高地溫隧洞熱—結構耦合分析

郭進偉，方 燾，盧祝清

(1.中鐵十四局集團有限公司，濟南 250014;2.華東交通大學 土木建筑學院，南昌 330013)

在地下工程中，高地溫一方面影響工程施工安全和進度，嚴重威脅到施工人員的人身安全，另一方面還將影響到施工材料的選取(如耐高溫炸藥)和混凝土的耐久性。而且由于產生的附加溫度應力還將引起襯砌開裂，嚴重影響隧洞的穩定性[1]，有時甚至使掘進工作無法進行[2]。隧洞內的高溫高濕將導致機械設備的工作條件惡化，效率降低，故障增多[3]。由于某引水隧洞在1#支洞下游(樁號約 K0+972～K1+052處)穿過熱水斷層，1#支洞開挖及引水隧洞主洞開挖和支護均受到熱水斷層帶影響，該洞段出現高地溫及溫泉涌水，最高水溫78℃，嚴重影響了施工工作的開展。本文針對該具體情況，運用有限元分析軟件，借用熱學理論模擬溫度場，考慮熱—結構耦合，探討了襯砌結構在溫度場影響下的結構應力值以及在溫度和內水壓力聯合影響下的結構應力值，并在此基礎上對原設計方案進行了修正。

1 熱—結構耦合分析[4]

某電站引水隧洞斷層及斷層影響帶約為200 m，其分段圍巖地質情況為:①K0+900～K0+972為斷層影響帶，為微風化～新鮮的黑云母二長花崗巖，具塊狀～次塊狀結構，圍巖完整性較好，裂隙發育長大，裂隙間距一般0.5～1.0 m，頂拱及邊墻裂隙濕潤，總體自穩能力較好。②K0+972～K1+052段為斷層帶，砂巖為主夾少量的砂質板巖，具鑲嵌～碎裂結構，圍巖完整性差，受斷層擠壓的影響，圍巖總體而言鑲嵌緊密。③K1+052～K1+100段為斷層影響帶，該段圍巖以砂巖為主夾少量的砂質板巖，具層狀～碎裂結構，受斷層擠壓的影響明顯，構造裂隙發育，預測圍巖完整性較差。

針對某水電站引水隧洞穿越熱水斷層出現熱水涌水及高地溫現象，設計建立ANSYS有限元模型，采用熱學理論模擬該洞段的溫度場，并通過熱—結構耦合方式，求出襯砌結構在溫度場影響下的結構應力值以及在溫度和內水壓力聯合影響下的結構應力值，根據應力進行結構的配筋計算及分析。

1.1 計算參數設定及計算工況

模型邊界條件設置:混凝土澆筑時環境溫度取20℃ ～30℃，巖石取恒定溫度50℃;過水后，洞內水溫5℃，內水壓力0.25 MPa。模型材料設置:C20混凝土彈性模量 Es=25.5 GPa，泊松比 μ=0.167，導熱系數λ=2.5 W/(m·K)，線膨脹系數 α=0.8×10－5/℃;2.7 m固結灌漿范圍內圍巖彈性模量Es=8 GPa，泊松比μ=0.25，導熱系數λ=3.5 W/(m·K)，線膨脹系數α =0.5×10－5/℃;圍巖彈性模量 Es=5 GPa，泊松比 μ=0.25，導熱系數λ=3.5 W/(m·K)，線膨脹系數 α=0.4×10－5/℃。計算工況:襯砌結構40 cm、60 cm時，分別計算了受地溫影響和不受地溫影響時隧洞檢修工況、正常運行工況，其中受地溫影響時對應了混凝土澆筑溫度在20℃、30℃兩種情況。

1.2 計算圖形(見圖1～圖3)

1.3 計算成果及設計參數擬定(見表1)

計算結果表明:考慮高地溫影響時，襯砌結構應力主要由溫度場產生，根據混凝土澆筑溫度敏感分析，混凝土澆筑時的環境溫度與過水溫度相差越大，則過水時溫度場產生的應力也越大;根據襯砌厚度的敏感性分析，增大襯砌厚度并不能明顯改善襯砌應力。由于溫度場產生的拉應力值相當大(最大達6 MPa)，如將其作為不可消除荷載，結構所需的配筋量也十分大。在襯砌結構厚40 cm時，需內層、外層均配置8根φ32 mm的螺紋鋼筋;在襯砌結構厚60 cm時，需內層、外層均配置10根φ32 mm的螺紋鋼筋。在不考慮地溫影響情況下，結構內應力大大降低，襯砌厚度40 cm時，結構內層、外層僅需配5根φ20 mm的螺紋鋼筋;襯砌厚度60 cm時，結構內層、外層也僅需配5根φ20 mm的螺紋鋼。

圖1 混凝土澆筑環境溫度為30℃時的溫度應力

圖2 混凝土澆筑環境溫度為30℃時的溫度耦合內水壓力應力

圖3 混凝土澆筑環境溫度為30℃時的溫度耦合內水壓力位移

在溫度場作用情況下，襯砌結構為40 cm時產生的徑向最大位移值(向內)為0.086 mm;襯砌結構為60 cm時產生的徑向最大位移值(向內)為0.115 mm;換算成沿襯砌結構周長方向的變形值分別為0.540 mm和0.723 mm。根據工程實際統計資料表明，引水隧洞襯砌結構最有可能產生的裂縫，一般分布在兩側拱腳及邊墻與底板交界處，以此估算襯砌結構的裂縫開展寬度。襯砌厚40 cm時，每條裂縫開展寬度約為0.14 mm;襯砌厚60 cm時，每條裂縫開展寬度約為0.18 mm。

2 高地溫洞段襯砌結構設計

在溫度作用下配置大量的鋼筋并不能確保混凝土由于自身收縮引起的裂縫。《水工混凝土結構設計規范》SL/T 191—96條文說明中11.1對混凝土結構在溫度作用下的設計原則解釋為:“研究分析表明，溫度作用對超靜定鋼筋混凝土結構的裂縫寬度有顯著的影響，但與結構最終承載力基本無關。因為裂縫開展較寬時，構件的變形就能滿足溫度脹縮的要求，溫度應力也就基本上松弛消失。對超靜定鋼筋混凝土結構適當增配溫度鋼筋的目的主要是為了控制裂縫寬度”。

表1 有限元計算結果

高地溫洞段水平埋深約300～600 m，垂直埋深約120～260 m，且該段隧洞位于引水隧洞前端、內水壓力最大約25 m水頭，內水壓力不大。根據《水工隧洞設計規范》DL/T 5195—2004中6.23規定，隧洞埋深滿足了上覆巖體蓋厚度要求，不會發生水力劈裂;埋深較大同時也使隧洞內水外滲滲徑長且滲流量很小，不會引起過大的水量損失和發生滲透破壞、造成山體失穩。綜合《水工隧洞設計規范》、《水工混凝土結構設計規范》的規定，對該洞段的襯砌可采用限裂設計，即允許混凝土開裂，控制裂縫開展寬度;混凝土襯砌段鋼筋配置可不考慮溫度荷載產生的應力，采用常溫狀態下襯砌結構的配筋計算成果，但考慮到高地溫洞段受熱水斷層的影響，地質條件具有一定的不確定性，襯砌結構受結構變形后溫度殘余應力等不利因素的影響，在常溫計算配筋成果基礎上應適當加大鋼筋的配置，留有適當余地。

按常溫結構配筋并留適當余地后，高地溫對襯砌結構的影響主要為混凝土開裂。估算裂縫開展寬度為0.14～0.18 mm，能滿足《水工隧洞設計規范》限制裂縫開展寬度的要求。綜上所述，對高地溫段隧洞的襯砌方案擬定如下:

1)1#支洞交主洞上游、下游兩側由原設計的鋼筋混凝土各襯7.5 m增加為各襯15.0 m;

2)對于Ⅲ類圍巖開挖，襯砌斷面保持原設計，采用噴混凝土+系統錨桿支護;

3)對于Ⅵ圍巖開挖，襯砌斷面保持原設計，內層、外層均配5根φ25 mm的螺紋鋼筋;

4)對于Ⅴ類圍巖開挖，襯砌斷面保持原設計，內層、外層均配6根φ25 mm的螺紋鋼筋。

3 結語

文中有限元分析軟件，采用熱學理論模擬溫度場，并通過熱—結構耦合方式，得出了幾種不同工況下襯砌結構在溫度場影響下的結構應力值以及在溫度和內水壓力聯合影響下的結構應力值。考慮高地溫影響時，襯砌結構應力主要由溫度場產生，根據襯砌厚度的敏感性分析，增大襯砌厚度并不能明顯改善襯砌應力，提出了高地溫段隧洞襯砌方案。

[1] 于健.高地溫對隧道施工作業環境的影響及防治［J］.四川建筑，2009，29(3):190-191.

[2] 張智，胡元芳.深埋隧道人工制冷施工降溫措施探討［J］.世界隧道，1999(6):22-23.

[3] 谷柏森.隧道高地溫應對措施及通風設計——高黎貢山鐵路特長隧道可行性研究［J］.現代隧道技術，2007，44(2):66-67.

[4] 曹紅奮，梅國梁.傳熱學理論基礎及工程應用［M］.北京:人民交通出版社，2004.