高地熱高地應力水工隧洞襯砌穩定性研究

李燕波　侍克斌

摘要：以新疆塔什庫爾干河齊熱哈塔爾水電站引水隧洞為例，使用ANSYS Workbench軟件建立了熱一固耦合分析模型，采用數值模擬的方法分析了高地熱、高地應力、壓力水頭311.49 m條件下，水工隧洞運行期襯砌的穩定性。結果表明：隔熱層的設置能明顯改善一期混凝土襯砌的受力情況，襯砌平均主應力減小約46%，但對二期混凝土幾乎沒有影響，且襯砌結構的平均位移增大約14%：設置隔熱層能顯著提高一期混凝土的安全性，但二期混凝土除兩底角安全系數大于1外，其余部位的安全系數仍小于1；隔熱層+一期混凝土+二期混凝土組成的支護結構有其合理之處，但必須使用高性能混凝土提高支護結構的抗裂性能，才能滿足工程安全的要求。

關鍵詞：隧洞；熱-固耦合；高地熱；高地應力；襯砌穩定性

近年來，隨著淺部地表資源的日益枯竭，我國逐漸加大了對地下空間的開發與利用。地下建筑在穿過不同地層時可能會遇到多種地質災害，其中高地熱與高地應力問題是隧道建設中亟待解決的問題。當埋深大于100 m時，巖體溫度和溫度應力隨埋深的增加呈線性增大趨勢，且溫度應力僅為自重應力的1/9左右，因此對地下工程進行計算時主要考慮地應力，可忽略溫度應力。但近年來國內外遇到的一些工程與上述情況并不相符，如：日本安房公路隧道最大埋深為0.7 km，地溫達75℃；新疆塔什庫爾干河齊熱哈塔爾水電站引水隧洞最大埋深為1.8 km，地溫最高達100℃，在全世界范圍內尚屬首例。在此類地熱災害十分嚴重的地下工程中，只考慮地應力而忽略溫度應力顯然是不合理的。由此可見，對隧道高地熱、高地應力耦合問題進行研究具有重要意義。

目前國內外學者對隧道地熱災害的研究側重于地溫場分布、圍巖溫度預測，以及高地溫條件下混凝土和支護結構的力學性能，隧道地應力場的研究側重于施工期隧道圍巖穩定性、破壞機制和巖爆預測等，對高地熱、高地應力條件下隧洞運行期襯砌結構穩定性的研究較少。鑒于此，本文以新疆齊熱哈塔爾水電站引水隧洞為例，采用ANSYS Workbench軟件建立熱-固耦合分析模型，綜合考慮高地熱、高地應力等荷載對引水隧洞進行數值模擬，分析襯砌結構在運行期的受力特性，以期為類似工程建設提供參考。