文章编号：0258-2724(2019)01-0032-07 DOI: 10.3969/j.issn.0258-2724.20150958
高岩温隧道初期支护应力场及安全性研究
唐兴华
1,2，王明年
1,2，童建军
1,2，董从宇
1,2，张 冲
3 （1. 西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031；2. 西南交通大学土木工程学院，四川 成都 610031；3. 铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300140） 摘 要：为评价高岩温隧道施工过程中初期支护的安全性，研究了高岩温隧道初期支护温度场、应力场的施工期 特征和演变规律. 首先通过热-应力耦合三维数值模拟和现场测试，研究了不同原始围岩温度场中，高岩温隧道开 挖过程中初期支护温度场的变化规律；其次考虑围岩荷载和温度荷载共同作用，分析了高岩温隧道开挖过程中初 期支护应力场的变化规律；最后基于初期支护应力值，评价了高岩温隧道初期支护的安全性. 研究结果表明：受施 工通风影响，初期支护温度在隧道开挖后急剧降低，约 5 d 后基本与洞内气温一致；受施工工序影响，初期支护最 大拉应力先增后减，最大压应力持续增加；随着围岩初始温度增大，在不同施工步序中，初期支护的最大拉应力和 最大压应力均增大；初期支护安全性由喷射混凝土抗拉强度控制，当围岩初始温度大于 60℃ 时，C25 喷射混凝土 将发生拉裂破坏. 关键词：高岩温隧道；初期支护；拉应力；压应力；安全性 中图分类号：U459.1 文献标志码：AStudy on Stress Field and Security of Primary Support in
High Rock Temperature Tunnel
TANG Xinghua
1,2, WANG Mingnian
1,2, TONG Jianjun
1,2, DONG Congyu
1,2, ZHANG Chong
3 (1. Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering， Ministry of Education， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031，China; 2. School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China; 3. The Third Rail-way Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300140，China)Abstract: The characteristics and changing behaviour of the initial support in high rock temperature tunnel were
studied to evaluate security during the construction process. First，the temperature field of the initial support was analysed during the construction process of high rock temperature tunnel by using thermal-stress coupling numerical simulations and in-situ testing. Second，the stress field of the initial support，which bore the rock load and temperature load，was analysed over the construction process of high rock temperature tunnel. Finally，based on the stress of primary support，the security of primary support in high rock temperature tunnel was evaluated. The results show that the temperature of primary support sharply decreases after tunnel excavation and is equivalent to the air temperature in the tunnel after about 5 days. During the construction process，the maximum tensile stress of primary support first increases and then decreases. However，the maximum compressive stress always increases. With increased initial rock temperature， the maximum tensile and compressive stress of the primary support also increase. The security of the primary support depends on the tensile strength of shotcrete， and the C25 shotcrete will be damaged if the initial rock temperature exceeds 60℃.
Key words: high rock temperature tunnel; initial support; tensile stress; compressive stress; security
收稿日期：2015-12-04 修回日期：2017-12-06 网络首发日期：2018-06-06 基金项目：国家自然科学基金面上资助项目（51578458）；高等学校博士学科点专项科研基金（博导类）资助项目（20130184110008）；中央 高校基本科研业务费专项资金资助项目（2682013CX005EM） 作者简介：唐兴华（1981—），男，高级工程师，博士，研究方向为隧道及地下工程，E-mail：[email protected] 通信作者：童建军（1977—），男，副教授，博士，研究方向为隧道及地下工程，E-mail：[email protected] 引文格式：唐兴华，王明年，童建军，等. 高岩温隧道初期支护应力场及安全性研究[J]. 西南交通大学学报，2019，54(1)： 32-38． TANG Xinghua， WANG Mingnian， TONG Jianjun， et al. Study on stress field and security of primary support in high rock temperature tunnel[J]. Journal of Southwest Jiaotong University， 2019， 54(1)： 32-38．
在深埋隧道中，受岩浆、温泉等活动影响会导致
围岩温度增高，从而使隧道施工时空气温度超过
28 ℃，一般将此类隧道定义为高岩（地）温隧道
[1-2].
由于高岩温的影响，隧道初期支护在其施作养护期
间产生了以下问题：围岩与喷射混凝土之间黏结力
不足；砂浆锚杆强度抗拔力不满足设计要求
[3]；高岩
温蒸发水分导致喷射混凝土产生裂缝
[4]等. 因此，有
必要开展高岩温隧道初期支护的研究.
目前，学者们针对高岩温隧道初期支护开展了
一些研究：邵珠山等
[5]利用微分方程级数求解的方
法得到了高地温隧道的温度场-应力场-位移场的热
弹性解；刘乃飞等
[6]通过理论分析获取了高地温水
工隧洞衬砌结构的温度场和应力场特征；郭进伟
等
[7]运用数值模拟方法求解了某水工隧道支护结构
在温度应力和内部水压力作用下的内力值；许富贵
等
[8]采用有限差分法软件分析了深埋高地温隧洞的
应力、位移、塑性区特征；王玉锁等
[9]通过模型试验
和数值模拟分析了深埋高地温隧道支护结构内力和
温度变化规律以及隔热层设置对其的影响；周建军
等
[10]依托某深埋引水隧洞高地温洞段，通过数值模
拟的方法研究了围岩在施工全过程中的变形特征，
并比选了衬砌设计方案；李书杰
[11]以娘拥水电站的
高地温段引水隧洞为依托，采用有限元软件对运行
工况和检修工况下不同厚度的衬砌结构进行计算分
析，得出了不同情况下衬砌的结构应力和位移值. 以
上研究揭示了高岩温隧道支护结构的受力特点，但
未结合施工过程分析隧道初期支护应力场和温度场
的演变规律，也未对不同岩温条件下初期支护的安
全性进行评价.
本文研究依托拉日铁路中的高岩温隧道——吉
沃希嘎隧道，研究不同围岩初始温度下，高岩温隧道
施工过程中初期支护温度场和应力场的演变规律，
最终评价其安全性.
1 拉日铁路吉沃希嘎隧道工程概况
拉日铁路吉沃希嘎隧道为单线铁路隧道，全长
3 974 m. 隧道位于雅鲁藏布江左岸，属中高山区，主
要地层为第四系松散堆积物、燕山期闪长岩等. 受南
北地热带影响，隧道在 IIIDK117 + 690～IIIDK120 +
375
段高岩温现象突出，路肩处温度主要在 28～48 ℃，
对工程造成很大影响. 该段主要为Ⅳ、Ⅴ级围岩，初
期支护参数见
表 1
，V 加强级围岩初期支护见
图 1
.
表 1 初期支护设计参数Tab. 1 Design parameters of primary support
围岩级别 喷层 系统锚杆 钢筋网 钢架 位置 厚度 /cm 位置 长度 /m 间距 （环/m × 纵/m） 位置 （环/mm × 纵/mm）直径 间距/cm 位置 型号 间距 /（m•榀–1） Ⅳ 拱墙 12 拱墙 2.5 1.0 × 1.0 拱墙 8 × 6.5 20 × 20 Ⅳ加强 拱墙 20 拱墙 2.5 1.0 × 1.0 拱墙 8 × 6.5 20 × 20 拱墙 H125 1/1.2 Ⅴ加强 拱墙/仰拱 23/15 拱墙 3.0 1.0 × 1.0 拱墙 8 × 6.5 20 × 20 拱墙 工 16 1/1 锚杆长度为 3.0 m 环纵向间距 1.0 m × 1.0 m C25 喷混凝土 23 cm 仰拱 15 cm 884 692 图 1 V 加强级围岩初期支护（单位：cm） Fig. 1 Primary support of V enhanced rock （unit：cm）
2 高岩温隧道初期支护数值模拟
运用 FLAC3D
有限差分法软件进行三维的热-应力耦合分析，模拟隧道开挖过程，分析其温度场随
施工进程的演变规律. 热-应力耦合采用间接耦合的
方式，即先计算模型的温度场，然后将温度应力与模
型自重应力进行叠加.
2.1 计算模型
本 文 所 建 立 的 数 值 模 型 以 吉 沃 希 嘎 隧 道
DK117 + 850
断面为基础，围岩等级为 V 级，隧道埋
深为 85 m，模型底部距隧底 35 m，水平宽度为 35 m
（5 倍隧道跨度），纵向长度为 34 m. 围岩、初期支护
的数值本构模型分别使用摩尔-库伦模型、各向同性
线弹性模型. 热力学计算使用各向均质导热模型. 数
值单元类型为 Brick，围岩、初期支护单元数量分别
为 100 464 个和 10 350 个. 初期支护数值模型由喷
混凝土单元和包含钢架喷混凝土单元纵向相间排列
组合而成，见
图 2
.
含钢架喷混凝土单元 喷混凝土单元 (b)钢架和喷混凝土模型 (a)整体模型 Z O Y X 图 2 计算模型 Fig. 2 Calculation model2.2 计算参数
围岩以及初期支护的计算参数由工程现场设计
资料及相关文献[
12
]～[
14
]确定，含钢架喷混凝土参
数采用等效面积法（式（1））计算求得. 具体参数结
果见
表 2
.
XT= (SS/ST) XS+ (SC/ST) XC, （1）式中：X
T为含钢架喷混凝土的参数；X
S为钢架的参
数；X
C为混凝土的参数；S
T为含钢架喷混凝土截面
的总面积；S
S为含钢架喷混凝土截面的钢架面积；
S
C为含钢架喷混凝土截面的喷混凝土面积.
2.3 边界条件
数值模型力学边界具体如下：地表为自由面，两
侧为 X 方向位移约束，纵向两端为 Y 方向位移约
束，下底面为 Z 方向位移约束. 数值模型热学边界具
体如下：地表温度由最不利原则取吉沃希嘎隧址区
年度最高气温 30 ℃，两侧边界的温度梯度见
表 3
，
围岩和喷混凝土内侧表面温度恒定为 28 ℃
[1].
表 3 数值模型两侧边界温度梯度 Tab. 3 Thermal boundary condition on both sides ofcalculation model 路肩标高处围岩 初始温度/℃ 左边界/（℃•m–1） 右边界/（℃•m–1） 48.0 0.194 1 0.190 3 60.0 0.323 2 0.315 8 80.0 0.538 0 0.527 2
表 3
中，两侧竖向温度梯度采用拓展分析模型
获得，即通过建立大尺寸拓展分析模型，模拟大范围
内的地层温度场，并与钻孔实测温度比较来确定计
算模型两侧边界竖向温度梯度. 以路肩标高处围岩
初始温度 48 ℃ 时为例，具体该方法如下：
（1） 拓展分析模型中，隧道埋深 85 m，底部以
下为 200 m，两侧为 300 m，见
图 3
. 热分析时本构模
型同样选用各向均质导热模型. 拓展分析模型中，上
边界温度根据吉沃希嘎隧道区域夏季极端高温取
为 30 ℃，下边界温度分别拟定为 60、80、100、120 ℃
4
种工况.
（2） 通过对不同温度边界的拓展分析模型进行
温度场数值模拟，获得以上 4 种工况中隧道路肩标
高处围岩初始温度，见
表 4
.
计算模型边界 200 85 300 图 3 围岩温度场拓展分析模型（单位：m） Fig. 3 Spreading model of rock temperature field (unit: m)表 4 不同温度边界下的隧道路肩岩温 Tab. 4 Rock temperature at tunnel shoulder with various
boundary conditions 下边界温度/℃ 路肩标高处围岩初始温度/℃ 60 36.1 80 42.2 100 46.9 120 52.1 表 2 计算参数 Tab. 2 Calculation parameters 项目 /（kN•m容重 γ –3） 弹模 E /GPa 泊松比 ν 黏聚力c/MPa 内摩擦角 φ/（°） /（W•（m•℃）导热系数 λ–1） 线膨胀系数 α /（× 10–5 ℃–1） 比热 C /（J•(kg•℃）–1） 喷混凝土（C25） 22.0 23.0 0.20 2.94 1.00 960 含钢架喷混凝土（C25） 27.7 42.1 0.21 7.74 1.02 911 围岩（V 级） 20.0 1.5 0.40 0.10 24.0 2.31 0.06 707
对
表 4
数据进行拟合处理可知，当模型下边界
温度约为 105 ℃ 时，隧道路肩处围岩温度为 48 ℃，
与 DK117 + 850 断面钻孔实测路肩岩温 48 ℃ 一致.
（ 3） 将 拓 展 分 析 模 型 的 下 边 界 温 度 设 置 为
105 ℃，并进行温度场数值模拟，得到计算模型底面
的温度，进而得到计算模型两侧温度边界条件（竖向
温度梯度）.
2.4 计算工况
根据路肩标高处围岩初始温度分为 48、60、80 ℃
3
种工况. 开挖方法为上下台阶法，具体施工步序依
次为上台阶施工、下台阶施工和仰拱施工，相应的循
环进尺为 1、2、3 m.
3 高岩温隧道初期支护现场测试
现场测试依托拉日铁路吉沃希嘎隧道开展，试
验段里程 DK118 + 960～DK119 + 000，全长为 40 m，
等里程布置 4 个测试断面，其路肩标高处初始围岩
温度在 50～55 ℃ 之间. 试验段采用振弦式温度计
测量温度，测点分别布置在拱顶、左拱腰、左边墙、
右拱腰、右边墙共 5 个位置，每个测点中初始支护的
中间和靠近围岩一侧分布布置 1 个振弦式温度计.
混凝土应力量测采用振弦式应变计，与温度量测相
同的测点布置，在每个部位的初期支护中间位置设
置 1 个应变计，具体布置方案见
图 4
，图中，C1～
C5
为温度测点，C6～C10 为应力测点.
C5 C3 C8 C10 C 2 C 7 C9 C1C6 C4 集线箱 集线箱 图 4 初期支护温度和应力测点布置 Fig. 4 Measuring point arrangement of initial supporttemperature and stress
4 高岩温隧道初期支护温度演化规律
由文中数值模拟得到的结果，绘制隧道初期支
护拱顶部位的温度-时间曲线，分析高岩温隧道初期
支护温度场变化规律，见
图 5
.
25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 开挖时间/d 围岩初始温度 48 °C 围岩初始温度 60 °C 围岩初始温度 80 °C 温度 /°C 图 5 初期支护温度随时间变化曲线（数值模拟） Fig. 5 Temperature change with time curve of initialsupport （from numerical simulation）
由
图 5
可知：不同的路肩标高处围岩初始温度
下，初期支护温度随时间的变化规律类似，即在开始
的 5 d 时间内，初期支护拱顶外表面的温度大幅度
降低，其减小幅度达到了 92.7%～94.8%，5～60 d 之
间温度降低的幅度不大；由于初期支护厚度较小，
第 60 d 后其温度稳定于 28 ℃，接近洞内气温. 隧道
初期支护其它部位的温度演化规律类似.
根据现场试验段实测结果，得到初期支护温度-时间曲线，见
图 6
.
20 25 30 35 40 45 50 55 60 0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91 开挖时间/d C1 C2 C7 C3 C8 C4 C9 C5 C10 C6 温度 /°C 图 6 初期支护温度随时间变化曲线（现场测试） Fig. 6 Temperature change with time curve of initialsupport （from in-situ test）
由
图 6
可知，隧道开挖 7 d 后，各测点初期支
护温度趋于稳定，拱顶、拱腰、边墙等测点的温度
在 26.6～26.9 ℃ 之间，略高于洞内空气温度（25～
26 ℃）.
由数值模拟和现场测试所得到的初期支护温度
随时间变化曲线可知，两者温度演变规律基本一致，
表明了数值模拟的正确性.
5 高岩温隧道初期支护应力演变规律及
安全性评价
根据数值模拟，获得不同路肩标高处围岩初始
温度下，不同施工步序时高岩温隧道初期支护的最
大主应力最值，见
表 5
、
6
，表中：“范围”指主应力最
值在分布位置上的法向宽度；拱腰外侧（边墙外侧）的
“
范围”为左右拱腰外侧（边墙外侧）的范围之和.
表 5 各施工步序初期支护最大主应力最大值
Tab. 5 Maximum of major principal stress in primary support by various construction step 路肩标高处围岩
初始温度/℃
上台阶施工 下台阶施工 仰拱施工
最值/MPa 位置 范围/m 最值/MPa 位置 范围/m 最值/MPa 位置 范围/m 常岩温 0.610 拱腰内侧 1.0 0.929 拱腰外侧 1.2 0.573 墙脚外侧 0～0.6 48℃ 0.992 拱腰内侧 1.0 1.374 墙脚内侧 5.0 0.901 墙脚外侧 0.6 60℃ 1.231 拱腰内侧 1.0 1.770 墙脚内侧 4.0 1.213 墙脚外侧 0.6 80℃ 1.513 拱腰内侧 1.0 2.011 墙脚内侧 4.0 1.502 墙脚外侧 0.6
表 6 各施工步序初期支护最小主应力最小值
Tab. 6 Minimum of minimum principal stress in primary support by various construction step 路肩标高处围岩
初始温度/℃
上台阶施工 下台阶施工 仰拱施工
最值/MPa 位置 范围/m 最值/MPa 位置 范围/m 最值/MPa 位置 范围/m 常岩温 –3.433 拱顶外侧 3.0 –8.472 拱顶外侧 2.0 –11.771 边墙外侧 1.0 48℃ –3.442 拱腰外侧 1.0 –8.612 拱顶外侧 3.0 –12.367 边墙外侧 4.0 60℃ –3.510 拱腰/拱顶外侧 1/1 –8.744 拱顶外侧 4.0 –12.952 边墙外侧 4.0 80℃ –3.622 拱腰/拱顶外侧 2/3 –8.830 拱顶外侧 4.0 –13.283 边墙外侧 4.0 注：数据正负符号意义为拉正压负，余同.
根据
表 5
、
6
可知：
（1） 在同一路肩标高处围岩初始温度下，隧道
下台阶施工后，初期支护最大主应力最大值及范围
增大，而在仰拱施工后，最大主应力最大值及范围降
低，表明初期支护最大拉应力及随着隧道开挖断面
的增大而增大，而其封闭成环及仰拱施作可有效降
低其拉应力，改善其受力状态. 与此不同的是，初期
支护的最小主应力最小值及范围则随着施工进行不
断增大，表明其最大压应力逐渐增大，充分发挥喷射
混凝土的抗压性能.
（2） 从常岩温到高岩温，随着路肩标高处围岩
初始温度增大，在不同施工步序中，初期支护的最大
主应力最大值和最小主应力最小值均增大，但最大
主应力增幅相比更大，表明高岩温对初期支护应力
的影响十分显著.
（3） 根据文献[
15
-
16
]，C25 喷射混凝土极限抗
压强度为 20 MPa，极限抗拉强度为 1.4 MPa，以此作
为初期支护安全性评价标准. 在各路肩初始温度条
件下，初期支护最小主应力最小值均小于 C25 喷射
混凝土极限抗压强度. 在路肩标高处围岩初始温度
大于 48 ℃ 后，初期支护喷射混凝土的最大主应力
最大值大于其极限抗拉强度，所以初期支护安全性
受控于喷射混凝土抗拉强度，当路肩标高处围岩初
始温度超过 60 ℃，隧道下台阶施工后，喷射混凝土
将产生受拉破坏.
根据现场测试，获得 4 个断面初期支护各测点
的应力值，见
表 7
.
表 7 初期支护应力试验结果Tab. 7 Primary support stress by test MPa 断面 左边墙 左拱腰 右拱腰 右边墙 拱顶 1 0.36 0.80 –5.37 –0.48 0.07 2 — — — –0.47 — 3 0.30 1.68 –5.12 –0.48 0.26 4 0.37 –0.74 –3.54 –0.53 0.34 注：“—”表示测试元件损坏.
根据
表 7
可知，初期支护压应力小于喷射混凝
土极限抗压强度，拉应力除第 3 断面左拱腰之外均
小于喷射混凝土极限抗拉强度. 对比
表 5
和
表 7
可
知：现场试验段路肩初始围岩温度为 50～55 ℃，最
大拉应力发生在第 3 断面的左拱腰处，量值为 1.68 MPa；
数值模拟中当路肩初始围岩温度为 48 ℃ 时，最大
拉应力为 1.37 MPa，当路肩初始围岩温度为 60 ℃，
最大拉应力为 1.77 MPa，均发生在下台阶开挖后的
墙脚内侧处. 虽然现场监测表明，当路肩标高处围岩
初始温度为 50～55 ℃ 时，初期支护将发生拉裂破
坏，初步验证了数值模拟的结果，但是，其它方面与
数值模拟结果对比，差异较大，其中原因较多，比
如：高岩温隧道初期支护在围岩荷载和温度应力作
用下其应力状态较为复杂，数值模拟断面与现场试
验段存在地形地质条件上的差异，现场测试未考虑
隧道开挖方法的影响以及测试断面数量有限，数值
模拟技术的局限性造成与工程实际的出入等等，因
此，后续需开展更为深入的研究.
6 结 论
针对高岩温隧道施工过程中初期支护的温度
场、应力场的演变问题，通过数值模拟和现场测试之
间的对比研究，得到了以下结论：
（1） 受施工通风影响，初期支护温度在隧道开
挖后约 5 d 内急剧降低，之后基本恒定且与洞内气
温一致.
（2） 受上下台阶法施工工序影响，初期支护最
大拉应力先增后减，最大压应力持续增加，表明初期
支护封闭成环和仰拱施作减小了其拉应力，增大了
其压应力，有效改善了初期支护受力状态.
（3） 随着路肩标高处围岩初始温度增大，在不
同施工步序中，初期支护的最大拉应力和最大压应
力均增大，表明高岩温降低了初期支护的安全性.
（4） 高岩温隧道初期支护安全性受控于喷射混
凝土抗拉强度，当围岩初始温度超过 60 ℃ 时，喷射
混凝土将产生受拉破坏.
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