高地热高地应力水工隧洞衬砌稳定性研究

李燕波　侍克斌

摘要：以新疆塔什库尔干河齐热哈塔尔水电站引水隧洞为例，使用ANSYS Workbench软件建立了热一固耦合分析模型，采用数值模拟的方法分析了高地热、高地应力、压力水头311.49 m条件下，水工隧洞运行期衬砌的稳定性。结果表明：隔热层的设置能明显改善一期混凝土衬砌的受力情况，衬砌平均主应力减小约46%，但对二期混凝土几乎没有影响，且衬砌结构的平均位移增大约14%：设置隔热层能显著提高一期混凝土的安全性，但二期混凝土除两底角安全系数大于1外，其余部位的安全系数仍小于1；隔热层+一期混凝土+二期混凝土组成的支护结构有其合理之处，但必须使用高性能混凝土提高支护结构的抗裂性能，才能满足工程安全的要求。

关键词：隧洞；热-固耦合；高地热；高地应力；衬砌稳定性

近年来，随着浅部地表资源的日益枯竭，我国逐渐加大了对地下空间的开发与利用。地下建筑在穿过不同地层时可能会遇到多种地质灾害，其中高地热与高地应力问题是隧道建设中亟待解决的问题。当埋深大于100 m时，岩体温度和温度应力随埋深的增加呈线性增大趋势，且温度应力仅为自重应力的1/9左右，因此对地下工程进行计算时主要考虑地应力，可忽略温度应力。但近年来国内外遇到的一些工程与上述情况并不相符，如：日本安房公路隧道最大埋深为0.7 km，地温达75℃；新疆塔什库尔干河齐热哈塔尔水电站引水隧洞最大埋深为1.8 km，地温最高达100℃，在全世界范围内尚属首例。在此类地热灾害十分严重的地下工程中，只考虑地应力而忽略温度应力显然是不合理的。由此可见，对隧道高地热、高地应力耦合问题进行研究具有重要意义。

目前國内外学者对隧道地热灾害的研究侧重于地温场分布、围岩温度预测，以及高地温条件下混凝土和支护结构的力学性能，隧道地应力场的研究侧重于施工期隧道围岩稳定性、破坏机制和岩爆预测等，对高地热、高地应力条件下隧洞运行期衬砌结构稳定性的研究较少。鉴于此，本文以新疆齐热哈塔尔水电站引水隧洞为例，采用ANSYS Workbench软件建立热-固耦合分析模型，综合考虑高地热、高地应力等荷载对引水隧洞进行数值模拟，分析衬砌结构在运行期的受力特性，以期为类似工程建设提供参考。