高地温引水隧洞衬砌结构温度应力现场监测与数值模拟

王排排，姜海波

(石河子大学水利建筑工程学院，新疆石河子832003)

随着地下洞室向着深埋长大方向发展，各国在修建地下洞室时出现了不同程度的地质灾害，比如渗流、岩爆、涌水、山体变形、岩溶塌陷、高地温等，其中高地温问题在煤矿开挖和隧道建设中遇到的比较多[1-2]，高地温问题在近几年来得到许多学者的广泛关注，由于高地温引起的热害不利于施工，有些学者利用相关的数学模型，预测了隧洞沿线以及掌子面的地温分布[3-5]，根据具体工程的高地温表现形式，侯代平、袁国培等[6- 8]给出了高温条件下引水隧洞的具体施工方案；何满潮、赵国斌等[9-10]根据实际工程提出了相应的施工降温措施；李俊生等[11]研究了降温措施对地下洞室掌子面温度的温降效果；刘春龙、周小涵等[12-14]用温度场的热弹性理论解、数值解和温度应力的解析解分析了隧洞衬砌的应力变化规律；王明年等[15]通过数值模拟研究了高岩温隧道初期支护和二次衬砌在不同岩温下的安全性，并对高温隧道支护结构体系进行了分级；郭进伟等[16]运用ANSYS数值模拟软件，通过热—结构耦合方式分析了衬砌支护结构在温度场作用下的应力值，并进一步进行了配筋计算。

在前人研究成果的基础上，本文以新疆某高地温引水隧洞为依托，根据具体工程布设现场监测方案，再采用ANSYS有限元数值模拟软件对监测成果进行分析验证，计算分析了高地温引水隧洞衬砌支护结构在施工期、运行期和检修期3种工况下的温度场和应力场的分布规律。研究成果可为高温引水隧洞衬砌支护结构的设计、施工提供科学依据。

1 现场监测试验

1.1 工程概况

新疆某水电站高地温引水隧洞总长17.4 km。围岩岩性主要为云母石英片岩夹石墨片岩，高地温洞段主要集中在桩号2+680～6+799段，在此处开挖3条支洞便于试验研究，支洞洞内干燥，个别裂隙中见有白色热气冒出。施工过程中遇到了严重的高温热害问题，围岩温度较高，最大温度达到82 ℃，洞内环境温度达到50 ℃以上，严重影响施工的正常进行，且在开挖过程中发现洞室围岩类别变化多样，施工较复杂，此类工程地质问题在我国少见。

1.2 试验方案布置

现场监测的试验内容主要包括施工期通风条件下、运行期过水条件下、检修期排水之后衬砌支护结构的温度应力。

根据施工支洞的位置推测发电引水洞主洞桩号2+680～6+799段存在高地温现象，2号试验洞(如图1所示)布置在3号支洞下游侧120 m处，垂直于已开挖主洞向山内，为圆形洞，开挖洞径为3 m，总长17 m。自洞口开始，前5 m为毛洞段(后期为了试验洞的圆形，实际进行了喷射混凝土处理)，后12 m为衬砌洞段，具体试验洞结构及仪器布置设计见图2。

图1 2号试验洞布置示意(单位：m)

1.3 监测结果分析

图3为不同工况下普通混凝土衬砌应力曲线。在施工完成初期，由于围岩传热还没有达到一个平衡状态，因此衬砌温度应力还未趋于稳定。从图3a来看，由于温差的影响，左边墙径向应力为拉应力，但其量值较小，最大值为0.16 MPa，随着混凝土强度的提高以及衬砌内外侧温差的减小，拉应力减小至0，随后转化为压应力状态，最大压应力为0.25 MPa，左边墙环向应力一直处于压应力状态，最大压应力为0.35 MPa。拱顶径向应力和环向应力均处于拉应力状态，在11月29日以前，拱顶径向应力一直在平稳的增大，增大到0.68 MPa之后开始缓慢下降，降至约0.4 MPa基本趋于稳定，拱顶环向应力一直在增大，最大值为0.73 MPa。

图2 2号试验洞仪器平面布置(单位：mm)

图3 普通混凝土衬砌应力曲线

材料容重/kN·m-3弹性模量/GPa泊松比线膨胀系数/10-6℃导热系数/W·(m2·℃)-1抗压强度/MPa抗拉强度/MPaC25混凝土23280.1678812.51.27三类围岩27607.50.255340.85～47.501.4～1.58

试运行第一次过水时间为2011年12月23日至2011年12月24日，过水持续时间约10 h。由于过水温度(4 ℃)较低引起衬砌内外侧温差增大，衬砌出现拉应变，左边墙环向压应力开始转化为拉应力，最大拉应力值为0.45 MPa，由于左边墙径向应力在过水之前承受的压应力较大，衬砌仍处于压应力状态。拱顶径向应力和环向应力均处于拉应力状态，拱顶径向应力变化范围在0.2～0.5 MPa，拱顶环向拉应力较大，最大值为3.6 MPa，此后没有水的降温，逐渐降低至1.2 MPa，说明衬砌产生了拉裂缝，但由于试运行过水期间洞口封闭，没有进行拉裂缝观测试验。

2012年4月12日至17日，2号试验洞进行二次过水模拟运行期，由于运行期过水时间较长，拉应变逐渐增大，左边墙径向压应力逐渐减小，最小值为1.15 MPa，在进水开始前2天，左边墙环向应力增大至1.3 MPa，此后随着温差趋于稳定，环向拉应力开始减小，减小至0.5 MPa。对于拱顶部位，有类似的规律，只是拉应力变化幅度较大，最大值达到了3.5 MPa。温差较大引起应变仪破坏，因此未观测到拱顶径向应力，说明衬砌产生了裂缝，但实际观测到该部位裂缝分布不明显，主要原因是采用了喷射混凝土。

2012年4月17日后隧洞开始排水模拟检修期，排水之后随着洞室通风，洞内温度逐渐达到平衡，拱顶环向拉应力开始减小，减小至1.2 MPa开始趋于稳定。左边墙环向应力由拉应力转变为压应力，压应力在1.2 MPa趋于稳定。

2 隧洞衬砌温度应力数值模拟与分析

2.1 模型简介及参数设置

2.1.1 模型建立

为了与现场监测成果进行科学对比，本文选取圆形洞进行分析，洞径D=3 m，根据前人研究成果，并综合考虑温度场和应力场的耦合影响，分析区域取5D×5D，喷层厚0.5 m，计算模型采用弹性本构模型。根据模型在边界上位移与约束的关系，位移边界条件为两竖向边约束水平方向上的位移，底边固定约束，上边界位移自由，即为自由边界；热力学边界条件为洞室外边界取原始地温82 ℃，洞室内通风(28 ℃)通水(4 ℃)边界取通风通水后的平衡温度。

2.2.2 参数设定及设计工况

围岩与空气的对流换热系数为 3 W/(m2·℃)，空气温度为20 ℃，混凝土与空气的对流换热系数为10 W/(m2·℃)，混凝土与水的对流换热系数为100 W/(m2·℃)，水温为4 ℃。具体参数见表1。

本研究主要是利用数值模拟论证现场监测成果的可靠性，因此数值模拟的模型、参数以及工况的选取要和现场监测一一对应，根据现场监测的试验过程，数值模拟的计算工况主要分为施工期、运行期和检修期3种工况。

2.2 计算结果分析

在只考虑温度的情况下，假设通风通水之后衬砌支护结构的温度都达到了一个平衡状态，在这个平衡的温度场作用下进行热力耦合，模拟支护结构的温度应力，本文选取3种工况下支护结构的环向温度应力和径向温度应力云图进行分析。

2.2.1 施工期衬砌结构温度应力分析

隧洞施工完成后距试运行一次过水的时间间隔较长，为了数值模拟的计算简便，假设施工期通风10 d，施工完成后通风10 d后的温度场和应力场如图4所示。

施工期支护结构受高地温影响，支护结构靠近围岩那一侧温度较高，从受力云图可以看出，在施工期喷层外侧径向应力大面积受压，最大压应力不超过0.52 MPa，内侧小面积受拉，最大拉应力0.67 MPa；施工期环向应力侧墙部分由于温度的影响全断面受压，最大压应力为0.46 MPa，拱顶和拱底受拉，拉应力为0.67 MPa。

图4 施工期的温度场和应力场

图5 运行期的温度场和应力场

图6 检修期的温度场和应力场

2.2.2 运行期衬砌结构温度应力分析

2号试验洞在2012年4月12日～17日第2次通水模拟运行期，通水温度为4℃，通水6d的温度场和应力场如图5所示。

运行期由于过水温度(4 ℃)比较低，喷层内外侧温度发生骤降，在高温差和高温降的影响下，喷层环向应力和径向应力开始产生拉应力，并且环向应力全断面开始受拉，径向应力靠近围岩的一侧还有小面积的压应力，但是衬砌大面积还是处于受拉状态，从图5中可以看出，环向拉应力值明显大于径向拉应力值。径向应力最大拉应力为2.3 MPa，最大压应力为0.14 MPa。环向最大拉应力出现在拱顶和拱底，为3.46 MPa，最小拉应力出现在拱腰，为1.05 MPa。

2.2.3 检修期衬砌结构温度应力分析

在2012年17日放空2号试验洞内的水，采用倒虹吸排水，在4月18日排完，模拟检修期，假设在排完水之后开始通风10 d，模拟通风10 d后隧洞支护结构的温度场和应力场如图6所示。

检修期由于隧洞内部水全部放空，通风之后温度回升，回升至未过水之前温度，所以喷层由拉应力开始大面积转化为压应力。应力值大小和施工期不相上下。

表2 数值模拟和监测成果温度应力最大值对比 MPa

注：对于第2次过水前后，由于径向应变仪失效，没有测的应变变化值。

3 数值模拟计算成果与现场监测成果对比分析

由于本工程施工环境复杂多变，现场监测成果与数值模拟结果存在一定的偏差，但大体一致，两种方法所得到的拱顶和拱腰的最大应力值如表2所示。

选取拱顶和拱腰这2个关键位置的最大值进行对比分析，从结果可以看出，施工完成之后，洞内由于通风温度较低，拱顶处于拉应力状态，但量值较小，最大值均在0.67 MPa左右，拱腰处于压应力状态，最大在0.45 MPa左右。运行期过水温度较低，衬砌内外侧温差较大，衬砌内部产生拉应变，拱顶环向、径向应力最大值分别在3.4、2.4 MPa左右，拱腰部位由压应力状态转变为拉应力状态，从理论上讲，现场监测试验中拱腰径向应力从施工期到运行期压应力增大是不符合事实的，这可能是应变仪破坏，监测成果不准确造成的。检修期排空水后，洞内温度开始回升，拉应力开始逐渐减小。总体来说，模拟结果与监测成果接近，模拟结果较为理想，说明模拟模型及力学参数选取较为合理。

4 结 论

通过对监测数据和数值模拟的对比分析，可以系统的反映高地温引水隧洞的温度应力特性，同时也得到以下几点结论：

(1)在施工期，为了减小温度应力应当采取适当措施，降低衬砌内外侧温差，避免裂缝的产生，在运行期，由于过水温度低，防止发生应力突变，应逐渐增大过水流量。

(2)在没有过水前，支护结构环向应力均为压应力，过水后出现拉应力；在第1次过水时，由于过水时间持续较短，拉应力值增加较小，左边墙约0.5 MPa，在第2次过水后，由于过水持续时间较长，拉应力增加较大，拉应力值增大1.1 MPa。

(3)对于同等强度的衬砌断面来说，拱顶和拱腰部位最可能出现应力最大值，所以拱顶和拱腰位置的混凝土强度可以适当提高。

(4)采用有限元数值分析方法对引水隧洞在高温情况下的温度应力进行了模拟研究，将计算结果与监测结果进行了对比，结果表明：数值模拟的衬砌最大拉压应力以及出现最大拉压应力的位置和现场监测结果基本吻合，说明有限元计算模型和参数选取是合理的。

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