摘 要：寒区隧道工程的稳定性受到地应力、环境温度以及地下水等多方面因素的综合影响，涉及到应力场、温度场及渗流场的耦合作用研究。结合鹧鸪山隧道隧址区的环境温度变化模式及隧道的结构特征，运用有限元方法对鹧鸪山隧道的主体结构进行了二维热固耦合分析，得出了隧道围岩及结构的温度场、应力场、内力分布及变化规律，从而为鹧鸪山隧道的抗防冻设计提供有益的参考。
关键词：寒区隧道 热力耦合 温度场 应力场 保温层
1 引言
以往对隧道工程的研究，往往只是关注问题单一方面的研究。随着工程实践的深入，人们逐渐认识到工程岩体赋存地质环境的复杂性和其对隧道稳定影响的多变性，这就提出了工程岩体赋存地质环境各个因素之间的相互影响(耦合作用)的研究课题。隧道是一个涉及固体(岩／土体)和流体(液体、气体、温度等)的复杂多相不连续介质系统，在这个多相系统中，大量存在应力场、渗流场及温度场等物理场之间的耦合问题。例如，在高寒、高海拔公路隧道的施工、运营中，存在地质体、结构体及流场(温度场、渗流场等)之间的耦合作用问题。目前，耦合问题已引起国内外学者的普遍关注。我国学者在水电工程、采矿工程等领域的耦合研究中取得了较大的成果，但由于耦合问题是一个新兴的前沿学科，很多问题亟待解决。尤其是在地下工程的耦合分析领域起步较晚，在理论和实践上都需要深入研究和探讨。
鹧鸪山隧道位于平均海拔3350m以上的高寒地区，该隧道长度为4420m，是目前我国在高寒地区修建的最大规模的特长公路隧道。受鹧鸪山地区气候的影响，隧道围岩及结构将受到季节性冻融、冻胀的影响，修建技术问题非常复杂，其中最主要的问题是隧道主体结构尤其是洞口带的结构抗防冻能力、运营期间的安全性及结构的长期寿命等问题。为了研究外界温度变化对隧道主体结构的影响，本文结合热固耦合理论，采用二维数值分析手段对鹧鸪山隧道东口进口浅埋段进行耦合计算研究。
2 热力耦合的二维有限元模型
2.1 计算模型
根据鹧鸪山隧道隧址区的地形、地质条件及隧道的设计参数，以鹧鸪山隧道东口进口浅埋段(KO+250m)为对象，建立二维有限元热固耦合分析模型(图1)。根据现场试验结果，隧道内空气温度变化的影响范围约为25m，并考虑结构应力场的影响，选取计算范围为：主洞右侧、导洞左侧各取30m作为左右边界；向下取3倍洞径作为下边界；上部延伸至实际地表线作为上边界。坐标系统为：以垂直于洞轴线方向、从平导洞指向主洞方向为X轴；沿直方向为Y轴，向上为正方向。
本次计算采用大型有限元软件ANSYS进行二维热固耦合计算分析。首先用Plane55对上述计算范围进行结构离散(节点3931个，单元3808个)，输入计算域内各材料的热力学参数(表1)和相应的热力学边界条件，从而进行瞬态热分析，获得瞬态温度场；进入结构分析模块，转换二维热单元为二维结构单元Plane42，进行瞬态结构分析，从而获得瞬态温度场条件下的瞬态结构响应。
2.2 材料参数
根据对鹧鸪山隧道采样岩石所进行的热力学试验，并参考相关资料，耦合数值模拟计算参数如表1。
2.3 边界条件
热力学边界条件：在热分析中，主要根据隧址区的气象资料及现场实测资料对温度场的边界进行回归分析。根据隧址区最大冻深为1.0lm，确定上边界的温度为-1.0℃；根据现场温度试验监测数据分析的回归计算，隧道下边界取为16.0℃。
结构边界条件：由于本次计算仅考虑由温度场引起的结构附加响应，因此结构计算中没有考虑自重应力场，计算中确定边界条件为左右边界为水平法向约束、下边界垂直约束，上边界自由。
2.4 计算工况
根据区域气象资料及抗防冻现场试验，以2003年12月28日的隧道温度日变化模式(图2)为计算条件，研究在不设保温层(工况1)和设保温层(工况2)两种工况下的隧道围岩及衬砌结构的温度场、应力场变化规律；当天温度的日变化规律为：温度变幅大；最低和最高温度的绝对值都较大；出现正温与负温的时段基本相同；平均温度为负值。
2.5 数值模拟考察对象
本次耦合分析中除了获取围岩及结构的温度场分布外，还选取主洞三个特征位置、各三个特征点(共9个)作为跟踪对象(参见图3，相应的命名及对应节点号参见表2)，获取其在不同外界温度变化下衬砌结构和保温层的温度变化曲线，以及衬砌结构特征点附加应力、特征位置的附加轴力、弯矩的时程变化曲线。
3 保温层施作前后的热固耦合结果分析
根据前面所建立有限元模型，对鹧鸪山隧道主体结构及围岩进行二维热固耦合分析，从而获得围岩及结构的温度场、应力场及结构内力大小及分布规律(限于篇幅，文中仅给出了环境温度最低、以及部分特征点的计算结果)。
3.1 围岩及结构的温度场分布规律
图4给出了工况1和工况2(设保温层)条件下隧道围岩及结构温度场分布；图5给出主洞特征位置特征点上的温度日变化曲线。从图中可以看出，在不设保温层条件下；隧道衬砌温度基本随外界温度的变化而变化，且变化幅度相差不大，围岩的温度变化呈现类似规律，越往围岩深处，温度变化幅度越小。在设保温层条件下，温度经过保温层传递到衬砌上后，产生较大缩减；基本能保证二衬背面温度为正值；衬砌和围岩温度受外界温度变化的影响小，温度变化较为平稳。
3.2 衬砌结构的应力场分布规律
图6主洞特征位置特征点上的附加主应力的日变化曲线。从图中可以看出，在不设保温层情况下，衬砌结构上的应力变化大，应力以附加压应力为主，最大约0.10MPa，背面出现较大附加拉应力，约-0.05MPa，相同位置上的附加拉应力和附加压应力交替出现，同一位置上的二衬背面和表面的应力差较大，约0.08MPa。在设保温层的条件下，衬砌的应力变化受外界温度变化的影响小，但量值均有所增大，约0.12MPa，尽管是拉应力也出现，但量值有所降低，且同一位置上二衬背面和表面的应力差降低，约0.06MPa。
3.3 衬砌结构的内力分布规律
图7给出了工况1(不设保温层)和工况2(设保温层)条件下不同时刻的隧道主洞衬砌特征位置附加轴力日变化曲线。从图中可以看出，在不设保温层和设保温层两种情况下的轴力变化呈相似变化规律，最大附加轴力分别为90kN和100kN；区别在设保温层情况下隧道轴力量值较大，但变化较平稳，变幅较小，而不设保温层情况下轴力变化幅度则较大。
图8给出了工况1(不设保温层)和工况2(设保温层)条件下不同时刻的隧道主洞衬砌特征位置附加弯矩日变化曲线。从图中可以看出，在不设保温层和设保温层两种情况下的弯矩变化呈现相似变化规律，最大附加弯矩分别为-7.5kN·m和-8.0kN·m；区别在于设保温层情况下的隧道轴力量值较大，但变化较为平稳，变幅较小，而不设保温层情况下的轴力变化幅度则较大。
4 结论
根据以上二维热固耦合数值分析，可以得出以下结论：
a．无论是在哪种外界温度变化模式下，隧道在不设保温层的情况下，隧道围岩及二衬的温度均受到外界温度变化较大的影响，且二衬背面的温度随外界温度不同有正有负，从而造成隧道衬砌的冻融、冻胀破坏；而在设保温层情况下，隧道围岩及衬砌温度受外界温度影响下，且二衬背面温度基本为正值，有效避免了冻融、冻胀现象的产生。
b．隧道衬砌结构应力也受到类似的影响，但影响相对小一些。在不设保温层的情况下，隧道衬砌同一位置上压应力和拉应力交替出现，从而造成衬砌的蠕变破坏，且二衬表面和背面的应力差较大；设保温层的情况下，压应力和拉应力交替出现也存在，但变幅较小，且二衬背面和表面的应力差较小。
c．从外界温度变化引起的衬砌附加轴力和弯矩来看，不设保温层情况其轴力和弯矩变化幅度较大，轴力和弯矩的方向交替变化；而在设保温层情况下，尽管附加轴力和弯矩的量值变化不大，但变化幅度降低且方向变化不大。
综上所述，采用在二衬表面施加保温层作为高寒隧道的抗防冻措施无论对施工期和长期运营都是有利的；最终设计中所选保温材料性能及结构形式也能满足隧道的抗防冻要求。
参考文献
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(赵强政 何 川 谢红强 李永林)