孫其臣 王立成 趙亞昆 趙曉露

高地溫是隧道建設(shè)過程中經(jīng)常遇到的不良地質(zhì)環(huán)境之一，隨著國內(nèi)隧道工程長度越來越長，埋深也越來越大，高地溫災(zāi)害的出現(xiàn)給深埋長隧道的建設(shè)和運行帶來極大的困難。它會大大降低生產(chǎn)效率，還會危害作業(yè)人員的身體健康，隧洞內(nèi)高濕度高溫度環(huán)境引起機械設(shè)備故障問題增多，會影響工程的工期、安全性、經(jīng)濟性［1-4］。在目前國內(nèi)高地溫圍巖區(qū)域修建地下工程的規(guī)范、研究較少，因此，開展高地溫隧洞支護結(jié)構(gòu)分析研究尤為必要；高溫隧洞圍巖與支護結(jié)構(gòu)分析仍處于初級階段，其研究成果對工程經(jīng)濟和工程技術(shù)借鑒方面都具有重要的意義。本文結(jié)合國內(nèi)某在建工程的典型案例，采用有限元方法研究了高地溫對于隧洞圍巖溫度場的影響，采取一種新型的襯砌結(jié)構(gòu)，對襯砌結(jié)構(gòu)溫度、應(yīng)力進行計算分析，為高地溫隧洞設(shè)計和施工提供參考。

1 工程現(xiàn)狀

國內(nèi)某工程引水隧洞高地溫洞段的起止樁號為Y6+900—Y10+450 范圍內(nèi)，隧洞段長度3 550 m，對應(yīng)埋深在457～1 205 m，巖壁溫度在24～119 ℃之間，空氣溫度在27～61 ℃之間，河水主要來源為高山雪融水，最低溫度在10 ℃以下。該洞段圍巖類型主要為Ⅱ類、Ⅲ類，局部為Ⅳ類。開挖揭露巖性為加里東中晚期侵入巖體（γ32-3），以似斑狀片麻狀花崗巖或花崗片麻巖為主，夾少量黑色斜長角閃巖條帶，中—粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀或片麻狀構(gòu)造。圍巖巖體完整，裂隙有發(fā)育也有不發(fā)育，地下水狀態(tài)或為干燥或為滲水到滴水。局部部位發(fā)生輕微巖爆，有少量剝落，影響深度為10～40 cm。

結(jié)合上述引水隧洞高地溫災(zāi)害的情況，選用ANSYS有限元分析軟件，進行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，計算新型襯砌結(jié)構(gòu)受高地溫的影響，優(yōu)化襯砌結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計。該新型襯砌結(jié)構(gòu)適用于高埋深、高地溫的發(fā)電引水隧洞中，隧洞開挖后在巖壁內(nèi)側(cè)固定一層隔熱材料，在隔熱材料外側(cè)澆筑一層混凝土襯砌。

2 計算模型及基本資料

2.1 計算模型

建立該隧洞的三維有限元模型，為避免周邊約束對隧洞計算結(jié)果的影響，隧洞四周可取5 倍的洞徑，邊界左右兩側(cè)采用水平向約束，上下兩側(cè)采用鉛垂向約束，襯砌結(jié)構(gòu)及保溫材料單元劃分如圖1 所示。

圖1 襯砌結(jié)構(gòu)及保溫材料單元劃分模型

2.2 計算參數(shù)

計算模型中，圍巖選取典型的Ⅲ類片麻狀花崗巖，襯砌結(jié)構(gòu)為C25 混凝土，厚度為0.5 m。C25 混凝材料主要物理力學(xué)參數(shù)值見表1，巖體主要物理力學(xué)參數(shù)值見表2，巖體、水、混凝土主要熱力學(xué)參數(shù)值見表3，聚氨酯硬質(zhì)泡沫材料參數(shù)值見表4。

表1 C25混凝材料主要物理力學(xué)參數(shù)值

表2 巖體主要物理力學(xué)參數(shù)值表

表3 巖體、水、混凝土主要熱力學(xué)參數(shù)值表

表4 聚氨酯硬質(zhì)泡沫材料參數(shù)值表

2.3 計算工況及假定

隧洞計算工況一般考慮隧洞檢修工況和正常運行工況，本文主要研究二次襯砌受高地溫、高氣溫影響后進行通水時的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布。計算條件如下：

（1）不噴涂隔熱材料。圍巖外邊界溫度值為90 ℃，隧洞開挖后持續(xù)通風(fēng)30 d，經(jīng)現(xiàn)場量測洞內(nèi)空氣溫度為45 ℃，然后進行混凝土襯砌結(jié)構(gòu)澆筑，澆筑溫度為25 ℃，30 d 后進行隧洞開始通水，通水水溫為10 ℃。

（2）噴涂隔熱材料。圍巖外邊界溫度值為90 ℃，隧洞開挖后開始噴涂聚氨酯硬質(zhì)泡沫，持續(xù)通風(fēng)30 d 后，經(jīng)現(xiàn)場量測洞內(nèi)空氣溫度降低至25 ℃，然后進行混凝土襯砌結(jié)構(gòu)澆筑，澆筑溫度為25 ℃，30 d 后進行隧洞開始通水，通水水溫為10 ℃。

計算過程中假定混凝土不開裂，混凝土結(jié)構(gòu)按彈性計算，水溫恒定且沿程不發(fā)生變化。

3 計算結(jié)果

計算中僅考慮溫降荷載對襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力和配筋的影響，不考慮內(nèi)水壓力。

不噴涂隔熱材料時，襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力主要由溫度場通水后降低產(chǎn)生，二次襯砌混凝土澆筑時的環(huán)境溫度與通水溫度相差越大，則通水時溫度場變化產(chǎn)生的應(yīng)力也越大。襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算結(jié)果見表5，從表5 可見，襯砌結(jié)構(gòu)在高地溫的圍巖中遇通水溫度為10 ℃，會產(chǎn)生較大的溫降荷載，進而產(chǎn)生較大的環(huán)向應(yīng)力，襯砌結(jié)構(gòu)全斷面受拉且超過混凝土溫度應(yīng)力允許值。經(jīng)過計算，襯砌結(jié)構(gòu)通水后相對通水前計算配筋面積高達17 000 mm2，這是不實際也不經(jīng)濟的。

表5 不噴涂隔熱材料的襯砌時應(yīng)力分析表 MPa

噴涂隔熱材料后，隔熱材料會阻止圍巖內(nèi)部源源不斷熱量向隧洞內(nèi)部的傳遞，通過通風(fēng)、局部加冰塊降溫等措施，能降低高溫洞段的空氣溫度，進而降低混凝土澆筑的溫度，遇通水溫度為10 ℃時，不會產(chǎn)生較大的溫降荷載，襯砌的環(huán)向應(yīng)力和超出混凝土允許溫度應(yīng)力的區(qū)域高度在可控的范圍內(nèi)，襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算結(jié)果見表6。通過計算，襯砌結(jié)構(gòu)通水后相對通水前計算配筋面積按照構(gòu)造就可以滿足設(shè)計。

表6 噴涂隔熱材料后襯砌的應(yīng)力分析表 MPa

4 結(jié)論及建議

本文通過熱-結(jié)構(gòu)耦合方式，計算出不同的通水溫度條件下襯砌結(jié)構(gòu)在溫度場影響下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力值，給出了配筋建議值。結(jié)果表明，對應(yīng)存在高地溫的引水發(fā)電隧洞，不噴涂隔熱材料時，襯砌在運行期會使支護結(jié)構(gòu)兩側(cè)產(chǎn)生巨大的溫度拉應(yīng)力，拉應(yīng)力是由于混凝土澆筑環(huán)境溫度與通水溫度之間溫差產(chǎn)生。噴涂隔熱材料后，能有效阻止圍巖內(nèi)部熱量向隧洞內(nèi)部空氣中的傳遞，降低了混凝土澆筑溫度，進而產(chǎn)生較小的環(huán)向應(yīng)力，且襯砌結(jié)構(gòu)洞底和洞腰部位合力為負(fù)是壓力，即襯砌結(jié)構(gòu)整體處以壓應(yīng)力狀態(tài)，壓應(yīng)力值也相對較小，按照構(gòu)造配筋就可以滿足溫降荷載對襯砌結(jié)構(gòu)的影響，既保證了工程的安全運行，又降低了工程造價，有很好的推廣價值和應(yīng)用前景。