1）洞口段温度场分析模型

为简化计算，忽略横向传热，将洞口段三维温度场视作沿纵向的二维瞬态温度场，如图7—1所示。外界对洞口段冻土边坡的温度场影响主要为大气对流换热和太阳辐射热影响，将两者综合为一个因素，作为热分析的边界条件，将太阳辐射引起的热量转换为等效的气温增量，模型初始温度取－0.7℃，喷射混凝土及模筑混凝土温度均取10℃。冻土热物性参数见表7—1。衬砌热物理参数见表7—2。

图7—1　洞口段开挖支护温度场分析物理模型

表7—1　冻土热物性参数

表7—2　衬砌热物理参数

根据依托工程鄂拉山、姜路岭隧道进出口不同地质条件、坡角、埋深建立四个基本计算模型，如图7—2所示。

图7—2　依托工程洞口段计算模型

2）洞口段热融规律

以依托工程鄂拉山进口段为例进行计算。不同时间地层温度曲线如图7—3所示。不同深度地层温度曲线如图7—4所示。冻融曲线如图7—5所示。

浅层土体温度在寒暖交替季节，温度上升迅速；地层中的温度相对地表有着一定的滞后性，且深度越深，滞后性越明显。地层年温度极值出现得越迟，温度变化曲线越缓和，表明受到外界温度扰动越小。冻土于3月份由地表开始向地层深处融化，8月份达到最大融化深度1.80 m。秋季外界气温开始降低并达到负温，融土又从地表开始向地层深处冻结。并且融土受到地下恒定温度的影响开始由底部向地表方向回冻，直至“融化线”和“冻结线”相交，即地层全部进入负温状态。

图7—3　不同时间地层温度曲线

图7—4　不同深度地层温度曲线

图7—5　冻融曲线

分析不考虑太阳辐射及考虑太阳辐射影响，两种情况下的地层温度变化规律及各洞口段冻土上限见表7—3。太阳辐射对依托工程洞口段边坡热融的影响巨大，即使是阴坡面都有必要施做一定的遮阳措施来减小冻土热融。

表7—3　依托工程洞口段冻土上限计算值　（m）

3）洞口段施工引起的隧道内热融坍塌研究

（1）施工环境气温的合理控制范围

根据洞内开挖热融规律，在控制洞内施工环境气温时，应遵循以下原则：

①将龄期低于3 d的喷射混凝土温度保持在0℃以上可满足支护防冻要求。

②掌子面环境气温可以稍高，甚至保持在0℃附近或以上，利于施工。

③距掌子面一定距离后，环境气温应当足够低，利于减小围岩的融化圈。

（2）临时保温防融措施对开挖期间热融坍塌防治作用分析

根据青藏高原多年冻土区的研究和施工经验，对于冻土边坡的防护具体措施主要有以下几种：边坡遮阳措施、片碎石覆盖、冷却坡体。

表7—4　YK329＋790 围岩融化圈深度监测值

注：*存在融化夹层。(www.daowen.com)

图7—6　姜路岭进口洞内外气温监测值

姜路岭进口洞内外气温监测值如图7—6所示。YK329＋790围岩融化圈深度监测值见表7—4，断面融化范围计算值与实测值对比如图7—7所示。姜路岭洞口段基本在寒季施工，通过临时保温，掌子面环境气温平均值0.5℃；距掌子面3 m以上的洞内环境气温平均值－2.1℃，达到了预期控制目标。在施做一次模筑混凝土前，围岩融化圈为1.10 m左右；在施做二次模筑混凝土前，围岩融化圈为1.3 m左右。可见虽然暖季外界气温较高，在施做了洞内保温防热融措施后，断面围岩融化圈增长缓慢，融化圈深度得到了很好的控制，防止了热融坍塌的产生。

图7—7　YK329＋790断面融化范围计算值与实测值对比

4）在保温条件下洞口段边仰坡的稳定性

根据现场地形地貌建立鄂拉山左洞出口模型，如图7—8所示。模型横向两边各取35 m为计算影响区，下边界距隧道中心30 m为计算影响区。坡面覆土层主要为含亚黏土碎石土，计算厚度取2 m，下层为强风化安山岩。边界条件均采用位移边界条件，不考虑水平构造应力的作用及爆破动荷载对隧道稳定性的影响。

图7—8　计算模型

分析研究以下两种工况：

工况1，按照在寒季开挖时，洞口段施做边坡及洞内保温防融措施后的理想情形设置热融圈，即边坡浅层土体均处于冻结状态。

工况2，洞口段未施做边坡及洞内保温防融措施，洞内施工环境温度较高，边坡及洞内热融范围均较大，且洞口5 m埋深以下均存在热融贯通现象，即设置边坡热融深度2 m，洞内围岩最大热融深度为3 m。

围岩力学参数见表7—5。

表7—5　围岩力学参数

（1）位移分析

在地表设置测点A、B、C分别距洞口纵向水平距离为0 m、5 m、10 m。根据模型的坐标系，Y向为竖向位移，Z向为水平位移。

隧道土体开挖后形成临空面，上方围岩主要发生向下的竖向位移，底部围岩则会向上隆起，两种工况下隧道开挖相差较大。工况1（图7—9）随着隧道进深的增加，测点竖向与水平位移的增长速度均为先快后慢，最后趋于平缓，说明隧道开挖扰动对上方土体的影响范围有限；工况2（图7—10）开挖后测点竖向位移增长速度一直较快，测点A的水平位移逐步增长，并在进深约18 m时发生位移突变，说明随着隧道进深的增加，边坡的稳定性在不断降低，不仅有向前方滑动的趋势，而且增加了向隧道内发生坍塌的风险。

在施做洞内和边坡保温防融措施后，通过减小融化范围，可以明显提高洞口段开挖过程中的稳定性，但工况1由于竖向位移和水平位移处于一个数量级，坡面的水平运动趋势不能忽略，施工中应注意对坡面的水平位移趋势的观测，也可采用锚杆注浆等措施进行提前加固。

图7—9　工况1测点位移

图7—10　工况2测点位移

（2）应力分析

两种工况下，开挖过程中最大第一主应力都随着开挖逐渐增大，但是在数值上工况2要比工况1高。开挖5 m后，工况1最大拉应力为185.2 kPa，工况2最大拉应力为185.2 kPa，两者基本一致；但在开挖30 m后，工况1最大拉应力为246.0 kPa，工况2最大拉应力为783.2 kPa。

由此可见，工况1的情形下，在开挖初期，是拉力区发展最快的过程，之后随着进深增加，没有继续发展或者变化很小，说明隧道是稳定的；在工况2的情形下，随着进深的增加拉力区在明显地发展，说明隧道的稳定性不断降低，有发生坍塌的风险。

（3）塑性区分析及安全系数

两种工况的塑性区发展趋势基本相同，均是随着开挖工作的进行先由洞内两侧拱脚处发展，但是发展程度明显不同，如图7—11 所示。工况1 围岩在开挖后，拱脚也有开裂的趋势，洞内也存在一定的坍塌风险，但在支护后，塑性区发展较慢，围岩趋于稳定；工况2 塑性区发展很快，对洞口段稳定非常不利。开挖过程中安全系数见表7—6。

图7—11　塑性区发展

表7—6　开挖过程中安全系数

综合以上两种工况的对比可知，依托工程隧道通过施做边坡及洞内保温防融措施，可以显著降低坡面滑坡及洞内坍塌的可能，提高洞口段稳定性。