典型寒区隧道洞门结构在冻融循环下的力学特征及冻害防治技术研究

Frost damage of tunnel in cold region always occurs in the part of entrance, the key parts of the tunnel in prevention of the frost damage. However, the current research is mainly focused on the temperature and mechanical response of the tunnel lining structure and the surrounding rock in the freezing and thawing environment, lacking of in-depth study on the freeze-thaw response and failure mechanism of the tunnel structure and surrounding rock. The consequence of inadequate or improper methods during the design, construction process is reflected in many tunnel hole frost heave damages.The purpose of this project is to study the mechanical behavior and failure mechanism of frost heave in the cold region tunnel portal structure. The main contents are as follows:first, this project uses the similarity principle to design model test, taking full account of the hole water migration and supply and studying the mechanical behavior of the different types of holes in the case of repeated freezing and thawing; second, with the considering of water migration and supply, it draws on the existing heave theory to establish a coupling numerical analysis model of the water, heat and stress. By using the method of comparison between the experimental results and the numerical analysis results to explore the optimal numerical analysis model, it could obtain the characteristics of the frost heave mechanics under different external environment and water supply conditions. The results of the project have positive significance to the tunnel structure design and the prevention of frost damage of tunnel in cold region.

寒区隧道冻害多发生在进出口段位置，隧道冻害防治的重点部位是进口、出口段。然而，目前寒区隧道研究主要集中在隧道衬砌结构在围岩冻融环境下的力学行为。而对寒区隧道洞门结构在洞口围岩冻融循环下的响应及破坏机理缺乏深入研究。造成设计、施工过程中采取措施不够或方法不当，这在很多寒区隧道洞门发生冻胀破坏都有体现。本项目旨探求寒区隧道洞门结构在洞口围岩环境下的冻胀力学行为特征与破坏机理，主要研究内容为：一、采用相似原理设计模型试验，充分考虑洞口环境水分迁移与补给，研究不同结构形式的洞门在反复冻融情况下的力学行为特征；二、借鉴目前已有的的冻胀理论，考虑洞口环境水分迁移与补给，建立洞口范围内水-热-力耦合分析数值模型。以模型试验结果为参照，探求寒区隧道洞门的数值分析模型，在掌握洞门结构冻胀力学行为分布特征与发展规律基础上，提出实用计算方法。项目成果对寒区隧道洞门结构设计、冻害防治具有积极意义。

项目的背景：寒区隧道的冻害问题包括衬砌洞内的挂冰、渗水,隧道底部的冒水、积冰冻胀,衬砌开裂等等，主要发生在隧道洞口段。洞口段围岩工程地质特性复杂，水热条件受气候影响大，冻胀力是寒冷地区隧道变形破坏的外力根源之一。以往研究主要集中在隧道洞身衬砌结构及围岩在冻融环境下温度响应、力学响应，对隧道洞口段关注不足。.主要研究内容包括室内实验研究与理论研究两个方面。实验研究方面，针对开展寒区隧道洞口段不同工况下冻胀对隧道结构的实验研究。应用相似理论进行室内相似参数设计，确定实验方案，实施并完成数据分析整理。实验工况包括：不同形式寒区隧道洞门的结构（主要以采用较多的直墙式、翼墙式和柱式洞门），不同的洞口边界条件（含水量、温度环境和补水条件）及围岩反复冻融。.理论方面，开展寒区隧道洞口段在考虑围岩水-热-力耦合情况下的数值计算模型研究。采用实验结果与数值模型分析结果相互对比、改进的方法，探求合理可靠的理论分析模型，并对实际工程模型进行分析、研究。在此究基础上，提出寒区隧道洞口段冻害防治技术与手段。.重要结果.寒区隧道衬砌背后含水围岩冻结过程中的冻胀力对洞口段结构产生影响，其大小与围岩冻胀特性、含水率及衬砌围岩相对刚度有关；.寒区隧道洞口段水热条件及隧道地形条件使得冻胀力对结构影响较一般情况有新的特点，不但有法向冻胀力，还存在沿隧道轴向的切向冻胀力，这在以往研究中较少提及。同时冻融循环下冻胀力对结构影响也是一个动态过程；.建立了寒区隧道洞口段结构在考虑围岩水-热-力耦合情况下的冻胀效应数值模型。模型通过改进饱和非饱和土的Richards方程，结合带相变的温度场微分方程，以温度、水分场相互耦合结果作为热力耦合条件，对冻、融不同工况进行分析研究。通过对实际营运隧道洞口段建立计算模型，对寒区隧道洞口段不均匀冻胀（主要考虑水分分布不均匀）对结构的影响进行研究。明确了不均匀冻胀对隧道结构影响的特点。.关键数据及其科学意义等详见结题报告正文。