高巖溫條件下引水隧洞圍巖支護結構的穩定性研究

吳思謙

(揭陽市引水工程有限公司，廣東 揭陽 515500)

0 引言

高巖溫是影響隧洞安全性和穩定性的重要因素，持續的高溫會對隧洞圍巖的支護結構造成嚴重破壞，針對此問題，學者們進行了多方面研究。姜姍媛[1]對引水隧洞開挖圍巖及支護穩定性進行了研究，研究結果表明：隧洞上臺階開挖支護后，在引水隧洞的正上方地表沉降量降為1mm；蔡寶柱等[2]對高溫深埋引水隧洞施工過程熱-應力-蠕變進行了分析，分析結果表明：軸向未開挖巖石在施工期的瞬態溫度場影響范圍約為3m深度；姚顯春等[3]對新疆公格爾高溫引水隧洞圍巖溫度場試驗進行了研究，研究結果表明：隧洞開挖擾動對于巖體溫度場的影響半徑約為2倍的開挖洞徑；劉春龍等[4]對高溫引水隧洞應力場分布進行了研究，研究結果表明：在變溫區，徑向應力呈先增大后減小趨勢，軸向應力沿著洞徑方向逐漸增大；王凱生[5]對高地溫引水隧洞隔熱支護結構溫度及應力特性進行了分析，分析結果表明：采用隔熱層能減少溫度對圍巖和支護結構溫度分布的影響；李燕波[6]對高溫熱害水工隧洞支護結構受力分析數值模擬進行了研究，研究結果表明：在圍巖與混凝土間設置隔熱層能顯著改善一期混凝土襯砌的受力情況。

以上學者研究了高溫條件下引水隧洞圍巖溫度場的規律，分析了支護結構的溫度及應力特性，本文參考以上學者的研究結論，建立引水隧洞結構數值模型，對高巖溫引水隧洞圍巖支護結構的穩定性進行了研究，分析了在支護結構厚度、初始圍巖溫度和水溫條件對支護結構的影響。

1 工程概況

某引水隧洞開挖工程，由于地區特殊的地質結構對巖石的熱傳導性和地下熱流有較大影響，導致該地區地層具有高地熱、高地應力特性，因此在引水隧洞開挖過程中，隧洞會出現高溫現象。在隧洞開挖前，對現場布置溫度監測試驗洞，并對洞內溫度進行測量，從測量數據可知洞內溫度達到105℃。引水隧洞開挖后，隧洞溫度降至60～80℃范圍內，且洞內濕度大，空氣中含有大量水蒸汽，環境處于缺氧狀態。由于洞內的高溫和巖土地應力對隧洞的支護結構和圍巖穩定性有較大影響，因此隨著隧洞內高溫的持續，支護結構和圍巖將產生收縮變形，甚至造成較大的破壞。對此，本文建立引水隧洞結構數值模型，對高巖溫條件下引水隧洞圍巖支護結構的穩定性進行了研究。

2 數值模型建立

2.1 計算原理

為分析溫度-滲流-耦合過程，本文采用以下能量守恒方程、動量守恒方程和質量守恒方程。

(1)能量守恒方程

(1)

(2)動量守恒方程

(2)

(3)質量守恒方程

(3)

式中，C—彈性模量，MPa；u—位移矢量，m；?p—塑性應變；β—熱膨脹系數，1/k；T—溫度，℃；αw—比奧系數；pw—空隙水壓力，kPa；g—重力加速度，m/s2；ρ—密度，kg/m3；n—孔隙率，%；Kw—體積模量，MPa；Ks—巖石體積模量，MPa；βw—熱膨脹系數；ρs—巖石密度，kg/m3；ρwd—水密度，kg/m3；uw—水的動力粘滯系數，Pa·s；k—滲透率，md；σv—有效應力，MPa。

2.2 模型設計

根據對引水隧洞周圍的巖土層進行勘測，隧洞周邊的圍巖以花崗石為準，有較高的硬度，且周邊圍巖有較好的完整性，因此，在隧洞開挖過程中，在隧洞圍巖上噴施C35高強度混凝土作為支護結構。根據勘測數據，本文建立引水隧洞數值模型，設置模型長度為40m，高度為35m，引水隧洞的截面為拱形洞口，隧洞高為7m，寬為6m，上拱形半徑為3m。根據模型形狀，以四面體模型對網格進行劃分，共有單元6742個，節點7868個。然后設置模型邊界，模型底部為固定約束，模型四周為法向約束，模型頂部設置為自由邊界，模型截面圖如圖1所示。

由于在引水隧洞進行輸水工程后，隧洞圍巖和周邊的支護結構的穩定性，在水流水頭，初始圍巖溫度、水溫及支護結構厚度的參數不同條件下影響較大。對此，本文對以上4種因素設計不同的參數進行對比分析，其中支護結構厚度設計3種因素，分別為0.45m、0.55m、0.65m；初始圍巖溫度設計5種因素，分別為65℃、75℃、85℃、95℃、105℃；水溫設計3種因素，分別為1℃、6℃、12℃。根據設計的參數，本文對引水隧洞模型的側墻、拱底和拱頂處的應力和位移進行了分析。

3 計算結果與分析

3.1 支護厚度對支護結構的影響分析

模擬試驗結束后，根據計算數據，在不同支護結構厚度條件下，引水隧洞模型的側墻、洞底和拱頂處的應力和位移見表1，正值為拉應力，負值為壓應力。

如表1所示，隨著支護結構厚度的增加，側墻、洞底和拱頂的溫度應力逐漸減小，其中，拱頂的溫度應力在支護結構厚度大于0.55m時，溫度應力為負值，溫度應力由拉應力變更為壓應力并且隨著支護結構厚度的增加逐漸增大。最大主應力在支護結構厚度條件下表現為壓應力，并且隨著支護結構厚度的增加，最大主應力逐漸增大。在引水隧洞側墻和洞底位置，最大主應力變化較大，受到支護結構厚度的影響最為明顯，在引水隧洞拱頂位置，最大主應力變化較小，受到支護結構厚度的影響最小。隨著支護結構厚度的增加，各引水隧洞位置的位移均逐漸減小，且支護結構的變形量基本接近。通過對各位置的支護結構位移對比，側墻支護結構的位移，則變形量最大，拱頂支護結構的變形量次之，洞底支護結構的變形量最小。由此可知，在引水隧洞輸水條件下，支護結構厚度的增加，可有效的防止支護結構變形，可顯著的提高引水隧洞的穩定性。

3.2 初始圍巖溫度對支護結構的影響分析

模擬試驗結束后，根據計算數據，在不同初始圍巖溫度條件下，引水隧洞模型的側墻、洞底和拱頂處的應力和位移如圖2所示，正值為拉應力，負值為壓應力。

圖2 隧洞不同位置應力和位移曲線

如圖2(a)所示，隨著初始圍巖溫度的升高，側墻受到的應力呈線性顯著增大，當初始圍巖溫度為65℃時，側墻受到的應力最小，最小值為0.175MPa，當初始圍巖溫度為105℃時，側墻受到的應力最小，最小值為0.303MPa。隨著初始圍巖溫度的升高，洞底受到的應力也逐漸增大，但增大幅度較小，相較于側墻受的到應力，洞底受到的應力增大較小，當初始圍巖溫度為65℃時，洞底受到的應力最小，最小值為0.015MPa，當初始圍巖溫度為105℃時，洞底受到的應力最大，最大值為0.027MPa。隨著初始圍巖溫度的升高，當溫度在65℃～95℃階段，拱頂受到應力基本保持穩定為0，當初始圍巖溫度大于95℃時，拱頂受到應力緩慢增大，在初始圍巖溫度為105℃時，拱頂受到應力最大，最大值為0.002MPa。由此可知，隨著初始圍巖溫度逐漸升高，各位置受到的應力逐漸增大，隧洞的支護結構隨著應力的增大發生形變，且側墻發生的形變最大，洞底發生的形變次之。

如圖2(b)所示，隨著初始圍巖溫度的升高，最大主應力在不同初始圍巖溫度條件下處于壓應力。洞底和側墻受到的壓應力均呈線性增大趨勢，而拱頂受到的壓應力先處于平穩狀態，然后再小幅度減小。當初始圍巖溫度為65℃時，洞底和側墻受到的壓應力最小，最小值分別為0.336MPa、0.27MPa。當初始圍巖溫度為105℃時，洞底和側墻受到的壓應力最大，最大值分別為0.445MPa、0.321MPa。在溫度在65℃～95℃階段，溫度對拱頂受到的壓應力沒有明顯影響，當初始圍巖溫度為105℃時，拱頂受到壓應力減為最小，最小值為0.31MPa。由此可知，隨著初始圍巖溫度逐漸升高，洞底和側墻受到的壓應力逐漸增大，隧洞的支護結構隨著壓應力的增大發生形變，且洞底發生的形變最大，側墻發生的形變次之。拱頂受到的壓應力先趨于平穩，再小幅度減小，溫度的增大對拱頂受到的壓應力影響較小。

如圖2(c)所示，隨著初始圍巖溫度的升高，引水隧洞各位置的位移均呈快速增大趨勢，當初始圍巖溫度為65℃時，洞底、側墻和拱頂的位移最小，最小值分別為0.27mm、0.34mm、0.33mm。當初始圍巖溫度為105℃時，洞底、側墻和拱頂的位移最大，最大值分別為0.56mm、0.60mm、0.55mm。由此可知，隨著初始圍巖溫度逐漸升高，側墻的位移最大，拱頂的位移次之。

由圖2可知，隨著初始圍巖溫度的升高，引水隧洞圍巖不同位置支護結構的應力和位移均呈增大趨勢，當初始圍巖溫度為65℃時，支護結構的應力和位移最小，當初始圍巖溫度為105℃時，支護結構的應力和位移最大。由引可知，降低引水隧洞的初始圍巖溫度，可有效的防止引水隧洞支護結構變形，增加支護結構的穩定性。

3.3 水溫對支護結構的影響分析

模擬試驗結束后，根據計算數據，在不同水溫條件下，引水隧洞模型的側墻、洞底和拱頂處的應力和位移如圖3所示，正值為拉應力，負值為壓應力。

圖3 隧洞不同位置應力和位移曲線

如圖3(a)所示，隨著水溫的升高，引水隧洞洞底、側墻和拱頂受到的應力均呈逐漸減小趨勢。當水溫為1℃時，洞底、側墻和拱頂受到的應力最大，最大值分別為0.345MPa、0.653MPa、0.461MPa；當水溫為12℃時，洞底、側墻和拱頂受到的應力最小，最小值分別為0.123MPa、0.551MPa、0.358MPa；在相同水溫條件下，側墻受到的應力最大，洞底受到的應力最小。由此可知，水溫的升高，可防止引水隧洞圍巖各位置支護結構的變形[7-8]。

如圖3(b)所示，隨著水溫的升高，最大主應力在不同水溫條件下處于壓應力，引水隧洞洞底受到的壓應力均呈逐漸減小趨勢，側墻呈緩慢增大趨勢，而拱頂受到的壓應力處于恒定狀態，水溫對拱頂受到壓應力無任何影響。當水溫為1℃時，洞底受的壓應力最大，最大值為0.363MPa，當水溫為12℃時，洞底受的壓應力最小，最小值為0.342MPa；當水溫為1℃時，側墻受的壓應力最小，最小值為0.127MPa，當水溫為12℃時，側墻受的壓應力最大，最小值為0.16MPa；在不同水溫條件下，各位置的變力變化較小，由此可任為水溫對引水隧洞不同位置的支護結構影響較小。

如圖3(c)所示，隨著水溫的升高，引水隧洞洞底、側墻和拱頂的位移呈線性減小趨勢。當水溫為1℃時，洞底、側墻和拱頂的位移最大，最大值分別為0.35mm、0.41mm、0.39mm；當水溫為12℃時，洞底、側墻和拱頂的位移最小，最小值分別為0.28mm、0.34mm、0.33mm。

在相同水溫條件下，側墻的位移最大，洞底的位移最小。由此可知，水溫的升高，可減小引水隧洞圍巖各位置支護結構的位移。

由圖3可知，隨著水溫的升高，引水隧洞圍巖不同位置支護結構的應力和位移均呈減小趨勢，當水溫為1℃時，支護結構的應力和位移最大，當水溫為12℃時，支護結構的應力和位移最小。由此可知，升高引水隧洞的水溫，可減小隧洞內外的溫差，能有效的防止引水隧洞支護結構變形，增加支護結構的穩定性。

4 結論

通過建立引水隧洞結構數值模型，分析了支護結構厚度、初始圍巖溫度和水溫條件下對支護結構的影響，得到如下結論。

(1)隨著支護結構厚度的增加，引水隧洞圍巖側墻、洞底和拱頂受到的應力和位移均逐漸減小。增加支護結構厚度，可有效的防止支護結構變形，顯著的提高引水隧洞的穩定性。

(2)隨著初始圍巖溫度的升高，引水隧洞圍巖側墻、洞底和拱頂支護結構受到的應力和位移均呈增大趨勢。降低引水隧洞的初始圍巖溫度，可增加支護結構的穩定性。

(3)隨著水溫的升高，引水隧洞圍巖側墻、洞底和拱頂支護結構受到的應力和位移均呈減小趨勢。升高引水隧洞的水溫，可減小隧洞內外的溫差，能有效的防止引水隧洞支護結構變形。

(4)地質情況對計算結構影響較大，文章結論未考慮不同地質情況對研究結論的影響，因此需要通過其它項目進行分析補充。