刘　浩

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉　430063)



内外温差对明挖隧道主体结构内力的影响研究

刘浩

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉430063)

摘要：明挖隧道内外温差会使其衬砌结构产生附加应力，严重时会使隧道轴线方向的衬砌产生环向裂缝。通过对温度进行现场监测，获得工程实际内外温差，对其规律进行简要分析并将其作为有限元计算的温度边界条件；采用ANSYS进行有限元计算，考虑明挖隧道主体结构修建完成和回填完成两个阶段，对隧道内部温度低于外部温度、隧道内部温度高于外部温度以及无温差3种工况进行分析，得出温差对隧道结构应力的影响规律。

关键词：市政隧道；明挖隧道；内外温差；结构应力；温度监测；有限元计算

明挖法隧道施工过程较为复杂，隧道施工期间，衬砌结构暴露在空气中，会受到环境温度变化的影响。环境温度变化包括：大气温度随季节和昼夜的变化；地下土层与大气的温差；衬砌结构施工时产生的水化热。当隧道衬砌受到环境温度影响时，由于混凝土的干缩、热胀冷缩和围岩的约束，将在衬砌内部产生附加应力，附加应力会使隧道轴线方向的衬砌内产生环向裂缝[1-4]。这些裂缝不仅影响隧道衬砌的受力，而且是隧道渗漏水的通道。周宜红[5]等利用分布式光纤传感器对隧道边墙衬砌混凝土温度进行全方位监测，根据监测数据对衬砌混凝土升温和降温过程中的温度状态进行对比分析，获得该衬砌混凝土不同位置温度变化规律。刘新宇[6]等对钢筋混凝土超长结构进行了使用阶段环境温度影响下结构变形现场量测，并应用一维非稳态热传导理论和温度应力理论对环境温度影响下隧道结构的温度和变形进行计算。蒲春平[7]在分析了影响温度应力各种因素的基础上，通过推导岩石隧道温度应力的计算公式，探讨了由温度应力引起的裂缝的开展规律。张永兴，尹盛斌[8，9]分析了时间、温度两大因素对隧道衬砌表面裂缝的发展趋势。程磊、白国权[10，11]则对铁路隧道的混凝土在高岩温环境下的耐久性进行了研究。

刘志春[12]、宋鹤等[13]对高寒、多年冻土情况下的隧道洞内外温度进行了长期的实测与分析。为了研究寒冷地区隧道二次衬砌混凝土结构在环境温度变化情况下的力学状态，罗彦斌[14]提出了温差引起的误差修正公式，对隧道二次衬砌混凝土的温度应力进行了分析。张学富[15]通过对隧道内的大气温度进行实测，利用三维有限元计算公式，计算分析了隧道未来的温度特性。

明挖法隧道，同其他类型隧道相比，最大的不同之处在于：施工过程中土体侧向压力主要由基坑支护结构承担，且衬砌结构暴露在空气中，其表面温度会随着环境温度改变而改变。目前国内外针对温度的研究多集中于大型混凝土水化热的研究以及对深大基坑的温度影响，对于明挖法隧道的温度影响研究还是少见的。

依托工程实例，对明挖法隧道进行温度现场监测并加以分析，研究其隧道结构内外产生温差的原因以及结构产生附加应力的机理，并通过有限元数值模拟分析计算，对隧道结构的温度场和应力场进行热力耦合分析，研究了温度应力对海中明挖法隧道受力变形的影响，为以后的明挖法隧道设计分析提供参考依据。

1工程概况(图1)

澳门大学横琴校区隧道是为澳门大学横琴岛新校区而修建的唯一专用通道，设双向4车道+人行道，穿越十字门水道连接位于南海区域的珠海横琴岛与澳门路环岛，全长约1.5 km。新校区和隧道建设由澳门政府出资，广东省负责建成后整体移交澳门政府行政管辖，是“一国两制”制度创新示范项目。为了满足新校区两年半整体建成的工期要求，隧道选用围堰明挖法修建，即在十字门水道修筑两道围堰将中间海水抽干后，干作业施工530 m长的海中明挖隧道段。

隧道施工段分为3段，分别为横琴侧明挖隧道、海中明挖隧道、澳门侧明挖隧道。其中，海中段隧道采用三孔一管廊的结构形式，隧道结构高度约10 m，宽度约32 m，设计顶板高程-16.26～5.57 m，底板高程-26.36～2.01 m，基坑开挖深度为18～25 m，设5～6道支撑。

图1　澳门大学横琴校区过海隧道位置

2M-M研究断面地层条件及围护结构设计

M-M断面，里程K0+970～K1+100，处于海中段，开挖深度约25 m，开挖宽度约32 m。围护结构采用钢管桩，支撑采用4道钢支撑和2道混凝土支撑。隧道底部土层较为软弱，存在较厚的淤泥质土层，为减少沉降底部采用了基础桩(钻孔灌注桩)加固。

该断面相关结构尺寸和参数见图2。

图2　澳门大学横琴校区过海隧道横断面(单位：m)

根据钻探揭露，场地内第四系覆盖层地层岩性有人工素填土、细砂、第四系海陆交互沉积淤泥、第四系冲积黏土、淤泥质黏土、细中砂、中粗砂、砾砂及第四系残积砂质黏性土。下伏基岩为燕山晚期花岗岩(全风化花岗岩、强风化花岗岩、中～微风化花岗岩等)。

3隧道温度监测方案

(1)监测目的

施工阶段对隧道衬砌内侧温度进行监测，利用得到的温度数据分析温度产生的原因，以及温度差对衬砌结构内力的影响，为以后的明挖结构设计提供参考。

运营阶段对隧道衬砌内侧温度进行监测，分析温度变化的原因，以及温度对结构性能的影响，研究温度对隧道寿命的影响。

(2)监测设备

温度监测设备采用JTM-T4000型温度计和JTM-V10A型读数仪进行监测。

(3)监测方法及测点布置

监测方法：在衬砌浇筑之前，将温度计绑扎在钢筋笼上，将电缆线穿过钢筋笼，预留在隧道内部，定时用读数仪进行读取数据并记录。

测点布置：K0+760～K0+790，K0+910～K0+940，K0+970～K1+000，K1+090～K1+120；布置在以上4个里程段的衬砌结构侧墙中部位置。

具体布置如图3所示。

图3　电缆线防渗水布置 (单位：mm)

(4)监测频率

衬砌内部温度和坑内温度监测频率均为施工阶段1次/周、运营阶段1～2次/月。

4隧道温度监测结果及分析

对2012-11-06～2012-12-27时间段内的衬砌外侧土体、隧道内部环境的温度变化进行了连续监测。由于现场施工原因，部分测点被损坏，同时施工影响监测人员不能够按时进入隧道内部进行量测，故该阶段数据并不完整，但不影响对整体温度变化趋势的判断，将所得监测数据整理后绘制变化曲线如图4所示。

图4　隧道衬砌内外侧温度变化

可以看出，衬砌外侧土体温度高于内侧，温差为2～4 ℃，但趋势一致，说明衬砌外侧土体温度由于受到施工因素、土体保温效应等影响比内侧温度高，但同时又受到环境温度影响。该监测结果在后续影响分析中将作为温度边界条件。

5温差对结构内力的影响研究

采用有限元分析软件ANSYS展开数值计算与分析，考虑实际施工过程，动态模拟基坑开挖，使得数值模拟计算结果更贴近实际，并结合温度现场监测数据，同时考虑温度和结构受力的耦合作用，进一步分析结构内外温差对明挖结构的实际影响，并给出建议。

(1)有限元模型建立

此次分析选取典型断面M-M断面，该断面是该隧道开挖最深的断面。有限元分析模型计算范围取224 m(宽)×100 m(深)，其中开挖面两侧取开挖宽度的3倍，计算深度由于基础桩较深，为充分考虑其影响范围，故取开挖深度的4倍，根据以往基坑工程的实践经验，该计算域取值范围完全能反映基坑真实的变形特征。其中土体以及结构单元均采用实体plane单元；基础桩、围护桩以及支撑采用梁单元。具体模型及网格划分如图5所示。

图5　网格划分

(2)材料参数选取

参数选取也要考虑两方面，一方面是物理力学参数，另一方面是热力学参数。其力学参数也分两部分，一部分是土层的力学参数，另一部分是结构的力学参数。土层的力学参数可以根据地质勘察资料提供的建议值确定；结构的力学参数根据设计中所用的材料截面进行等效换算其面积与刚度等参数。热力学参数并未给出，查阅以前学者做的相关资料以及类比工程实例进行选取确定，其中混凝土的膨胀系数可以认为不随温度变化而变化。具体参数可参见表1、表2。

表1　材料参数

表2　截面等效参数

(3)动态模拟施工过程

第1步：杀死围护桩、基础桩和支撑单元；

第2步：激活围护桩、基础桩和第1道支撑；

第3步：开挖第1层土和激活第2道支撑，模拟为激活第2道支撑单元并“杀死”第1层土层单元；

第4步：开挖第2层土和激活第3道支撑；

第5步：开挖第3层土和激活第4道支撑；

第6步：开挖第4层土和激活第5道支撑；

第7步：开挖第5层土和激活第6道支撑；

第8步：开挖第6层土；

第9步：施工隧道衬砌结构，模拟为激活隧道结构单元；

第10步：土体回填，拆除支撑，模拟为“杀死”支撑单元，激活土体单元并更改土体参数。

(4)计算工况分析

主要分析明挖隧道结构内力受温差的影响，考虑施工阶段明挖隧道修建完成和回填完成2种工况。根据现场温度监测数据可知，隧道修建完成但尚未回填时隧道内外温差为2～5 ℃，且隧道内部温度低于隧道外部温度(靠近土体一侧)；回填完成但尚未通车时，隧道内外温差为1～4 ℃。故在此选择2种典型工况分析温度对隧道结构内力的影响。

隧道修建完成：隧道内部温度低于隧道外部温度，温差为5 ℃；隧道内部温度高于隧道外部温度，温差为5 ℃(用于对比分析及考虑特殊情况)。

回填完成：隧道内部温度低于隧道外部温度，温差为4 ℃；隧道内部温度高于隧道外部温度，温差为4 ℃(用于对比分析及考虑特殊情况)。

6隧道修建完成阶段温差影响分析

根据上述数值模型、参数选取及工况分析，利用有限元软件进行温差对隧道结构的影响分析。分析主要选取在隧道浇筑完成尚未回填阶段，同时温度工况选择隧道内部温度低于隧道外部温度、隧道内部温度高于隧道外部温度及不考虑温度3种情况。

由于选取分析的节点为隧道浇筑完成尚未回填，故顶板是暴露在空气中的，因此此处定义温度荷载时，隧道顶板外侧温度与隧道内部温度取值相同。隧道外侧和内侧温度定义均参考前述温度监测数据。

根据材料力学中的4种强度理论，并考虑到工程实际，本节针对计算结果进行重点分析，主要选取隧道结构的第一主应力、第三主应力和Von Mises应力作为主要应力加以探讨研究。将不同工况下对应的应力云图进行比较分析，研究温差影响对结构应力整体趋势的影响，得出定性的结论。

此次有限元分析中桩基础与底板直接接触，同时隧道各角点并未做倒角处理，故存在应力集中现象。直接分析应力极值并不能反映温度实际影响，同时不同温度工况下应力极值不同。由于有限元计算云图默认根据极值大小自动分配云图颜色，所以会产生在不同云图下相同应力的云图颜色不同的现象，那么直接对于云图进行定性分析并不能直观的得出温差对隧道结构应力的影响，故应该对应力云图进行后期处理，将同一个主应力不同工况下的云图图例调整一致，这样就可以直观的从云图颜色对比看出温差的影响。具体分析如下。

图6　第一主应力对比

图6为隧道结构在3种不同工况下的第一主应力对比。从图中可以看出，相比不考虑温度影响而言，当隧道内部温度低于隧道外部温度时，顶板应力略有增大，侧墙中部应力明显增大，底板中部隧道内侧应力增大，靠近土体侧变化较小；当隧道内部温度高于隧道外部温度时，顶板应力变化较小，侧墙中部应力有所减小，底板中部靠近土体侧应力略有增大。

图7　第三主应力对比

图7为隧道结构在3种不同工况下的第三主应力对比。从图中可以看出，相比不考虑温度影响而言，当隧道内部温度低于隧道外部温度时，顶板应力基本不变，侧墙中部应力明显增大，底板隧道内侧应力绝对值减小，尤其是在每个跨的跨中变化最为显著，底板靠近土体侧应力绝对值增大；当隧道内部温度高于隧道外部温度时，顶板应力绝对值有所增大，侧墙中部应力有所增大，底板中部隧道内侧应力绝对值有所增大，靠近土体侧应力绝对值略有减小。

图8　Von Mises应力对比

图8为隧道结构在3种不同工况下的Von Mises应力对比。从图中可以看出，相比不考虑温度影响而言，当隧道内部温度低于隧道外部温度时，其整体应力明显增大，尤其是侧墙和顶底板跨中应力，但个别点处应力有所减小，比如侧墙和顶板的交点处；当隧道内部温度高于隧道外部温度时，整体应力明显增大，尤其是顶底板最为显著，侧墙应力变化相对较小。总的来说，当考虑温度影响，其应力整体趋势是增大的，个别点应力略有不同。

7回填完成阶段温差影响分析

分析主要选取在回填完成尚未通车阶段，同时温度工况选择隧道内部温度低于隧道外部温度、隧道内部温度高于隧道外部温度及不考虑温度3种情况。隧道外侧和内侧温度定义均参考前述温度监测数据。

图9为隧道结构在3种不同工况下的第一主应力对比。从图中可以看出，相比不考虑温度影响而言，当隧道内部温度低于隧道外部温度时，顶板跨中应力明显增大，侧墙上角点应力和底板中部靠近土体侧应力略有增大；当隧道内部温度高于隧道外部温度时，顶板跨中应力、侧墙上角点应力和底板中部靠近土体侧应力均有所减小，侧墙中部应力变化较小。

图9　第一主应力对比

图10为隧道结构在3种不同工况下的第三主应力对比。从图中可以看出，相比不考虑温度影响而言，当隧道内部温度低于隧道外部温度时，顶板应力和侧墙跨中应力绝对值均增大，而侧墙与顶底板拐角处应力增大，底板应力绝对值也略有增大；当隧道内部温度高于隧道外部温度时，顶板应力和侧墙上角点应力绝对值略有减小，侧墙下角点应力有所减小，底板中部隧道内侧应力绝对值有所增大。

图10　第三主应力对比

图11为隧道结构在3种不同工况下的Von Mises应力对比。从图中可以看出，相比不考虑温度影响而言，当隧道内部温度低于隧道外部温度时，隧道结构整体应力大体有所增大，尤其是顶板跨中应力最为显著，底板部分点处应力有所减小；当隧道内部温度高于隧道外部温度时，顶板跨中应力略有减小，但顶板其余部分位置略有增大，侧墙中部和底板中部应力增大，拐角处应力有所减小。

图11　Von Mises应力对比

8结论

(1)衬砌外侧土体温度受施工因素、土体保温效应等影响，其外侧土体温度比内侧温度高，温差为2～4 ℃，但其变化趋势一致。

(2)温差对明挖结构的位移影响不大，若无特殊情况基本可以忽略不计；对于内力有一定影响。隧道修建阶段，当隧道衬砌内外有温差时，其结构应力会有所增大；回填完成阶段，当隧道衬砌内外有温差时，其结构应力会有所增大，但相比隧道修建阶段而言影响较小。

(3)当隧道内温度低于隧道外部温度时，隧道修建阶段和回填完成阶段隧道结构的最大Von Mises应力和最大第一主应力比不考虑温度时均明显增大，尤其是顶底板中点和拐角点处最为显著，对结构是不利的，工程中需特别注意。

(4)当隧道内温度高于隧道外部温度时，隧道修建阶段和回填完成阶段隧道结构内侧最大Von Mises应力和最大第一主应力比不考虑温度时均有所减小，而靠近土体侧部分点的最大Von Mises应力或者最大第一主应力略有增大，认为对结构是有利的，在实际工程中仍需注意个别点处应力过大造成结构损伤。

(5)实际工程中温差对结构应力的影响是不可忽视的，同时施工阶段温差对结构应力的影响要大于回填完成阶段温差对结构应力的影响。

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收稿日期：2015-11-09； 修回日期：2015-12-24

作者简介：刘浩(1980—)，男，高级工程师，2005年毕业于同济大学岩土工程专业，E-mail：68343670@qq.com。

文章编号：1004-2954(2016)06-0065-06

中图分类号：U451

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.06.014

Influence of Internal and External Temperature Difference on Structural Stress of Open-excavated Tunnel

LIU Hao

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，Ltd.，Wuhan 430063，China)

Abstract：Additional stress may be generated by internal and external temperature difference in open-excavated tunnel，and circumferential cracks appear in tunnel lining along the axial direction where the stress is big enough. Internal and external temperature difference in engineering site is obtained by field monitoring to analyze the controlling factors，which are regarded as FEM temperature boundary condition. Finite element method calculation with ANSYS is employed to analyze the working conditions where the temperature inside the tunnel is below the external temperature，the temperature inside the tunnel is higher than the external temperature and there is no temperature difference with a view to the two stages of the completion of the main structure of the open-excavated tunnel and the completion of backfilling. As a result，the influencing law of temperature difference on structural stress is concluded．

Key words：Municipal road tunnel; open-excavated tunnel; Internal and external temperature difference; Structural stress; Temperature field monitoring; Finite element calculation