高地溫輸水隧洞襯砌結構受力特征時間變化規律研究

周富強

(新疆瑞昶設計院有限公司，烏魯木齊，830000)

隨著我國西部大開發戰略的實施，與交通和水利等基礎設施相關的地下洞室工程日漸增多，并逐漸向深埋和長距離的方向發展[1]。大量工程實踐顯示，深埋長隧洞由于埋深大，同時還會穿越多種不同的地質單元，因此往往會遇到高地溫、高地應力、涌水等一些特殊的地質問題，給工程的施工建設造成明顯的不利影響[2]。目前，在地下洞室工程施工中關于涌水、巖爆和坍塌等方面的研究比較深入，成果相對比較豐富，而在高地溫隧洞開挖支護方面的研究相對較少。而且，隨著地下洞室工程埋深的增加，高地溫問題日漸突出，會明顯影響到地下洞室工程的施工進度、施工安全以及工程質量[3]。

對高地溫水工隧洞而言，由于襯砌混凝土一側接觸的是高溫圍巖，另一側則是低溫的水或空氣，兩側會存在較大的溫差，其產生的溫度應力必將會影響混凝土襯砌結構的施工質量和耐久性[4]。近年來，部分學者在高地溫背景下地下洞室工程襯砌結構受力特征方面進行了深入研究，并取得了一系列重要的研究成果，但是仍有諸多亟待解決的理論和工程問題[5]。另一方面，由于該領域的研究起步較晚，因此大多通過數值模擬的研究方式展開。當然，數值模擬研究具有其自身的優勢，但是也存在一定的缺陷和不足，特別是面對復雜地質環境時，其模擬結果的準確性仍有待提高[6]。基于此，此次研究以實際工程為依托，利用現場監測的方式對高巖溫對輸水隧洞襯砌結構受力特征進行分析，力求為相關工程設計和理論研究提供有益的支持和借鑒。

1 計算模型的構建

1.1 工程背景

新疆某水電站工程的引水隧洞巖體整體性較好，巖性為堅硬的黑云母花崗巖以及半堅硬的各類石英片巖。在該工程施工的前期地質調查發現，發電引水隧洞前段存在明顯的高地溫現象。同時，由于云母石英片巖中夾雜有石墨片巖，因此巖體的導熱性較好，導致熱量從巖層深部向上傳導，從而形成高地溫。在高地溫試驗段內，鉆孔監測到最高溫度為105℃，在輸水隧洞施工過程中的內外壁的溫差會對支護結構受力造成顯著影響。

1.2 監測方案

在高地溫洞段圍巖的開挖和支護過程中，布置相應的監測系統，對隧洞支護系統的力學和變形動態進行監測，根據監測結果的分析，可以對支護結構的設計和可靠性分析提供必要的依據。為了探討背景工程襯砌結構受力特征隨時間變化的規律，研究中選擇引水隧洞進口開始的前100m作為試驗洞段。樁號為Y0+000～Y0+100。在試驗洞段設置3個監測斷面，分別位于距離引水隧洞入口0m、50m和100m的部位。

為了研究高地溫條件下襯砌結構的受力情況，在三個監測斷面布置應力應變觀測儀器，對襯砌結構的應力和應變進行監測。具體而言，在襯砌混凝土施工之前安裝應力計，主要用于監測襯砌結構和圍巖之間的接觸壓力，應力計布置在輸水隧洞的拱頂部位。此時試驗中采用的應力計為GPL-2型混凝土噴層應力計，主要由承壓板、傳感頭以及信號電纜三部分構成[7]。

為了全面了解高地溫條件下引水隧洞襯砌結構塑性應變的變化規律，在襯砌混凝土結構的內部布設應變計[8]。試驗中采用的是GHB型鋼弦式應變計，由鋼弦、敏感膜片、激振線圈、接收線圈、測定儀組成，主要應用于混凝土結構中應變量的測量。應變計的埋設思路和應力計類似，也就是在3個主要監測斷面埋設三個應變計，所有應變計的布設均為徑向布設方式。其埋設的原則是當混凝土澆筑到高出應變計埋設位置10cm～20cm時，挖應變計2倍以上大小的凹槽，按照垂直于洞壁的方向將應變計安置在挖好的槽中，然后人工回填混凝土并振搗密實。

在監測過程中隧洞周邊位移的量測需要在開挖洞壁上及時安置監測點，并使用收斂計對兩個測點之間的距離進行量測，將兩次量測之間的差值作為該時段的位移值[9]。所有的監測量均在襯砌支護施工后開始，每5d記錄一次試驗數據，連續監測100d。

2 試驗結果與分析

2.1 最大主應力

研究中對距離洞口0m、50m和100m三個典型監測斷面襯砌結構的最大主應力進行監測，根據獲取的最大主應力數據，繪制出如圖1所示的最大主應力的變化規律。由計算結果可知，試驗洞段襯砌結構的最大主應力表現為壓應力，其最大值為1.69MPa。在施工過程中，洞口監測斷面的最大主應力隨著時間的推移呈現出迅速增大并逐漸趨于穩定的變化特點，而其余兩個監測斷面的最大主應力隨著時間的推移均呈現出先迅速增大，之后迅速減小并逐漸趨于穩定的特點。同時，隧洞內部襯砌結構穩定之后的最大主應力值明顯偏大。從具體的試驗結果來看，隧洞口襯砌結構穩定之后的最大主應力值約為0.59MPa，而距離洞口50m和100m部位穩定之后的最大主應力值分別為0.92MPa和0.83MPa。同時，在距離洞口50m和100m的兩個監測斷面，其最大主應力值還存在明顯的突增現象，最大主應力的峰值比穩定之后的最大主應力明顯偏大。鑒于洞口部位埋深較淺，同時與周圍環境的熱交換比較劇烈，襯砌結構受高地溫環境影響較小，而隧洞深部的襯砌結構受圍巖溫度荷載的影響較大，所以在高地溫條件下，引水隧洞的襯砌結構受圍巖荷載的影響較大，在進行襯砌結構施工過程中需要注意結構選取，提高襯砌結構的長期穩定性。

圖1 襯砌結構最大主應力變化曲線

2.2 襯砌位移

與最大主應力的研究類似，利用三個不同監測斷面的輸水隧洞襯砌結構位移監測數據，繪制出如圖2所示的監測斷面最大位移量隨時間的變化規律。由圖可知，隨著時間的推移，襯砌結構的位移量呈現出先迅速增加后逐漸趨于穩定的變化特點。從不同監測斷面的監測結果對比來看，洞口部位的襯砌結構在初期就產生了十分明顯的位移變化，但是之后的增加速率相對較小，因此穩定之后的位移量也相對較小，為1.61mm左右。隧洞深部距離洞口50m和100m的兩個典型監測斷面的位移量在施工初期較小，然后隨著時間的推移而小幅增加，但是在第25d和第45d急劇增加，使曲線出現突增拐點，這一變化特征與最大主應力的時間序列變化規律比較一致。這也進一步說明，高溫的圍巖巖體和襯砌結構直接接觸，會產生比較明顯的相互作用，進而影響到襯砌結構的應力和位移變化。由此可見，要保證隧洞圍巖結構的穩定性可以從襯砌結構入手，通過增加初期結構強度，減小襯砌結構位移的方式來減小圍巖位移，從而保證隧洞整體結構的穩定性。這就需要在實際工程設計施工過程中選擇滿足工程實際需求的襯砌結構，防止其位移持續增大而影響水工隧洞的穩定運行。

圖2 襯砌結構最大位移變化曲線

2.3 塑性應變

利用試驗中的圍巖塑性應變監測數據，繪制出如圖3所示的塑性應變變化規律。由圖3可知，隨著時間的推移，襯砌結構的塑性應呈現出迅速增加并逐漸趨于穩定的變化特點，其變化的拐點位置與最大主應力和位移的變化規律基本一致。同時，距離隧洞口0m部位的塑性應變值相對較小，而隧洞深部兩個監測斷面的塑性應變值比較接近且相對較大。由此可見，高地溫會對襯砌結構的塑性應變產生顯著的影響，因此在工程設計施工過程中需要根據工程實際，確定最符合要求的襯砌方案，保證施工安全和隧洞圍巖襯砌結構的長期穩定。

圖3 襯砌結構塑性應變變化曲線

3 結語

本文利用現場監測的方法，基于位移、應力和應變監測數據的分析，獲得高地溫水工隧洞襯砌結構應力、位移和塑性應變的變化規律。結果顯示，在高地溫條件下，引水隧洞的應力、位移和塑性應變變化規律比較一致，且最大主應力、位移和塑性應變值相對較大，容易導致隧洞襯砌結構發生破壞，需要在工程設計和施工過程中進行多方案設計和比選，最終確定符合工程要求的襯砌方案。同時，研究方法本身也具有一定的工程普適性，可以為相關類似工程研究提供有益的方法借鑒。當然，此次研究中沒有考慮圍巖內部可能存在的節理斷層等復雜地質結構的影響，在今后的研究中需要對此進行進一步的研究。