高溫深埋引水隧洞施工過程熱-應(yīng)力-蠕變分析

蔡寶柱，董 文

(新疆兵團(tuán)勘測設(shè)計(jì)院(集團(tuán))有限責(zé)任公司，烏魯木齊 832000)

1 概 述

高地溫?zé)岷κ堑叵鹿こ探ㄔO(shè)過程中較為典型的地質(zhì)災(zāi)害。洞室開挖過程中，高地溫?zé)岷Φ拇嬖诓粌H惡化了施工環(huán)境，在熱-應(yīng)力耦合作用下，還嚴(yán)重影響工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。因此，眾多學(xué)者針對(duì)高溫洞室溫度場、應(yīng)力場、塑性區(qū)展開了研究。汪斌等[1]依托某高溫引水隧洞，采用不同巖石分級(jí)體系對(duì)高溫巖體進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)，提出了高地溫條件下圍巖分級(jí)的修正方法。魏杭杭等[2]依托桑珠嶺隧道工程，分析了高地溫跨斷層隧道的初支與二襯之間設(shè)置減震層和阻尼層的隔熱減震效果。于麗等[3]根據(jù)傳熱學(xué)理論，依托于引漢濟(jì)渭嶺部分洞段工程，引入焓值概念，確定了TBM隧洞的合理降溫措施。嚴(yán)健等[4]依托于桑珠嶺隧道，研究高地應(yīng)力、高地溫并存條件下隧道開挖與溫降耦合作用對(duì)洞周圍巖應(yīng)力的影響，討論了高地溫條件對(duì)隧洞開挖巖爆發(fā)生的影響。席燕林等[5]基于齊熱哈塔爾水電站高地溫隧洞，通過現(xiàn)場測試、數(shù)值反演等方法，分析巖爆及高地溫的成因，研究了在高地應(yīng)力、高地溫并存的條件下，隧洞開挖、結(jié)構(gòu)載荷以及襯砌型式的方案確定。馬飛等[6]利用ANSYS有限元計(jì)算軟件，模擬計(jì)算引水隧洞圍巖支護(hù)模型在常溫和高地溫條件養(yǎng)護(hù)不同時(shí)間的溫度及應(yīng)力場，得到了模型的應(yīng)力特性分布。張明珠等[7]采用MTS815巖石試驗(yàn)系統(tǒng)，研究不同溫度作用下砂巖三軸蠕變特性，改進(jìn)西原模型，提出了新的砂巖溫度-圍壓耦合蠕變模型。

以上學(xué)者運(yùn)用不同的方法對(duì)高地溫引水隧洞進(jìn)行大量有益的研究，使得高地溫隧洞的研究有了很大的進(jìn)展。然而，高溫隧洞受施工條件影響，參數(shù)變化后力學(xué)特性復(fù)雜。加之隧洞開挖屬于三維力學(xué)問題，簡化的二維計(jì)算難以將圍巖復(fù)雜的熱-應(yīng)力計(jì)算清楚。此外，在恒定應(yīng)力條件下，圍巖的流變時(shí)效特性十分普遍。圍巖開挖后，隧洞巖體隨時(shí)間的逐步變形演化以及流變變形對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的受力影響常常在設(shè)計(jì)中被忽略。鑒于此，深入開展高溫隧洞在施工過程中的溫度、應(yīng)力及變形的空間分布特性研究，探究隧洞圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)在熱-應(yīng)力-蠕變作用下力學(xué)特性對(duì)工程建設(shè)有重要意義。本文依托于新疆某高溫隧洞，對(duì)隧洞施工過程圍巖溫度、應(yīng)力及變形特性進(jìn)行計(jì)算，分析在熱-應(yīng)力-蠕變作用下高溫隧洞圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)，研究成果可為相關(guān)工程提供參考。

2 有限元模型

2.1 模型構(gòu)建

新疆某水電站工程發(fā)電引水隧洞覆蓋層厚度約300 m，由于隧洞穿過的部分區(qū)域圍巖有較高的導(dǎo)熱性能，能將山體深部地?zé)醾鲗?dǎo)至上部，進(jìn)而使得隧洞圍巖出現(xiàn)高地溫復(fù)雜條件。工程現(xiàn)場揭露，該引水隧洞高地溫段圍巖為Ш類高溫洞段，溫度平均為80℃。

本文依據(jù)工程實(shí)際建立模型，隧洞幾何尺寸為：隧洞直徑3 m，圍巖計(jì)算范圍21 m×21 m。運(yùn)用有限元軟件對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，溫度場計(jì)算采用八結(jié)點(diǎn)線性傳熱六面體單元；熱-應(yīng)力耦合計(jì)算采用八結(jié)點(diǎn)線性六面體單元，以保證計(jì)算結(jié)果的精確性。模型共劃分250 320個(gè)單元，有限元計(jì)算模型見圖1。

2.2 巖石蠕變模型

圍巖在開挖后處于恒定受力狀態(tài)，大量研究表明，巖石在恒定應(yīng)力作用下將出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象。巖石蠕變率采用時(shí)間硬化冪律模型[8]，公式如下：

(1)

蠕變勢函數(shù)采用雙曲線函數(shù)，即參照Drucker-Prager塑性屈服準(zhǔn)則設(shè)立“等傾面”。當(dāng)單元應(yīng)力值達(dá)到蠕變等效應(yīng)力，單元出現(xiàn)蠕變應(yīng)變。文獻(xiàn)[9]研究了花崗巖在高溫條件下的蠕變特性，給出了巖石穩(wěn)態(tài)蠕變率和溫度關(guān)系曲線。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，花崗巖穩(wěn)態(tài)蠕變速率與溫度呈指數(shù)函數(shù)遞增規(guī)律，并可用下式表示：

(2)

圖1 有限元計(jì)算模型

2.3 參數(shù)選取

在高溫隧洞開挖過程中，施工設(shè)備及人員對(duì)工作面環(huán)境溫度的要求是影響圍巖溫度場的重要因素。在洞內(nèi)主動(dòng)通風(fēng)、冰塊降溫等綜合施工控溫措施下，圍巖溫度場在邊界作用下不斷變化。然而，在前人[10-15]的研究中已經(jīng)探明，巖石力學(xué)參數(shù)受溫度影響較為顯著、不同溫度下的巖石單元體的力學(xué)性質(zhì)多有差異。鑒于此，考慮圍巖熱-應(yīng)力的參數(shù)耦合是保證精細(xì)化數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)。根據(jù)前人對(duì)巖石熱物理特性的研究，本文得到圍巖參數(shù)在溫度影響下的取值，見表1。蠕變參數(shù)A取1.26E-20；n取2.6；m取-0.3；b取0.013 9。

表1 圍巖參數(shù)隨溫度的變化

2.4 隧洞施工過程及邊界條件

本文將施工過程中日開挖進(jìn)尺設(shè)為3 m。數(shù)值模擬共設(shè)定9個(gè)開挖進(jìn)尺，共計(jì)27 m?？紤]施工清渣、下一級(jí)鉆孔等工序影響，每級(jí)開挖間隔設(shè)定時(shí)間為2 d。為對(duì)比研究襯砌結(jié)構(gòu)的作用，在開挖至第3進(jìn)尺時(shí)，支護(hù)第1進(jìn)尺(洞口3 m)處圍巖。隧洞埋深約300 m，根據(jù)埋深，在模型頂部施加響應(yīng)均布載荷。模型底部完全固定，側(cè)邊法向約束。圍巖溫度邊界取80℃，隧洞開挖后，洞壁邊界為強(qiáng)制對(duì)流邊界，風(fēng)溫約為20℃。圍巖與空氣間強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)為30 W/(m2·℃)，混凝土與空氣間強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)為45 W/(m2·℃)[16-17]。圍巖開挖后，通風(fēng)邊界為圍巖提供了溫度荷載，溫度場使得圍巖單元力學(xué)參數(shù)變化，包括巖石瞬時(shí)熱物理學(xué)參數(shù)及蠕變參數(shù)。溫度對(duì)巖石參數(shù)上的影響已達(dá)到熱-應(yīng)力-蠕變分析目的。計(jì)算中，迭代初定時(shí)長為1h，軟件根據(jù)是否收斂進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。

3 結(jié)果分析

3.1 高溫隧洞圍巖施工過程瞬態(tài)溫度場分析

通過大型通用有限元軟件計(jì)算，高溫隧洞在施工工況時(shí)的溫度場結(jié)果見圖2。

圖2 高溫隧洞施工過程溫度場

圍巖原有溫度場在開挖通風(fēng)的作用下，掌子面開挖第1進(jìn)尺(第2天)洞壁溫度降低至47.08℃，掌子面與洞壁交界環(huán)狀區(qū)域溫度較周圍略高，為54.21℃。圍巖溫度自洞壁向圍巖內(nèi)部溫度逐漸升高，洞口部位變溫區(qū)域深度為1.73 m。隨著開挖逐步推進(jìn)，在第6進(jìn)尺(第12天)洞壁溫度繼續(xù)下降，最低為42.22℃。從溫度場計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，隨著開挖深度推進(jìn)，圍巖掌子面與洞壁交界環(huán)狀溫度略高區(qū)域范圍擴(kuò)大，交界處溫度為54.09℃。瞬態(tài)溫度場受時(shí)間影響顯著，在第12天時(shí)，圍巖溫度變化區(qū)域變大，呈現(xiàn)“外低內(nèi)高”的特征。洞口處圍巖變溫區(qū)域深度為4.13 m。隨著開挖推進(jìn)，圍巖溫度場進(jìn)一步演化。可以發(fā)現(xiàn)，在第9進(jìn)尺時(shí)，圍巖溫度場特征與第6進(jìn)尺相似，洞壁最低溫度進(jìn)一步降低，為41.10℃。掌子面與洞壁交界處變溫區(qū)域較第6進(jìn)尺無明顯變化，說明變溫區(qū)域?yàn)榫嚯x掌子面約4.5 m(1.5倍洞徑)范圍的隧洞圍巖。

通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在施工過程中圍巖瞬態(tài)溫度場受施工進(jìn)度影響。開挖使得圍巖出現(xiàn)新的臨空面，進(jìn)而改變隧洞的熱邊界條件，在對(duì)流換熱的作用下，圍巖溫度逐漸降低。取隧洞圍巖腰拱處點(diǎn)作為特征點(diǎn)(圖2(c))，深入研究其瞬態(tài)溫度場特性，各點(diǎn)溫度演化見圖3。

圖3 高溫隧洞開挖過程腰拱特征點(diǎn)溫度演化

從圖3(a)可以看出，隧洞開挖后調(diào)溫圈迅速增大，施工期受強(qiáng)制通風(fēng)影響，溫度場發(fā)生明顯變化，開挖進(jìn)尺對(duì)圍巖影響最為明顯。隨著開挖推進(jìn)，該進(jìn)尺圍巖溫度驟降，掌子面內(nèi)部未開挖巖石溫度也受到影響，溫度進(jìn)一步降低。自洞口向掌子面，圍巖特征點(diǎn)溫度逐漸升高，且呈現(xiàn)顯著的非線性。從圖3(b)可以發(fā)現(xiàn)，隧洞軸向未開挖巖石在施工期的瞬態(tài)溫度場擾動(dòng)范圍有限。掌子面開挖兩天后，瞬態(tài)溫度場影響范圍約為3 m深度，大約為1倍洞徑。

3.2 高溫隧洞圍巖施工過程位移及應(yīng)力分析

在熱-應(yīng)力耦合作用下，施工過程中頂拱圍巖處豎向位移見圖4。

圖4 高溫隧洞圍巖施工過程頂拱豎向位移演化曲線

隨著開挖推進(jìn)，圍巖頂拱處各點(diǎn)的豎向位移逐漸增大。根據(jù)圖線可以發(fā)現(xiàn)，在所開挖的27 m隧洞中，豎向位移最大點(diǎn)位于距離洞口6 m處，其次為距離洞口9 m處。至第9進(jìn)尺開挖完成，開挖所致的圍巖頂拱最大豎向位移為2.52 cm。蠕變20 d后，圍巖頂拱最大豎向位移為2.65 cm，蠕變所產(chǎn)生位移為0.13 cm，占總位移的4.91%。

分析圖4可以發(fā)現(xiàn)，由于數(shù)值模擬中僅在洞口(第1進(jìn)尺)處施做襯砌，洞口處第1進(jìn)尺圍巖頂拱的豎向位移較第2進(jìn)尺有明顯降低，開挖完成后最終與距離洞口15 m處圍巖變形相當(dāng)。值得注意的是，對(duì)比蠕變階段距離洞口0及15 m處的圍巖豎向變形，在襯砌的作用下，洞口處0 m的圍巖蠕變變形量較?。悍謩e為0.113和0.136 cm。相比之下，襯砌使得洞口處圍巖蠕變變形降低16.91% 。

圖5為高溫隧洞圍巖施工過程熱-應(yīng)力耦合下最大主應(yīng)力及最小主應(yīng)力場云圖。

圖5 高溫隧洞圍巖施工過程熱-應(yīng)力耦合應(yīng)力場云圖

從圖5中發(fā)現(xiàn)，開挖后隧洞圍巖掌子面與洞壁交界處環(huán)狀區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中。第1進(jìn)尺時(shí)為14.18 MPa，隨著開挖推進(jìn)，大致穩(wěn)定于15.3 MPa。圍巖腰拱4 m深度處局部區(qū)域壓應(yīng)力較大，約為13 MPa。洞壁1～4 m處圍巖壓應(yīng)力相對(duì)較小，約為8 MPa。經(jīng)分析，該處圍巖達(dá)到屈服條件、出現(xiàn)塑性破壞，進(jìn)而使得圍巖應(yīng)力釋放。鑒于此，圍巖出現(xiàn)破裂的區(qū)域大致為4 m深。應(yīng)力場計(jì)算表明，圍巖應(yīng)力分布受開挖進(jìn)尺影響明顯。最大主應(yīng)力結(jié)果顯示，各進(jìn)尺中部出現(xiàn)最大拉應(yīng)力區(qū)域，第9進(jìn)尺開挖后拉應(yīng)力達(dá)0.97 MPa。

4 結(jié) 論

本文運(yùn)用大型有限元軟件，對(duì)高溫引水隧洞熱-應(yīng)力耦合作用下的圍巖溫度場、應(yīng)力應(yīng)變以及襯砌結(jié)構(gòu)的時(shí)效特性行了計(jì)算及分析，結(jié)論如下：

1) 隧洞開挖后，受強(qiáng)制通風(fēng)影響，圍巖溫度場出現(xiàn)明顯變化，開挖進(jìn)尺對(duì)圍巖影響最為明顯。隧洞軸向未開挖巖石在施工期的瞬態(tài)溫度場擾動(dòng)范圍有限，溫度場影響范圍約為3 m深度，大約為1倍洞徑。自洞口向掌子面，圍巖溫度逐漸升高，且呈現(xiàn)顯著的非線性。

2) 在襯砌的作用下，圍巖變形量有所減小，襯砌結(jié)構(gòu)可使圍巖蠕變變形降低16.91%。

3) 圍巖應(yīng)力分布受開挖進(jìn)尺影響明顯。最大拉應(yīng)力區(qū)域位于各進(jìn)尺中部，圍巖掌子面與洞壁交界處存在局部壓應(yīng)力集中。