，给人们的生命财产造成严重损失。
因此，对地下隧道支护结构的力学分析与措施研究显得尤为重要。
一、地下隧道支护结构的种类与特点地下隧道的支护结构可以分为初始支护和固定支护两类。
初始支护是指在地下隧道开挖的初期，采用构筑物来暂时保护四周的土体和地质环境，通常采用的支护结构有：桩墙支护、拱顶与板墙支护、拱圈法等。
固定支护是指在初始支护体系的基础上，针对不同的地质环境和隧道设计要求，进行长期的满足隧道施工、运营和安全保障的支护体系。
固定支护体系的类型主要为：钢构支护、混凝土支护、预制钢筋混凝土支护、压实混凝土支护等。
不同类型的支护结构具有不同的技术特点、适应性和施工难度，需要按照实际情况进行选择和设计。
二、地下隧道支护结构的力学分析地下隧道支护结构的力学分析，主要涉及到以下一些问题：1、深埋隧道的土压力分析开挖深度一定时，土压力大小和分布情况由土体的性质、施工方式和支护结构类型决定。
根据土体的力学性质和应力分布的情况，在施工过程中选择合适的支护结构设计方案，以保证工程的长期稳定性。
2、地下隧道支护结构的承载力分析地下隧道施工过程中设计的支护结构在承受地压的同时，还要承受自身重量和地震、风压等外力的作用。
因此，在设计和施工中需要合理计算支护结构的承载能力以及抗震性能。
3、地下隧道结构的变形分析地下隧道支护结构在受到外力作用时容易产生变形和应力集中。
基于地下隧道的实际情况，进行变形分析能够找出隧道内部变形源，并找到合理的控制措施保护隧道结构的稳定和安全。
三、地下隧道支护结构的研究措施1、制定严格的技术规范和施工标准，确保支护结构安全性和可靠性。
2、对地下隧道支护结构的施工现场进行监测与测量，以及预测和分析可能存在的支护结构问题，快速采取合理的措施进行应对。
复杂地质环境中高层建筑深基坑支护分析
复杂地质环境中高层建筑深基坑支护分析【摘要】复杂地质条件下，深基坑支护施工难度比普通支护大很多，为保证施工质量，需要综合考虑到各方面的因素。
本文结合某工程实例，探讨合理采用施工工艺，做出具备挡土围护止水功能的基坑支护体系。
文章对施工重难点问题如设计、土方开挖、基坑降水等做出重点阐述，解决施工中遇到的问题，供同类工程作参考。
【关键词】基坑支护；搅拌桩；降水；施工监测当前，我国城市建设大力发展，为提高土地的利用效率，出现越来越多的地下使用空间，遇到的施工条件也越来越复杂。
在这种背景下，深基坑设计和施工越来越引起人们的关注，尤其是在地质条件复杂的情况下，出现越来越多的新技术、新工艺。
深基坑设计和施工，必须确保周围边坡稳定及施工安全，处理好和周围构筑物及地下管线的关系，并保证在地下水位之上进行施工作业。
做好排水降水等措施，为施工创造良好的作业环境。
1、工程概况在25～32m深度段主要为硬塑状粉质黏土、中密/可塑状黏质粉土夹粉质黏土，再深一点主要是砂质粉土。
32m深度到勘探孔之间，大部分为中密砂质粉土和粉砂构成，该层作为桩基的持力层。
暗浜7～18m宽，浜底深度在3.5～4.7m范围内。
地下水深度平均为—0.5m，为潜水。
2、基坑支护施工2.1围护挡土止水结构沿着基坑周边的外侧挖0.9m的土方，按照1∶0.8进行放坡到圈梁顶标高位置为止，并且在基础筏板和基坑底四周间设置一层素混凝土传力带，传力带厚300mm。
围护挡土止水结构采用的是smw工法，即φ850mm三轴搅拌桩加插h型钢，基坑局部位置加固采用φ700mm双轴搅拌桩进行，具体情况参见图2所示。
坡道位置加固结构采取双轴搅拌桩+土钉形式，搅拌桩为700mm双轴，土钉长7.5m，间距双向1000mm，顺着坡道改变搅拌桩的长度，在深坑位置补打1～ 2道土钉。
混凝土喷射分成2次进行，首先喷射30mm厚混凝土，再喷射70mm厚混凝土，混凝土强度为c20。
smw搅拌桩施工流程如下：测量放样→沟槽开挖→导向定位型钢设置→搅拌机就位，校正复核桩机水平和垂直度→拌制水泥浆液，开启空压机，送浆至桩机钻头→钻头喷浆、气并切割土体下沉至设计桩底标高→钻头喷浆、气并提升至设计桩顶标高→h型钢垂直起吊，定位校核→h型钢垂直插入→型钢固定→型钢施工完毕→型钢回收。
深埋硬岩隧道卸荷热力效应及岩爆趋势分析
摘要：在高地应力和高地温的联合作用下，深埋高地温隧道围岩的变形破坏机制将更加复杂。开展不同温度环境 下花岗岩加卸载三轴试验，详细分析试样的应力–应变全过程曲线、力学参数变化特征和宏观破坏类型等随温度 的变化规律。试验表明：存在 60 ℃～100 ℃的温度门槛值，当温度未超过此范围门槛值时，随着温度的增加，岩 石峰后变形由延性向脆性转换，温度增强了硬岩的脆性破坏；当温度升高时，主要表现为剪切破坏，出现贯穿试 件的剪切破坏。在试验基础之上，开展基于有限差分的热–力耦合分析，利用脆性力学模型和能量指标分析隧道 的温度作用效应，进行不同地温下隧道开挖后的力学响应，定量对比不同地温条件下隧道塑性区、应力和能量指 标，计算结果表明，隧道地温增加将使岩体岩爆烈度增加。计算结果与试验数据相一致，深埋硬岩隧道卸荷的热–力 耦合研究对于深埋高地温隧道的设计和施工具有指导意义。 关键词：隧道工程；高地温；岩爆；三轴试验；热–力耦合分析 中图分类号：U 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2013)08–1554–10
目前，高地温环境下的深埋隧道岩石力学问题， 已成为岩石力学的热点之一。我国西南地区地质构 造复杂、新构造运动和地热环境活跃，兴建的大量 铁路、公路深埋隧道将经受高地温环境的困扰。深 埋硬岩隧道还将经受高应力作用下的岩爆灾害。拟 建的泛亚铁路网重点工程云南大理—瑞丽铁路线全 长 34.5 km，将穿越地热环境活跃的高黎贡山，隧 道选线最大主应力为 15～28 MPa，最高温度高达 50 ℃，因此，高黎贡山隧道属高地应力、高地热隧 道，隧道将遇到岩爆、高地温及等温度–应力耦合 作用的困扰。因此，需要深入研究高应力、高地温 环境下的深埋硬岩隧道岩石力学行为。 温度对岩石的作用效应概括为两方面：一是 温度对基本力学参数的作用影响；二是温度作用引 起的破坏形式改变。如：许锡昌和刘泉声[1]研究了 20 ℃～600 ℃的花岗岩在单轴压缩下的主要力学 参数随温度的变化规律，提出 75 ℃，200 ℃分别 是力学参数的门槛值；L.Y. Zhang 等[2]探讨了从室 温至 800 ℃下 3 种硬岩的峰值强度、峰值应变和弹 性模量的变化规律；J. S. O. Lau 和 R. Jackson[3]研究 了较低围压下花岗岩的弹性模量、泊松比、抗压强度 随温度的变化规律；吴 刚等[4]研究了常温～800 ℃ 温度作用下，大理岩的应力–应变全过程等随温度 的变化情况。 在温度对岩石破坏形式改变方面：Q. X. Lin 等[5] 通过声发射监测了花岗岩强度随时间的降低规律和 微观破坏机制。 李建林等[6]通过三轴卸荷试验认为， 高温烘烤后岩样的抗拉强度出现了明显降低。张志 镇等[7]在实时高温对花岗岩进行单轴压缩和断口电 镜扫描试验，并指出高温后岩样冲击倾向性减弱， 破坏机制呈现脆性向延性转变的趋势。李鹏举等[8-9] 通过 25 ℃～1 300 ℃的温度试验证明温度的升高 使硬岩从脆性向延性转化。 在热–力计算分析方面：S. Y. Li 等[10]根据温 度对岩土的损伤试验，基于 Mohr-Coulomb 准则提 出了岩土材料的统计损伤本构模型。陈益峰等[11]基 于均匀化方法给出低孔隙率脆性岩石在热–力耦合 荷载作用条件下的各向异性损伤模型和有效热传导 特性模型。J. C. Andersson 和 C. D. Martin[12]与 H. X. Lan 等
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高地热大埋深环境隧道支护结构受力分析王玉锁;叶跃忠;杨超;唐建辉;陈龙;曾宏飞【摘要】为了研究高地热大埋深环境下隧道支护结构内力随周围介质温度变化的规律，设计了测试不同温度环境条件下隧道模型结构受力的室内模型试验，并对模型试验进行了数值模拟分析．模型试验测得的轴力比数值模拟结果大20％，两者的轴力分布趋势相同，结构安全系数接近．以某隧道工程为例，用数值模拟方法分析了埋深为1000 m、地热温度为60℃的环境条件下，隔热层设置对隧道支护结构体系受力特征及安全性的影响，结果表明：隔热层的设置对支护结构内力分布形式、初支和混凝土模筑支护结构内力的影响较小，但对二次衬砌受力有显著改善作用，设隔热层后二次衬砌的最小安全系数由2．0提高到4．0．%To study the behavior of stress varying with the ambient temperature in lining structures of high geothermal and deep-buried tunnels,a laboratory model test was designed to measure the structural stress of a tunnel model at various temperatures. Then,a numerical simulation analysis of the model test was conducted. A comparison of the two groups of data revealed that the axial force values obtained by model test were approximately 20% larger than the simulated values,but their distribution trend are similar,and the structural safety factors were approximately equal. Taking a tunneling project as an example,the numerical simulation method was adopted to analyze the effect of insulating layer on the stress characteristics and safety of the tunnel lining structure at 60 ℃ under a buried depth of 1 000 m. The results show that the insulating layer has a small effect on both the internal force distribution pattern of the supporting structure and theinternal force of the primary lining and the cast concrete lining. The insulting layer,however,can remarkably improve the stress state of the secondary lining,and the minimum safety factor of the tunnel's secondary lining structure increases from 2. 0 without a insulting layer to 4. 0 when the insulting layer is set.【期刊名称】《西南交通大学学报》【年(卷),期】2014(000)002【总页数】8页(P260-267)【关键词】隧道;高地热;热-固耦合;数值模拟【作者】王玉锁;叶跃忠;杨超;唐建辉;陈龙;曾宏飞【作者单位】西南交通大学峨眉校区，四川峨眉山614202;西南交通大学土木工程学院，四川成都610031;西南交通大学土木工程学院，四川成都610031;西南交通大学峨眉校区，四川峨眉山614202;西南交通大学土木工程学院，四川成都610031;西南交通大学土木工程学院，四川成都610031【正文语种】中文【中图分类】U455随着我国交通事业的发展，修建的深埋长大隧道越来越多.长大隧道可能穿越各种地层，并产生多种地质灾害.其中高地温在长大隧道施工过程中成为较突出的问题. 例如，瑞士埋深为2 136 m 的辛普伦隧道的地温达到55.4 ℃，日本安房公路隧道最大埋深仅700 m，但地温达到了77.5 ℃［1］.据初步勘测，我国拟建的高黎贡山隧道地温也会高达60 ℃［2］.隧道地热温度的研究越来越受到重视［3］.目前对地热温度这种内热源对隧道支护结构力学行为影响的研究相对较少［4］，对隧道工程受温度影响的研究方向主要集中在隧道通风［2］和火灾瞬时高温对隧道的影响［5-6］. 高温热害不仅会影响隧道支护结构的物理力学参数(强度、弹模等)［7］，而且由于温度的不均匀分布，在衬砌结构内会产生温度应力，这些影响会降低隧道衬砌结构体系的承载能力和耐久性［8］. 因此，研究高地热大埋深条件下隧道支护结构的受力特性具有重要意义.针对以上问题，本文首先采用室内模型试验，研究了不同温度下模型结构受力的特征和变化趋势，并与同条件下数值模拟方法的研究结果进行对照，验证了应用热固耦合的数值模拟方法分析支护结构受力机理的可行性. 最后，以我国拟建的某隧道为工程背景，应用数值模拟方法分析了在埋深为1 000 m，地热温度为60 ℃条件下所设计的支护结构的受力特征和安全性.1 模型试验本模型试验只是一般性的试验探索，并不针对具体的隧道工程，因此，本试验不涉及相似原理中的相似比关系.隧道模型周围的介质只是传热的介质，与实际工程的围岩没有力学和物性参数的对应关系.1.1 试验材料本次围岩介质材料主要采用细砂、粗砂和重晶石粉等混合配制而成，隧道衬砌模型采用钢丝、石膏、水浇筑成型，钢筋采用间距为1 cm 的Φ2 mm钢丝网模拟.衬砌模型成型后经过充分干燥，并在表面涂上清漆，故可以忽略石膏脱水引起的变化.试验模型结构的物理参数见表1.表1 衬砌模型的物理参数Tab.1 Parameters of the lining structure in model test名称弹性模量E/GPa 泊松比容重γ/(kN·m -3) 导热系数/(W·(m·K)-1) 线膨胀系数/K-1衬砌模型结构0.409 0.28 8.54 0.48 1.60 ×10-5围岩介质材料 0.2500.40 16.00 2.30 4.92 ×10-91.2 模型试验装置(1)模型尺寸:模型试验土体介质范围为:横向×纵向×竖向=1.7 m ×0.7 m ×1.7 m，隧道模型宽30 cm，高33 cm，厚1.7 cm，模型顶部埋深为114 cm.(2)加热装置:围岩介质温度控制是利用特制的可折叠变形的加热板，环绕布置在模型结构周围，二者之间有3 ～4 cm 厚的介质材料，通过温度控制传感器、温度计等对加热板的温度进行控制，来改变模型结构围岩介质的温度.(3)测点布置及数据采集:在模型结构上布置8 个断面的应变监测点，每个断面对应结构内外侧两个应变片(由于试验结果期望得到结构的轴力和弯矩，故需每个测试断面处结构内外两侧分别粘贴两个应变片，8 个断面共布置16 个应变片)，测点布置见图1(图中测点编号为测试断面编号，本文中所有测点都是指测试断面). 采用32 通道数据采集仪与计算机相连，自动采集数据. 试验装置见图2.图1 测点布置Fig.1 Layout of measurement points1.3 模型试验结果及分析通过加热板及温度控制传感器为模型围岩介质加热.当加热板达到一定温度后就停止加热，温度低于该温度后自动加热以达到介质与模型结构热平衡状态，并保持一定时间使所测得数据稳定后，再进行下一温度环境的测试.在不同围岩介质温度条件下，由试验测得数据经计算得到各测点断面处的模型结构轴力、弯矩值随温度变化趋势，见图3 和图4(试验中测点2 的数据线损坏，导致数据异常，故试验结果中剔除了该断面数据)，图中负值表示受压，正值表示受拉. 图2 试验装置(单位:cm)Fig.2 Experimental installation (unit:cm)图3 轴力随温度变化趋势Fig.3 Variations of axial force with temperature图4 弯矩随温度变化趋势Fig.4 Variations of bending moment with temperature由图3 可知，随着围岩介质温度的升高，模型结构轴力基本呈线性增大趋势. 由图4 可知，在温度升高过程中，弯矩符号未变，即结构两侧受拉受压状态未发生变化;不同测点的弯矩变化趋势不同，各测点在不同温度段内的变化趋势也不同. 除测点5(拱顶)弯矩随温度升高而明显降低外，其余弯矩基本呈增长趋势，其中测点1(仰拱底部)的弯矩变化最小，测点8(拱脚附近)的弯矩变化最大.2 数值模拟方法与模型试验结果的对比应用ANSYS 有限元软件进行热固耦合数值模拟，并与模型试验结果进行对比分析.2.1 热-固耦合分析原理ANSYS 热分析基于由能量守恒原理导出的热平衡方程.ANSYS 支持两种类型的热分析:(1)稳态热分析.确定在稳态条件下的温度分布及其他热特性，稳态条件指热量随时间的变化可以忽略.(2)瞬态热分析. 计算在随时间变化的条件下，温度的分布和热特性.显然高地热对隧道结构受力特性的影响应属于稳态热分析.ANSYS 中稳态热分析遵循热力学第一定律，即能量守恒定律，稳态热分析的能量平衡方程为式中:K 为传导矩阵，包含导热系数、对流系数及辐射率和形状系数;T 为节点温度向量;Q 为节点热流率向量，包含热生成.ANSYS 利用模型几何参数、材料热性能参数以及所施加的边界条件，生成K、T 以及Q.在生成温度场后，利用热结构耦合分析功能，通过热结构转换单元，可将温度场载荷分析结果直接加载到结构分析中［9-10］.按照以上方法，先进行试验模型热分析，将得到的温度载荷加载到试验模型上，设定约束后可求解得到试验模型的耦合应力场分布情况.2.2 计算模型及参数计算模型的几何边界完全与试验模型尺寸(图2)相同.数值模型中围岩介质和衬砌结构均采用PLANE55 单元，先进行试验模型热分析，得到温度场的求解结果，再将热分析转换为结构分析，模型中热学单元转换为结构单元PLANE42，此单元可做应力分析，求解得到试验模型的耦合应力场分布情况.计算中材料热力学参数按表1 选取. 温度边界条件为:围岩介质温度50 ℃，洞室内空气温度为室温，约20 ℃.所建模型及网格划分见图5.图5 数值模型及网格划分Fig.5 Numerical model and meshing2.3 模型试验与数值模拟的结果对比将数值模拟所得的应力结果转换为结构的轴力和弯矩，并由此求得结构安全系数(即按《铁路隧道设计规范》［11］中容许应力法或破损阶段法进行结构截面检算)，将所得结果与模型试验结果进行对比，轴力和结构安全系数对比见图6 和图7.图6 模型试验与数值模拟轴力对比(50 ℃)Fig.6 Comparison of tested and simulated axial forces (50 ℃)图7 模型试验与数值模拟安全系数对比(50 ℃)Fig.7 Comparison of safety factor between model test and numerical simulation (50 ℃)由图6 可知，模型试验与数值模拟结果所得的轴力分布趋势相同，总体上模型试验测得的轴力比数值模拟结果偏大约20%;而二者所得的结构安全系数结果则较为接近(图7)，说明本次数值模拟采用的热固耦合方法是可行的.3 大埋深高地热隧道支护结构受力分析利用上述数值模拟方法，对在大埋深高地热环境下所设计的隧道支护结构进行热固耦合分析，主要探讨支护结构中隔热层的设置对结构内力的影响.3.1 工程概况拟建的某特长隧道，最大埋深约1 200 m，全隧道平均埋深约为800 m. 该隧道地质条件复杂，其中最为突出及决定线路方案的地质条件为高地热，异常段岩温可达60 ℃.3.2 数值模型及计算参数根据工程情况，本次数值模型采用埋深为1 000 m、地热温度为60 ℃、围岩级别为Ⅴ级条件下的隧道支护结构体系为研究对象.在地热段为降低施工期间隧道掌子面温度，以及运营期隧道内的温度，初步设计拟采用隔热材料设置隔热层的技术措施，提出在防水板与混凝土衬砌之间设置一道隔热层的隔热支护结构.支护结构体系从围岩到隧道内部依次为:25 cm 厚C25 喷射纤维混凝土初期支护、防水层、25 cm 厚C30 模筑混凝土层、5 cm 厚保温板隔热层、防水层、50 cm 厚C35 混凝土二次衬砌(配筋).支护结构断面见图8.围岩与支护的物理力学参数见表2.图8 Ⅴ级围岩地热段衬砌断面(单位:cm)Fig.8 Lining structure of the tunnel in grade Ⅴsurrounding rock (unit:cm)表2 围岩、支护结构物理力学参数Tab.2 Mechanical parameters of the lining structure and surrounding rock结构材料厚度/cm E/GPa泊松比ν容重γ/(kN·m -3)导热系数/(W·(m·K)-1)线膨胀系数/K -1 黏聚力c/MPa内摩擦角φ/(°)Ⅴ级围岩花岗岩1 0.45 20 2.3 1.0 ×10 -120.12 25初期支护 C25 喷射混凝土25 23 0.25 21 1.9 1.0 ×10 -5 ——模筑层 C30 混凝土 25 31 0.2 23 1.9 1.0 ×10 -5 ——隔热层保温板5 0.001 0.48 10 0.039 1.8 ×10 -4 ——二次衬砌C35 混凝土50 32.5 0.2 25 1.9 1.0 ×10 -5——利用前述数值模拟方法，对埋深为1 000 m、地热温度为60 ℃的隧道隔热支护结构进行分析，考虑到大埋深常会有高地应力存在，本次数值模型中结构埋深取100 m，上表面按应力边界处理，施加上覆900 m 厚岩体的重力按照均布压力(取18 MPa)施加［12-13］，模型边界充分考虑了洞室开挖影响范围，距洞室左右及下部边缘均取60 m(隧道最大开挖宽度为9.07 m，高度为10.1 m).模型左右及下边界为全约束. 数值模型见图9，数值模拟中需计算的参数见表2.图9 数值模型Fig.9 Numerical modeling当围岩温度为60 ℃时，研究有隔热层和无隔热层两种支护结构体系的受力情况. 为便于比较，在支护结构体系中，通过设置不同的隔热层热力学参数实现有无隔热层.按表2 选取聚氨酯泡沫保温板材料隔热层参数，表示设有隔热层;按表2 中二次衬砌选取隔热层参数，则表示结构体系没有设置隔热层.由于防水层较薄，对结构体系受力的影响较小，本研究没有考虑防水层.取围岩边界温度为60 ℃，隧道内部空间边界温度为28 ℃.为便于分析，在隧道支护结构体系关键部位设置了内力监测点，如图10 所示.图10 内力监测点布置Fig.10 Layout of measurement points3.3 数值模拟结果及分析通过热固耦合数值模拟计算，得到了地热温度60 ℃、埋深1 000 m 条件下，隧道支护体系各部位的内力.经整理，分别对有无隔热层时隧道初期支护、模筑混凝土层及二次衬砌结构内力进行了对比分析.3.3.1 轴力对比分析当地热温度为60 ℃时，隧道初期支护、模筑混凝土层及二次衬砌在有无隔热层条件下各测点轴力及其对比见图11 ～13.图11 初期支护轴力Fig.11 Axial force of the primary lining由图11 ～13 可知，隔热层的设置对支护结构所受轴力分布形式的影响较小，在本文所设地应力条件下，支护结构体系所受最大轴力在拱腰部位(图10 中测点4 和12 所在截面)，初支和模筑混凝土层所受轴力较大，二衬所受轴力较小. 有隔热层与无隔热层相比，初期支护、模筑混凝土层各测点轴力略有增大，平均增大分别约0.93%、0.88%;二次衬砌各测点轴力都明显减小，平均减小约18%.图12 模筑混凝土层轴力Fig.12 Axial force of the cast concrete lining图13 二次衬砌轴力Fig.13 Axial force of the second lining3.3.2 弯矩对比分析弯矩及其对比见图14 ～16.图14 初期支护弯矩Fig.14 Bending moment of the primary lining由图14 ～16 可知，隔热层的设置对支护结构所受弯矩分布形式的影响较小. 其中，初支和模筑混凝土都是在拱脚与仰拱结合处(图10 中测点6和10 所在截面)弯矩最大，方向为外侧(指向围岩侧)受拉;而二衬所受弯矩与初支和模筑层有较大不同，基本上是结构内侧(指向隧道空间方向)受拉，但弯矩值普遍较小，最大弯矩在二衬仰拱中部(测点8 所在截面).有隔热层与无隔热层相比，初期支护、模筑混凝土层各测点弯矩略有增大，平均增大分别约0.71%、1%;二次衬砌各测点弯矩都有较大幅度减小，平均减小约70%.图15 模筑混凝土层弯矩Fig.15 Bending moment of cast concrete lining图16 二次衬砌弯矩Fig.16 Bending moment of the second lining3.3.3 结构安全系数对比分析为综合评价隔热层设置对隧道支护结构受力的影响，由所得结构各截面处的轴力、弯矩，利用《铁路隧道设计规范》中容许应力法，检算隧道结构的安全系数法，求得初期支护、模筑混凝土层及二次衬砌结构各监测点所在截面的安全系数，其分布及对比见图17 ～19.由图17 ～19 可知，初支和模筑混凝土层结构的安全系数普遍较小，均小于1，最小安全系数均发生在拱脚与仰拱结合处(图10 中测点6 和10 所在截面)，依据容许应力法和破损阶段设计法，判定结构已发生破坏和开裂;而二次衬砌的安全系数在不设隔热层时，在仰拱中部最小，为2.0，受拉控制，也不符合规范要求，但设置隔热层后，二次衬砌结构安全系数均大于4，满足规范要求.以上结构与本文对地应力的处理方式有关，说明如果拟建隧道有20 MPa 高地应力存在(本文按1 000 m 埋深建立模型)，且方向接近竖直时，所设计的初支+模筑混凝土层+隔热层+二次衬砌组成的支护结构体系合理，也与目前对高地应力软岩(地热段围岩级别为Ⅴ级)隧道施工支护措施理念相符［14-17］.与无隔热层相比，有隔热层初期支护、模筑混凝土层安全系数相近，而二次衬砌安全系数变化明显，显著改善了结构受力.图17 初期支护安全系数Fig.17 Safety factor of the primary lining图18 模筑混凝土层安全系数Fig.18 Safety factor of the cast concrete lining 图19 二次衬砌安全系数Fig.19 Safety factor of the second lining4 结论为研究大埋深、高地热环境下隧道支护结构受力机理，通过采用模型试验与数值模拟方法相对比，分析了热固耦合数值模拟方法的可行性，再利用该数值模拟方法，对某大埋深高地热隧道支护结构体系的受力特点进行了分析. 通过研究，可得如下结论:(1)模型试验表明，在温度变化为50 ℃的范围内，隧道模型结构轴力基本与围岩介质温度呈线性增长趋势;而结构弯矩与围岩介质温度无明显关系.(2)通过模型试验与数值模拟结果对比分析，可知二者所得的结构轴力分布趋势相同，模型试验测得的轴力比数值模拟结果偏大约20%;而二者所得的结构安全系数较为接近，说明采用热固耦合数值模拟方法是可行的.(3)通过热固耦合数值模拟计算，分析了地热温度60 ℃、埋深1 000 m 条件下隔热层的设置对隧道支护体系内力的影响，通过对有无隔热层时隧道支护结构内力对比分析可知，隔热层的设置对支护结构所受内力分布形式影响较小，对处于隔热层外侧(围岩侧)的初期支护和模筑混凝土层结构内力大小的影响更小，可忽略不计;但对设在隔热层内部(隧道净空方向)的二次衬砌内力有明显的改善作用，说明设置隔热层可显著提高二次衬砌结构的安全性.致谢:本文工作得到西南交通大学峨眉校区高层次人才队伍建设科研支持项目(RC2011-1)的资助.参考文献:【相关文献】［1］黄润秋，王贤能. 深埋隧道工程主要灾害地质问题分析［J］. 水文地质工程地质，1998(4):21-24.HUANG Runqiu， WANG Xianneng. 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