【摘 要】
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随着国家经济实力的逐步提升,对中西部地区和青藏高原等高纬度地区的经济建设投入也在加大,而经济建设能否快速稳步推进的前提就是基础设施的完善,相应的提出“川藏铁路”等重大工程。而这些地区多为山地丘陵地貌,为了缩短道路里程减少经济投入,建设隧道是一个两全其美的方案,这就导致在严寒地区寒区隧道工程的修建日益增多。寒区隧道较普通地区隧道更容易发生冻害,即冻胀和融沉,这是因为围岩中的温度更容易受到大气环境温度
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随着国家经济实力的逐步提升,对中西部地区和青藏高原等高纬度地区的经济建设投入也在加大,而经济建设能否快速稳步推进的前提就是基础设施的完善,相应的提出“川藏铁路”等重大工程。而这些地区多为山地丘陵地貌,为了缩短道路里程减少经济投入,建设隧道是一个两全其美的方案,这就导致在严寒地区寒区隧道工程的修建日益增多。寒区隧道较普通地区隧道更容易发生冻害,即冻胀和融沉,这是因为围岩中的温度更容易受到大气环境温度的影响,有时处于正温有时又处于负温,并在温度梯度的作用下发生水分迁移,这往往使隧道衬砌结构出现开裂、剥落、挂冰、漏水、结冰等灾害。尤其是隧道埋深,它是直接影响围岩周围温度场和水分场分布的一个重要因素,并且会直接导致隧道是否能够长久稳定以及地表活动层对隧道冻融圈影响程度的一个极其重要的指标。故本论文探究在施工季节、含水率和年平均气温等影响因素下对不同隧道埋深地表活动层与隧道冻融圈影响规律设计一个寒区隧道冻融模型试验。通过一系列的工况总结不同埋深条件下,地表活动层对隧道冻融圈的影响。最后根据试验得到的规律通过数值模拟软件COMSOL进行PDE水热耦合编程,来对风火山隧道开挖浅埋段地表活动层和隧道冻融圈的变化规律以及水分是如何变化的进行总结,对寒区隧道施工提供一些建议。综合室内模型试验和数值模拟可以得到如下规律:1、由埋深是30、20和10cm可知:埋深降低,地表活动层对隧道冻融圈影响在逐渐增大,直至地表活动层对隧道拱顶冻融圈影响重叠,达到贯通;2、当埋深是30cm时:在含水率是25%和20%、年平均气温是-2℃和0℃、施工季节是从0℃向最大正温开始还是0℃向最大负温开始,都不能够使地表活动层和隧道拱顶冻融圈贯通,地表活动层对隧道冻融圈影响有限;3、当埋深是20cm时:在含水率是25%,施工季节从0℃向最大正温开始,年平均气温是-2℃和0℃,地表活动层对隧道冻融圈影响最大,在拱顶到地面位置达到贯通,年平均气温是造成地表活动层对隧道拱顶冻融圈产生影响最大的原因;4、当埋深是10cm时:任何条件下,地表活动层和隧道冻融圈都能够贯通,并且随埋深逐渐变浅,隧道拱腰和仰拱位置处的融化深度也在逐渐增加,地表活动层对隧道冻融圈影响受到含水率、年平均气温和施工季节的影响;5、在不同埋深条件下:地表活动层对隧道冻融圈影响程度比重关系是年平均气温>施工季节>含水率;6、地表和隧道之间的水分场分布受到冻融循环次数增加而显著向两侧迁移,而这种迁移效应易受到含水率、年平均气温和施工季节的影响;7、根据试验得到规律对风火山隧道浅埋段进行施工阶段开挖之后进行水热耦合分析发现,隧道拱顶冻融圈深度随着地表活动层增加而增加,因此建议采用深埋隧道进行施工;如果开挖之后及时进行支护和减少隧道施工阶段热源的产生,在相同的30天内隧道周围冻融圈的深度可以减10%,出现冻融圈推迟7天。在经历一个冻融循环之后,衬砌后围岩的水分变化很大,对衬砌安全产生较大影响。
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