王排排，姜海波

(石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆石河子832003)

隨著地下洞室向著深埋長大方向發(fā)展，各國在修建地下洞室時出現(xiàn)了不同程度的地質(zhì)災(zāi)害，比如滲流、巖爆、涌水、山體變形、巖溶塌陷、高地溫等，其中高地溫問題在煤礦開挖和隧道建設(shè)中遇到的比較多[1-2]，高地溫問題在近幾年來得到許多學(xué)者的廣泛關(guān)注，由于高地溫引起的熱害不利于施工，有些學(xué)者利用相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，預(yù)測了隧洞沿線以及掌子面的地溫分布[3-5]，根據(jù)具體工程的高地溫表現(xiàn)形式，侯代平、袁國培等[6- 8]給出了高溫條件下引水隧洞的具體施工方案；何滿潮、趙國斌等[9-10]根據(jù)實際工程提出了相應(yīng)的施工降溫措施；李俊生等[11]研究了降溫措施對地下洞室掌子面溫度的溫降效果；劉春龍、周小涵等[12-14]用溫度場的熱彈性理論解、數(shù)值解和溫度應(yīng)力的解析解分析了隧洞襯砌的應(yīng)力變化規(guī)律；王明年等[15]通過數(shù)值模擬研究了高巖溫隧道初期支護(hù)和二次襯砌在不同巖溫下的安全性，并對高溫隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了分級；郭進(jìn)偉等[16]運(yùn)用ANSYS數(shù)值模擬軟件，通過熱—結(jié)構(gòu)耦合方式分析了襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)在溫度場作用下的應(yīng)力值，并進(jìn)一步進(jìn)行了配筋計算。

在前人研究成果的基礎(chǔ)上，本文以新疆某高地溫引水隧洞為依托，根據(jù)具體工程布設(shè)現(xiàn)場監(jiān)測方案，再采用ANSYS有限元數(shù)值模擬軟件對監(jiān)測成果進(jìn)行分析驗證，計算分析了高地溫引水隧洞襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)在施工期、運(yùn)行期和檢修期3種工況下的溫度場和應(yīng)力場的分布規(guī)律。研究成果可為高溫引水隧洞襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計、施工提供科學(xué)依據(jù)。

1 現(xiàn)場監(jiān)測試驗

1.1 工程概況

新疆某水電站高地溫引水隧洞總長17.4 km。圍巖巖性主要為云母石英片巖夾石墨片巖，高地溫洞段主要集中在樁號2+680～6+799段，在此處開挖3條支洞便于試驗研究，支洞洞內(nèi)干燥，個別裂隙中見有白色熱氣冒出。施工過程中遇到了嚴(yán)重的高溫?zé)岷栴}，圍巖溫度較高，最大溫度達(dá)到82 ℃，洞內(nèi)環(huán)境溫度達(dá)到50 ℃以上，嚴(yán)重影響施工的正常進(jìn)行，且在開挖過程中發(fā)現(xiàn)洞室圍巖類別變化多樣，施工較復(fù)雜，此類工程地質(zhì)問題在我國少見。

1.2 試驗方案布置

現(xiàn)場監(jiān)測的試驗內(nèi)容主要包括施工期通風(fēng)條件下、運(yùn)行期過水條件下、檢修期排水之后襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力。

根據(jù)施工支洞的位置推測發(fā)電引水洞主洞樁號2+680～6+799段存在高地溫現(xiàn)象，2號試驗洞(如圖1所示)布置在3號支洞下游側(cè)120 m處，垂直于已開挖主洞向山內(nèi)，為圓形洞，開挖洞徑為3 m，總長17 m。自洞口開始，前5 m為毛洞段(后期為了試驗洞的圓形，實際進(jìn)行了噴射混凝土處理)，后12 m為襯砌洞段，具體試驗洞結(jié)構(gòu)及儀器布置設(shè)計見圖2。

圖1 2號試驗洞布置示意(單位：m)

1.3 監(jiān)測結(jié)果分析

圖3為不同工況下普通混凝土襯砌應(yīng)力曲線。在施工完成初期，由于圍巖傳熱還沒有達(dá)到一個平衡狀態(tài)，因此襯砌溫度應(yīng)力還未趨于穩(wěn)定。從圖3a來看，由于溫差的影響，左邊墻徑向應(yīng)力為拉應(yīng)力，但其量值較小，最大值為0.16 MPa，隨著混凝土強(qiáng)度的提高以及襯砌內(nèi)外側(cè)溫差的減小，拉應(yīng)力減小至0，隨后轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力狀態(tài)，最大壓應(yīng)力為0.25 MPa，左邊墻環(huán)向應(yīng)力一直處于壓應(yīng)力狀態(tài)，最大壓應(yīng)力為0.35 MPa。拱頂徑向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力均處于拉應(yīng)力狀態(tài)，在11月29日以前，拱頂徑向應(yīng)力一直在平穩(wěn)的增大，增大到0.68 MPa之后開始緩慢下降，降至約0.4 MPa基本趨于穩(wěn)定，拱頂環(huán)向應(yīng)力一直在增大，最大值為0.73 MPa。

圖2 2號試驗洞儀器平面布置(單位：mm)

圖3 普通混凝土襯砌應(yīng)力曲線

材料容重/kN·m-3彈性模量/GPa泊松比線膨脹系數(shù)/10-6℃導(dǎo)熱系數(shù)/W·(m2·℃)-1抗壓強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPaC25混凝土23280.1678812.51.27三類圍巖27607.50.255340.85～47.501.4～1.58

試運(yùn)行第一次過水時間為2011年12月23日至2011年12月24日，過水持續(xù)時間約10 h。由于過水溫度(4 ℃)較低引起襯砌內(nèi)外側(cè)溫差增大，襯砌出現(xiàn)拉應(yīng)變，左邊墻環(huán)向壓應(yīng)力開始轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力值為0.45 MPa，由于左邊墻徑向應(yīng)力在過水之前承受的壓應(yīng)力較大，襯砌仍處于壓應(yīng)力狀態(tài)。拱頂徑向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力均處于拉應(yīng)力狀態(tài)，拱頂徑向應(yīng)力變化范圍在0.2～0.5 MPa，拱頂環(huán)向拉應(yīng)力較大，最大值為3.6 MPa，此后沒有水的降溫，逐漸降低至1.2 MPa，說明襯砌產(chǎn)生了拉裂縫，但由于試運(yùn)行過水期間洞口封閉，沒有進(jìn)行拉裂縫觀測試驗。

2012年4月12日至17日，2號試驗洞進(jìn)行二次過水模擬運(yùn)行期，由于運(yùn)行期過水時間較長，拉應(yīng)變逐漸增大，左邊墻徑向壓應(yīng)力逐漸減小，最小值為1.15 MPa，在進(jìn)水開始前2天，左邊墻環(huán)向應(yīng)力增大至1.3 MPa，此后隨著溫差趨于穩(wěn)定，環(huán)向拉應(yīng)力開始減小，減小至0.5 MPa。對于拱頂部位，有類似的規(guī)律，只是拉應(yīng)力變化幅度較大，最大值達(dá)到了3.5 MPa。溫差較大引起應(yīng)變儀破壞，因此未觀測到拱頂徑向應(yīng)力，說明襯砌產(chǎn)生了裂縫，但實際觀測到該部位裂縫分布不明顯，主要原因是采用了噴射混凝土。

2012年4月17日后隧洞開始排水模擬檢修期，排水之后隨著洞室通風(fēng)，洞內(nèi)溫度逐漸達(dá)到平衡，拱頂環(huán)向拉應(yīng)力開始減小，減小至1.2 MPa開始趨于穩(wěn)定。左邊墻環(huán)向應(yīng)力由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，壓應(yīng)力在1.2 MPa趨于穩(wěn)定。

2 隧洞襯砌溫度應(yīng)力數(shù)值模擬與分析

2.1 模型簡介及參數(shù)設(shè)置

2.1.1 模型建立

為了與現(xiàn)場監(jiān)測成果進(jìn)行科學(xué)對比，本文選取圓形洞進(jìn)行分析，洞徑D=3 m，根據(jù)前人研究成果，并綜合考慮溫度場和應(yīng)力場的耦合影響，分析區(qū)域取5D×5D，噴層厚0.5 m，計算模型采用彈性本構(gòu)模型。根據(jù)模型在邊界上位移與約束的關(guān)系，位移邊界條件為兩豎向邊約束水平方向上的位移，底邊固定約束，上邊界位移自由，即為自由邊界；熱力學(xué)邊界條件為洞室外邊界取原始地溫82 ℃，洞室內(nèi)通風(fēng)(28 ℃)通水(4 ℃)邊界取通風(fēng)通水后的平衡溫度。

2.2.2 參數(shù)設(shè)定及設(shè)計工況

圍巖與空氣的對流換熱系數(shù)為 3 W/(m2·℃)，空氣溫度為20 ℃，混凝土與空氣的對流換熱系數(shù)為10 W/(m2·℃)，混凝土與水的對流換熱系數(shù)為100 W/(m2·℃)，水溫為4 ℃。具體參數(shù)見表1。

本研究主要是利用數(shù)值模擬論證現(xiàn)場監(jiān)測成果的可靠性，因此數(shù)值模擬的模型、參數(shù)以及工況的選取要和現(xiàn)場監(jiān)測一一對應(yīng)，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測的試驗過程，數(shù)值模擬的計算工況主要分為施工期、運(yùn)行期和檢修期3種工況。

2.2 計算結(jié)果分析

在只考慮溫度的情況下，假設(shè)通風(fēng)通水之后襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)的溫度都達(dá)到了一個平衡狀態(tài)，在這個平衡的溫度場作用下進(jìn)行熱力耦合，模擬支護(hù)結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力，本文選取3種工況下支護(hù)結(jié)構(gòu)的環(huán)向溫度應(yīng)力和徑向溫度應(yīng)力云圖進(jìn)行分析。

2.2.1 施工期襯砌結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力分析

隧洞施工完成后距試運(yùn)行一次過水的時間間隔較長，為了數(shù)值模擬的計算簡便，假設(shè)施工期通風(fēng)10 d，施工完成后通風(fēng)10 d后的溫度場和應(yīng)力場如圖4所示。

施工期支護(hù)結(jié)構(gòu)受高地溫影響，支護(hù)結(jié)構(gòu)靠近圍巖那一側(cè)溫度較高，從受力云圖可以看出，在施工期噴層外側(cè)徑向應(yīng)力大面積受壓，最大壓應(yīng)力不超過0.52 MPa，內(nèi)側(cè)小面積受拉，最大拉應(yīng)力0.67 MPa；施工期環(huán)向應(yīng)力側(cè)墻部分由于溫度的影響全斷面受壓，最大壓應(yīng)力為0.46 MPa，拱頂和拱底受拉，拉應(yīng)力為0.67 MPa。

圖4 施工期的溫度場和應(yīng)力場

圖5 運(yùn)行期的溫度場和應(yīng)力場

圖6 檢修期的溫度場和應(yīng)力場

2.2.2 運(yùn)行期襯砌結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力分析

2號試驗洞在2012年4月12日～17日第2次通水模擬運(yùn)行期，通水溫度為4℃，通水6d的溫度場和應(yīng)力場如圖5所示。

運(yùn)行期由于過水溫度(4 ℃)比較低，噴層內(nèi)外側(cè)溫度發(fā)生驟降，在高溫差和高溫降的影響下，噴層環(huán)向應(yīng)力和徑向應(yīng)力開始產(chǎn)生拉應(yīng)力，并且環(huán)向應(yīng)力全斷面開始受拉，徑向應(yīng)力靠近圍巖的一側(cè)還有小面積的壓應(yīng)力，但是襯砌大面積還是處于受拉狀態(tài)，從圖5中可以看出，環(huán)向拉應(yīng)力值明顯大于徑向拉應(yīng)力值。徑向應(yīng)力最大拉應(yīng)力為2.3 MPa，最大壓應(yīng)力為0.14 MPa。環(huán)向最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在拱頂和拱底，為3.46 MPa，最小拉應(yīng)力出現(xiàn)在拱腰，為1.05 MPa。

2.2.3 檢修期襯砌結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力分析

在2012年17日放空2號試驗洞內(nèi)的水，采用倒虹吸排水，在4月18日排完，模擬檢修期，假設(shè)在排完水之后開始通風(fēng)10 d，模擬通風(fēng)10 d后隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)的溫度場和應(yīng)力場如圖6所示。

檢修期由于隧洞內(nèi)部水全部放空，通風(fēng)之后溫度回升，回升至未過水之前溫度，所以噴層由拉應(yīng)力開始大面積轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力。應(yīng)力值大小和施工期不相上下。

表2 數(shù)值模擬和監(jiān)測成果溫度應(yīng)力最大值對比 MPa

注：對于第2次過水前后，由于徑向應(yīng)變儀失效，沒有測的應(yīng)變變化值。

3 數(shù)值模擬計算成果與現(xiàn)場監(jiān)測成果對比分析

由于本工程施工環(huán)境復(fù)雜多變，現(xiàn)場監(jiān)測成果與數(shù)值模擬結(jié)果存在一定的偏差，但大體一致，兩種方法所得到的拱頂和拱腰的最大應(yīng)力值如表2所示。

選取拱頂和拱腰這2個關(guān)鍵位置的最大值進(jìn)行對比分析，從結(jié)果可以看出，施工完成之后，洞內(nèi)由于通風(fēng)溫度較低，拱頂處于拉應(yīng)力狀態(tài)，但量值較小，最大值均在0.67 MPa左右，拱腰處于壓應(yīng)力狀態(tài)，最大在0.45 MPa左右。運(yùn)行期過水溫度較低，襯砌內(nèi)外側(cè)溫差較大，襯砌內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)變，拱頂環(huán)向、徑向應(yīng)力最大值分別在3.4、2.4 MPa左右，拱腰部位由壓應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力狀態(tài)，從理論上講，現(xiàn)場監(jiān)測試驗中拱腰徑向應(yīng)力從施工期到運(yùn)行期壓應(yīng)力增大是不符合事實的，這可能是應(yīng)變儀破壞，監(jiān)測成果不準(zhǔn)確造成的。檢修期排空水后，洞內(nèi)溫度開始回升，拉應(yīng)力開始逐漸減小?？傮w來說，模擬結(jié)果與監(jiān)測成果接近，模擬結(jié)果較為理想，說明模擬模型及力學(xué)參數(shù)選取較為合理。

4 結(jié) 論

通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬的對比分析，可以系統(tǒng)的反映高地溫引水隧洞的溫度應(yīng)力特性，同時也得到以下幾點結(jié)論：

(1)在施工期，為了減小溫度應(yīng)力應(yīng)當(dāng)采取適當(dāng)措施，降低襯砌內(nèi)外側(cè)溫差，避免裂縫的產(chǎn)生，在運(yùn)行期，由于過水溫度低，防止發(fā)生應(yīng)力突變，應(yīng)逐漸增大過水流量。

(2)在沒有過水前，支護(hù)結(jié)構(gòu)環(huán)向應(yīng)力均為壓應(yīng)力，過水后出現(xiàn)拉應(yīng)力；在第1次過水時，由于過水時間持續(xù)較短，拉應(yīng)力值增加較小，左邊墻約0.5 MPa，在第2次過水后，由于過水持續(xù)時間較長，拉應(yīng)力增加較大，拉應(yīng)力值增大1.1 MPa。

(3)對于同等強(qiáng)度的襯砌斷面來說，拱頂和拱腰部位最可能出現(xiàn)應(yīng)力最大值，所以拱頂和拱腰位置的混凝土強(qiáng)度可以適當(dāng)提高。

(4)采用有限元數(shù)值分析方法對引水隧洞在高溫情況下的溫度應(yīng)力進(jìn)行了模擬研究，將計算結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行了對比，結(jié)果表明：數(shù)值模擬的襯砌最大拉壓應(yīng)力以及出現(xiàn)最大拉壓應(yīng)力的位置和現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果基本吻合，說明有限元計算模型和參數(shù)選取是合理的。

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