李書(shū)杰（重慶市水利電力建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，重慶401120）

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高地溫隧洞襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形分析及降溫措施

李書(shū)杰
（重慶市水利電力建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，重慶401120）

本文以娘擁水電站的高地溫段引水隧洞為依托，采用ansys有限元軟件，耦合溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，對(duì)運(yùn)行工況和檢修工況下不同厚度的襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，得出了不同情況下襯砌的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移值，為設(shè)計(jì)、施工提供了參考依據(jù)，并采用綜合降溫措施降溫，為隧洞順利施工創(chuàng)造了有利條件。

高地溫；有限元；引水隧洞；降溫措施

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.01.035

在我國(guó)西部地區(qū)建設(shè)水利水電工程，由于地勢(shì)險(xiǎn)峻和工程建設(shè)的需要，常需要進(jìn)行深埋隧洞的施工。然而西部許多地區(qū)蘊(yùn)藏著大量的地?zé)豳Y源，在隧洞施工過(guò)程中會(huì)遇到較為復(fù)雜的地質(zhì)問(wèn)題。如蓮麓一級(jí)水電站左右岸灌漿平洞開(kāi)挖過(guò)程中遇到溶洞［1］；引灤入唐輸水工程兩條輸水隧洞地質(zhì)條件各異，構(gòu)造復(fù)雜，穿越斷層大部分為壓性、扭性和少量張扭性斷裂［2］；新疆某二級(jí)水電站引水隧洞1#施工支洞穿越兩個(gè)30m的大斷層和一個(gè)50多m厚的有壓透水層［3］，但水溫不高，洞內(nèi)溫度處于正常施工溫度范圍。

對(duì)于隧洞工程而言，當(dāng)?shù)販卮笥?0℃時(shí)，即為高地溫條件，據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)外許多工程出現(xiàn)過(guò)復(fù)雜的地質(zhì)問(wèn)題，例如新疆的新布倫口公格爾水電站的引水隧洞［4］，施工時(shí)發(fā)現(xiàn)巖壁溫度超過(guò)80℃；新疆齊熱哈塔爾水電站的引水隧洞［5］，掌子面鉆孔發(fā)現(xiàn)溫度達(dá)到72℃；高黎貢山鐵路深埋隧道［6］，在地質(zhì)勘測(cè)時(shí)預(yù)測(cè)洞身溫度達(dá)到43～75℃；意大利亞平寧鐵路隧道，隧道溫度達(dá)到63.8℃。

在高地溫的隧洞地段，常常伴有高溫?zé)崴雎?。?duì)隧洞的正常施工產(chǎn)生較大影響：①洞內(nèi)施工環(huán)境惡劣，氣溫較高，導(dǎo)致施工人員胸悶、嘔吐、熱水燙傷；②測(cè)量?jī)x器失效，不能正常工作；③炸藥膨脹，毫秒雷管軟化，產(chǎn)生啞炮，甚至自爆；④?chē)娚浠炷粱貜椓吭龃?，巖壁脫層掉塊，無(wú)法封閉巖面；⑤砂漿錨桿抗拔力降低；⑥圍巖膨脹引起的安全問(wèn)題等。

就國(guó)內(nèi)高地溫隧洞施工方面來(lái)說(shuō)，我國(guó)最早開(kāi)始有這方面的研究是在1993年的云南省黑白水電站引水隧洞的施工中，國(guó)內(nèi)系統(tǒng)的研究還未開(kāi)展起來(lái)，大部分學(xué)者都是通過(guò)實(shí)際的工程項(xiàng)目結(jié)合理論分析進(jìn)行了一些研究［7-8］。

本文以娘擁水電站的引水隧洞為依托，耦合溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，對(duì)高地溫條件下隧洞襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行了應(yīng)力分析，同時(shí)對(duì)施工降溫措施進(jìn)行了相關(guān)探討，以期能為類似工程的設(shè)計(jì)與施工提供一定的借鑒和參考。

1 工程概況

娘擁水電站位于四川省甘孜州鄉(xiāng)城縣境內(nèi)，電站采用引水式開(kāi)發(fā)。引水線路沿線河谷狹窄，山體雄厚，谷坡陡峻，兩岸自然坡度大多60～80°，地勢(shì)海拔4500～4800余m，屬典型的高山峽谷地貌。引水線路主要穿越的地層巖性為印支期斑狀黑云母花崗巖（r1

β5），三疊系拉納山組下段（T311）灰色厚～中厚層砂巖夾板巖，三疊系上統(tǒng)拉納山組上段（T312）板巖、砂巖互層。

引水隧洞全長(zhǎng)15406.313m，沿線共布設(shè)7條施工支洞。其中，1#支洞與主洞相交樁號(hào)為K0 + 873.97m，在下游面主洞開(kāi)挖過(guò)程中，花崗巖銹染嚴(yán)重，且局部風(fēng)化，洞壁潮濕，隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，溫度呈逐漸升高的趨勢(shì)，至K1 +017.4m溫度仍然處于上升中，K0 +905m右下角出現(xiàn)一出水點(diǎn)，水量約20m1/s，水溫59℃，水質(zhì)透明，無(wú)味。在右壁K0 +972m，左壁K0 +986m處，分布一條左旋逆沖斷層，即熱水?dāng)鄬樱a(chǎn)狀N20°E/NW∠85°，該處為花崗巖與拉納山組下段分界線，上盤(pán)為拉納山組下段的砂板巖，下盤(pán)為花崗巖。K1 +010～ 1 +017.4m段，底板部分有溫泉出露，水量較小；樁號(hào)1 +017.4m掌子面中下部，分布一出水點(diǎn)，流量約30m1/s，水質(zhì)透明，無(wú)味，泉眼周?chē)休^多鈣質(zhì)沉積，水溫高達(dá)78℃，高地溫段隧洞溫度詳見(jiàn)表1［9］。

表1 隧洞高地溫段溫度統(tǒng)計(jì)表

2 溫度-應(yīng)力耦合計(jì)算分析

隧道圍巖應(yīng)力計(jì)算公式有平衡拱理論、太沙基理論、圍巖壓力系數(shù)法以及鐵道部隧道規(guī)范法［10］。由于引水隧洞在1#施工支洞下游控制段約200m左右穿過(guò)了熱水?dāng)鄬?，出現(xiàn)高地溫及溫泉涌水，最高水溫78℃，隧洞施工和支護(hù)、襯砌等均受到高地溫地質(zhì)問(wèn)題的影響。為了解隧洞結(jié)構(gòu)在高地溫條件下的安全性能，采用ansys大型有限元分析軟件，建立ansys有限元模型，運(yùn)用熱學(xué)理論模擬該洞段的溫度場(chǎng)，耦合溫度場(chǎng)-應(yīng)力場(chǎng)，對(duì)隧洞襯砌結(jié)構(gòu)在溫度場(chǎng)影響下進(jìn)行應(yīng)力值研究，為設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2.1 計(jì)算參數(shù)

在有限元計(jì)算分析時(shí)，需先設(shè)置模型的邊界條件，混凝土澆筑時(shí)的環(huán)境溫度取20OC和30OC，圍巖溫度固定取為50OC；過(guò)水后，設(shè)隧洞內(nèi)部水溫為5OC，設(shè)內(nèi)水壓力為0.25MPa。隧洞材料計(jì)算基本物理參數(shù)和溫度計(jì)算參數(shù)詳見(jiàn)表2。

表2 材料計(jì)算參數(shù)

2.2 計(jì)算方案

計(jì)算時(shí)，考慮兩種襯砌結(jié)構(gòu)（厚度分別為0.40m和0.60m）于常溫和高地?zé)岬葍煞N條件下在不同工況時(shí)的應(yīng)力變形情況。計(jì)算方案詳見(jiàn)表3。

表3 計(jì)算方案表

說(shuō)明：檢修工況僅考慮溫度作用，運(yùn)行工況考慮溫度和內(nèi)水壓力的共同作用。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)方案1～12進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得到了常溫和高地溫條件下不同尺寸的襯砌在不同工況下的應(yīng)力變形數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表4。給出常溫條件下運(yùn)行工況時(shí)不同厚度襯砌的應(yīng)力位移云圖，見(jiàn)圖1和圖2。從圖中可知，襯砌厚度為0.40m時(shí)，襯砌外表面應(yīng)力峰值為0.86MPa，位移峰值為0.088mm；而襯砌厚度為0.60m時(shí)，襯砌外表面應(yīng)力峰值為0.75MPa，位移峰值為0.078mm，說(shuō)明襯砌厚度越大能減小襯砌的應(yīng)力和位移，但應(yīng)力減小幅度僅為0.11MPa。

圖1 常溫時(shí)運(yùn)行工況襯砌應(yīng)力云圖（單位：Pa）

圖2 常溫時(shí)運(yùn)行工況襯砌位移云圖（單位：m）

混凝土澆筑環(huán)境溫度為30OC時(shí)檢修工況和運(yùn)行工況時(shí)不同厚度襯砌的應(yīng)力云圖，見(jiàn)圖3和圖4。從圖中可發(fā)現(xiàn)，在高地溫的環(huán)境影響下，襯砌應(yīng)力主要是，在襯砌厚度為0.40m時(shí)，運(yùn)行工況和檢修工況時(shí)的襯砌內(nèi)表面應(yīng)力峰值分別為6.03MPa、5.95MPa，在襯砌厚度為0.60m時(shí)，運(yùn)行工況和檢修工況時(shí)的襯砌內(nèi)表面應(yīng)力峰值分別為5.99MPa、5.93MPa。說(shuō)明高地溫影響時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力主要由溫度場(chǎng)產(chǎn)生，而且襯砌厚度越大，襯砌應(yīng)力峰值越小，與圖1～2發(fā)現(xiàn)的規(guī)律相同；在襯砌結(jié)構(gòu)相同的情況下，由于考慮了溫度和內(nèi)水壓力的耦合作用，運(yùn)行工況下的襯砌應(yīng)力峰值均比檢修工況下的應(yīng)力峰值大，但是相差極小，均在5%以內(nèi)。對(duì)圖1和圖4進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)混凝土澆筑時(shí)的環(huán)境溫度與過(guò)水溫度差值越大，溫度應(yīng)力耦合內(nèi)水壓力產(chǎn)生的應(yīng)力也越大。

圖3 混凝土澆筑環(huán)境溫度為30OC時(shí)檢修工況襯砌應(yīng)力云圖（單位：Pa）

圖4 混凝土澆筑環(huán)境溫度為30OC時(shí)運(yùn)行工況襯砌應(yīng)力云圖（單位：Pa）

通過(guò)對(duì)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行換算可得，在高地溫作用下，0.40m厚的襯砌沿結(jié)構(gòu)周長(zhǎng)方向的變形為0.54mm；0.60m厚的襯砌沿結(jié)構(gòu)周長(zhǎng)方向的變形為0.72mm。據(jù)統(tǒng)計(jì)，引水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)最有可能產(chǎn)生的裂縫，一般分布在邊墻與底板交界處或兩側(cè)拱腳，估算得到襯砌產(chǎn)生的裂縫開(kāi)展寬度，0.40m厚的襯砌的單條裂縫開(kāi)展寬度為0.14mm，0.60m厚的襯砌的單條裂縫開(kāi)展寬度為0.18mm，滿足《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)裂縫開(kāi)展寬度的限制要求。

高地溫條件下襯砌產(chǎn)生的拉應(yīng)力較大，峰值為6MPa左右，故結(jié)構(gòu)需要配大量鋼筋，對(duì)于超靜定鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)配溫度鋼筋的目的主要是為了使裂縫的寬度得到控制。根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》等相關(guān)規(guī)范并通過(guò)計(jì)算，在不考慮高地溫影響情況下，0.40m厚的襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)、外層需配Φ20螺紋鋼5根；0.60m厚的襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)層、外層同樣需配Φ20螺紋鋼5根；而在高地溫條件下，0.40m厚的襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)、外層需配Φ32螺紋鋼7根；0.60m厚的襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)層、外層則需配Φ32螺紋鋼9根；具體設(shè)計(jì)詳見(jiàn)表4。

表4 有限元計(jì)算成果與鋼筋配筋設(shè)計(jì)表

3 施工降溫措施

針對(duì)娘擁水電站引水隧洞高地溫洞段的具體情況，參考相似工程的施工經(jīng)驗(yàn)［11］，例如新疆的新布倫口公格爾水電站引水隧洞、意大利亞平寧鐵路隧道、高黎貢山鐵路隧道、云南省黑白水三級(jí)電站引水隧洞及日本安房公路隧道等工程，該工程采用了以下幾點(diǎn)降溫措施。

（1）注入碩曲河冷水

在洞內(nèi)溫泉出露點(diǎn)開(kāi)挖集水坑，采用水泵抽自碩曲河冷水，通過(guò)Φ48mm（壁厚4mm）鍍鋅管將冷水注入洞內(nèi)集水坑內(nèi)，使洞內(nèi)熱水與洞外冷水充分混合，洞內(nèi)熱水的部分熱量被冷水吸收，可減少熱水散發(fā)在洞內(nèi)空氣的熱量，降低洞內(nèi)環(huán)境溫度。

（2）抽排洞內(nèi)熱水

在距離掌子面一定距離位置挖一集水坑，采用2.2kW、12.5m3/h的水泵通過(guò)Φ60mm（壁厚5mm）鍍鋅管及時(shí)的將集水坑內(nèi)混合水排出洞外，縮短熱水在洞內(nèi)與周?chē)諝膺M(jìn)行熱交換的時(shí)間，以降低洞內(nèi)環(huán)境溫度。

（3）加強(qiáng)通風(fēng)措施

加強(qiáng)通風(fēng)措施是降低洞內(nèi)作業(yè)環(huán)境溫度、改善作業(yè)條件最重要的手段之一。在洞內(nèi)高溫環(huán)境下，采用常規(guī)的單管壓入式通風(fēng)難以有效的降低洞內(nèi)環(huán)境溫度，特別是隨著掌子面的推進(jìn)，通風(fēng)效果會(huì)愈來(lái)愈差。本工程采用2×37 /115kW的通風(fēng)機(jī)代替原來(lái)的2×55kW通風(fēng)機(jī)，通過(guò)Φ1500mm的風(fēng)管向工作面送風(fēng)，起到了良好的降溫效果。

（4）噴霧降溫措施

在洞外水池接冷水水管至洞內(nèi)，沿洞頂兩側(cè)各架設(shè)一根ψ100mm的輸送鋼管，安裝增壓泵和閘閥，在鋼管上每隔8～10m安設(shè)一個(gè)噴霧器，在適當(dāng)時(shí)間沿洞線進(jìn)行噴霧，通過(guò)水霧冷卻洞內(nèi)巖面和與洞內(nèi)熱空氣混合，可以有效降低洞內(nèi)氣溫。同時(shí)，高壓噴霧還可以吸收洞內(nèi)粉塵，降低粉塵濃度，改善施工條件。

通過(guò)采用以上綜合降溫措施，經(jīng)測(cè)試，一段時(shí)間后，引水隧洞洞內(nèi)溫度由原來(lái)的50℃降低至30℃以下，大大改善了施工作業(yè)環(huán)境，為隧洞順利施工創(chuàng)造了有利條件。

4 結(jié)語(yǔ)

以娘擁水電站的高地溫段引水隧洞為依托，采用有限元軟件中的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)耦合方式，對(duì)高地溫條件下和常溫條件下不同厚度的襯砌結(jié)構(gòu)在不同運(yùn)行工況進(jìn)行計(jì)算分析，對(duì)工程的主要結(jié)論和建議如下：

（1）高地溫條件下，增加襯砌厚度可以使得襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變形減小，但減小幅度有限。

（2）高地溫條件下，運(yùn)行工況條件下襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變形大于檢修條件下的應(yīng)力變形，說(shuō)明了襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力主要由溫度場(chǎng)產(chǎn)生，且混凝土澆筑時(shí)的環(huán)境溫度與過(guò)水溫度差值越大，溫度應(yīng)力耦合內(nèi)水壓力產(chǎn)生的應(yīng)力也越大。

（3）通過(guò)計(jì)算，0.40m厚的襯砌的單條裂縫開(kāi)展寬度為0.14mm，0.60m厚的襯砌的單條裂縫開(kāi)展寬度為0.18mm，滿足規(guī)范要求。

（4）注入碩曲河冷水、抽排洞內(nèi)熱水、加強(qiáng)通風(fēng)及噴霧降溫等綜合降溫措施能有效改善作業(yè)環(huán)境。

（5）如果高地溫是持久的，降溫措施只能改善作業(yè)環(huán)境，而無(wú)法改變運(yùn)行條件。

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2015-09-14

李書(shū)杰（1980年—），男，工程師。