新疆公格尔高温引水隧洞围岩温度场试验研究

姚显春，李 宁，余春海，郭 宇(1.西安理工大学岩土工程研究所，陕西 西安 710048；2．西北旱区生态水利国家重点实验室，陕西 西安 710048；.水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 80000)

在具有特殊地理和地质条件下，由于地质构造、岩性等多种因素的共同作用，赋存于地壳深部的热量受工程活动的影响源源不断地补充至地下工程围岩区，形成高岩温区，给工程带来严重影响。在西部高原区域的大中型引水发电工程中，随着水电工程向纵深发展，穿越高地温区域的情况多有发生。已经遇到高地温现象的水电工程有云南黑白水三级电站、四川娘拥水电站及乡城水电站[1]、新疆布仑口-公格尔水电站[2]、齐热哈塔尔水电站等[3]工程，在隧洞开挖过程中，受复杂区域构造、地层岩性、水文地质条件等因素的影响，开挖过程中出现高地温、高温热水大量涌出的情况。

岩体温度的分布直接影响到隧道(洞)开挖后围岩受力特性，从而影响到支护结构的受力特性。因此，研究高温下隧道(洞)稳定及支护受力特性的基础是得到隧洞围岩温度的分布。然而，由于地质构造的复杂性以及地层岩性的各向异性等特征，确定高岩温隧洞温度场产生的原因、规模、范围与量值等方面困难重重。当前国内学者主要采用数值模拟，基于从热传导方程的解析推导以及试验为基础的反演进行温度场确定。如陈尚桥等[4]在归纳分析地温场评价常用方法的基础上，提出了采用数值模拟反演的方法对深埋隧洞地温进行评价。王贤能等[5]在考虑了工程中地温场受地下水对流的影响后，推导了热传导—对流型方程的有限元法，以该方法探讨了锦屏山深埋长隧洞温度场的分布特征，着重分析了地下水对温度场的影响。此外，通过理论解析推导，结合现场实测验证的方法，来求解确定温度场。如陈永萍等[6]在对钻孔资料分析的基础上，通过建立的秦岭隧洞岩温预测经验公式对该隧洞岩温进行了预测。舒磊等[7]通过分析羊八井隧洞的地质条件及羊八井地热田的特征及分布规律，提出隧洞处于“正常增温区”，对羊八井隧洞地温做了计算预测。刘乃飞等[8]采用解析方法研究了高温隧洞围岩和支护结构的温度分布规律。周小涵等[9]根据能量守恒定律，建立隧道空气-隧道衬砌-高温围岩的二维非稳态传热有限差分方程，分析季节性风温、不同程度高地温和铺设隔热层等对高地温隧道传热的影响，得到了隧道开挖后，围岩温度随自然风变化的规律。王明年等[10]通过三维热分析和现场温度测试，研究了高岩温铁路隧道施工过程中，围岩、初期支护和二次衬砌的温度变化规律，指出隧道开挖对围岩温度场的影响范围与围岩初始温度呈正相关关系，隧道初期支护、二次衬砌的降温方式表现为突变式降温，即在5～7d内温度快速下降，然后基本恒定为隧道洞内空气温度。

本文依托新疆公格尔水电站引水隧洞工程，布置温度监测试验洞，通过埋设自研制的深部岩体测温仪，进行隧洞不同深部围岩体温度的测试，分析不同条件下的隧洞围岩及支护结构温度分布特征与规律，并应用解析方法与现场试验结果进行对比分析，为进一步进行高温下隧洞围岩支护结构受力特性的耦合机制研究奠定基础。

1 工程背景与试验方案

1.1 工程背景

新疆公格尔水电站位于克尔柯孜自治州阿克陶县境内的盖孜河上，引水隧洞全长约20 km，埋深100～280 m。在勘察设计阶段，发现其中4 km(桩号发2+688 m～6+799 m)围岩温度高。后在施工开挖过程中，量测的高温洞段岩体普遍温度达到50～70 ℃，洞壁围岩钻孔内监测到局部最高岩温达105 ℃。该工程所遇到的地温之高和范围之广在国内外水电建设中实数罕见。同时，由于该水电站进库来水来源主要为雪山融水，运行期过水温度常年将保持在0～10 ℃。高岩温与低水温二者产生的高温差对隧洞围岩及支护结构的受力状态将产生极其不利影响。

为了保障高温差环境下引水隧洞围岩稳定、支护结构内安全，进行有效设计，从而满足引水隧洞各工况下安全的要求，解决实际工程建造中的问题，需要对该引水隧洞高温洞段在不同工况下的围岩温度场进行现场试验研究。

1.2 试验方案

本次实验为了避免对引水隧洞施工开挖的过多干扰，在分析已开挖高温洞段的高温分布情况及地质情况的基础上，在引水隧洞高温段4 km范围内的桩号发4+530、发4+550处分别布置了2#、1#试验洞。试验洞轴线垂直于已开挖引水隧洞主洞轴线向山体内延伸，为3 m洞径的圆形洞。自洞口开始，2#试验洞前5 m为不支护段，后12 m为衬砌支护洞段。1#试验洞前2 m洞段不喷护，后9 m进行喷层支护，分为三段，其中自洞口开始前3 m洞段采用聚酯纤维混凝土，接下来中间3 m采用钢纤维混凝土，其余3 m采用混凝土喷层挂网，喷层厚度为15 cm 。

为了全面观测高温隧洞受地温影响不同工况条件下洞周围岩、支护结构内部及洞内温度分布规律，在试验洞进行了如下试验：围岩内部温度分布观测试验、洞内环境温度观测试验、支护结构内部温度观测试验。

在试验洞拱腰位置，沿试验洞轴线方向每3 m布置1个围岩温度观测钻孔，在试验洞掌子面中心也布置1个测温钻孔。每个测温钻孔为垂直于洞壁施做的水平钻孔，深度为3～8 m，2个试验洞共布设了9个测温钻孔，45个测温探头。根据测温仪的尺寸，钻孔孔径不超过8 cm。图1为1#试验洞布置图。测温钻孔1在试验洞掌子面处，其余测温钻孔2，3，4依次由洞内向洞外布置，测温钻孔1中的测温探头①、②、③、④离洞壁距离依次为4.5，3.5，2.5，0.5 m。而对于其余2，3，4钻孔，测温孔深度为3 m，其对应的测温探头①、②、③、④离洞壁距离依次3.0，2.0，1.0，0.2 m。

图1 试验洞布置图Fig.1 Diagram of the test tunnel

围岩内部温度监测采用自行设计的特殊隧洞围岩深部岩体测温仪(图2、图3)进行测量。由于温度较高，该测温仪上有4～8个测温探头，使用时放入事先钻好的钻孔内，通过调整相邻测温探头之间的距离，可实现测定不同深度围岩内部温度。

图2 深部岩体测温仪(单位:m)Fig.2 Temperature monitor probe (m)

图3 隧洞深部岩体测温仪Fig.3 Tunnel rock temperature monitor

为了系统掌握洞内环境的温度分布状况，为围岩内部温度提供参考，对洞内环境温度进行定期监测，采用温度计或手持式红外温度仪进行监测。监测范围包括试验洞及已开挖引水隧洞高温段。

支护结构内部温度监测主要是衬砌内部温度分布监测。衬砌温度监测采取同样的方式，考虑到衬砌较厚，在衬砌浇筑时，在衬砌中间布设1个温度观测探头，根据不同的衬砌厚度以及是否设置保温层，温度仪器布设数量不同。对于无保温层的40 cm厚度的混凝土衬砌，在喷层与衬砌间及在衬砌中间预制温度探头，同时在衬砌表层设置温度探头，配合之前设置在围岩内部的温度探头，共计温度探头3个；对于有保温层的衬砌，由于在保温层前后设置温度探头，因此，需要温度探头4个；在混凝土刚浇筑完毕后，中间的测温计可测得由水泥水化热所产生的温度，从而将围岩导热的温度分开。

试验工作分为三个阶段，其中8月至12月为第一阶段，这一阶段主要监测施工期隧洞围岩温度及支护结构温度场变化规律。第二阶段为第二年4月8日至4月17日，该阶段主要对试验洞过水之后(模拟隧洞运行期)洞周围岩、支护结构、洞内环境温度进行监测，第三阶段为第二年4月17日至5月，对隧洞放空水之后(检修期)洞周围岩、支护结构、洞内环境温度进行监测。

2 试验结果与分析

2.1 开挖及空置期测试结果

图4为2#试验洞施工及空置期钻孔1，2围岩温度变化曲线。自8月19日安装测温探头，开始测量，2#试验洞测温钻孔1内①号探头所测得温度约为80 ℃，即离开挖试验洞洞壁4.5 m深度围岩处温度为80 ℃。自4.5 m围岩深部开始，靠近洞壁，岩体温度值依次递减，即②、③、④号探头测得的温度值依次递减，递减幅度为5～15 ℃。洞壁与深部围岩最大温差为34 ℃。

图4 施工期围岩温度曲线Fig.4 Temperature curve of the surrounding rocks during the construction period

在不同时间相同位置测得的温度值起伏变化波动，波动最大数值20 ℃，如①号探头8月20日测得最大温度79 ℃，而在8月28日测得的温度值为59 ℃。排除环境气温因素及施工通风降温因素，由地质因素分析该隧洞高温的原因是由于在该部位存在石墨夹层，其源源不断把岩层深部热量传导至上部。因此，分析不同时间相同位置测得的温度值起伏变化波动的主要原因是由于石墨导向地表的热量在波动变化。

图5为施工期2#试验洞不同测温钻孔内相同围岩深度温度对比图(以每一钻孔内最深部的①号探头温度值为例，其余温度探头值有相同的规律)。测温钻孔1的①号探头温度明显高于其余4个钻孔的①号探头温度。测温钻孔1的①号探头由于设置深度较大(4.5 m)，其温度较大。但对于测温钻孔2，3，4，5测温钻孔①号探头设置深度均为3 m，其温度值也表现出有规律明显的差异。分析其原因是由于受主洞通风管长期的通风散热作用，使得靠近引水隧洞主通风管的试验洞口处岩体温度小于其掌子面附近岩体的温度。同时，主通风管的通风散热作用使得试验洞口测点(测温钻孔4，5)内各探头温度梯度降较小。

图5 不同测温钻孔温度对比曲线Fig.5 Temperature contrast curve of different holes for temperature measurements

自9月1日开始，2#试验洞处于空置期。由于受邻近1#试验洞(两试验洞轴线距离20 m)喷层施做的影响，2#试验洞各测点温度探头所测围岩温度值逐渐增大，直到9月7日达到最大值。此后，随着1#试验洞喷层施工的结束，围岩各测点温度值逐渐回落。在9月20日，由于受2#试验洞自身喷层施工的影响，各测点温度再次升高达到峰值(测温钻孔1测温探头①的温度值达到73 ℃)。施工对于围岩温度有较大的影响。

为了测试不同深度围岩温度值变化，在桩号为发4+575引水隧洞拱腰位置靠近山体一侧(水流方向右侧)设置了1个7 m测温钻孔。图6为该测温钻孔内不同深度围岩温度变化曲线。在围岩4.5～7.0 m深度，温度值保持在恒值近80 ℃，此温度值不发生变化，认为该温度值为原始岩体温度值。通过现场温度实测，可以看出，离隧洞中心一定距离，围岩温度趋于稳定。从距离洞壁深度4.5 m处开始，围岩温度以指数形式递减。

图6 不同深度围岩温度曲线Fig.6 Temperature curve at different depths of the surrounding rocks

本次试验中， 2#试验洞测温钻孔1的围岩温度在离洞壁4.5 m处，即离洞中心6.0 m深度处，围岩温度值随离洞壁距离增加，逐渐衰减，围岩洞壁与离隧洞中心6.0 m围岩深部的温度相差近35 ℃。隧洞开挖扰动对于岩体温度场的影响半径约为2倍的开挖洞径。

2.2 试验洞衬砌施工期测试结果

图7为2#试验洞衬砌施工期围岩温度变化图。自10月1日开始，2#试验洞复合衬砌施工，首先进行衬砌隔热材料敷设。在此期间，由于通风作用，风温较低(测得风温为18.5 ℃)，各测温钻孔围岩温度降低，降低幅度达到10 ℃左右(钻孔2，3，4)。在完成隔热材料敷设后，围岩温度回升，上升幅度最大达到15 ℃(钻孔2)。10月20日，5个测温钻孔不同深度处探头所测得围岩温度值升高，钻孔2围岩最深处(探头①，离洞壁3.0 m)围岩温度达到86 ℃，与围岩最浅处(探头④，0.2 m)温差达到近20 ℃。而钻孔4(靠近通风口)由于围岩洞壁受通风影响较大，洞壁附近温度降低，使得该位置围岩最深处(探头①，离洞壁3.0 m)与围岩最浅处(探头④，0.2 m)温差近30 ℃。

处于高岩温环境中的引水隧洞，尽管在施工期采用各种降温措施，完成施工建设，但是高岩温没有因为施工期的结束而消退，甚至由于隧洞支护结构施做的封闭，温度会进一步上升。如由于浇筑衬砌混凝土施工，测温钻孔2深处(探头①，离洞壁3.0 m)围岩温度升高达到86 ℃。

图7 衬砌施工期围岩温度变化图Fig.7 Temperature variation in the surrounding rocks during the lining construction

高温隧洞施工期，隧洞内热气腾腾，能见度低，施工人员进入工作面后在较短时间内就会使人感觉胸闷，时间稍长即眩晕呕吐。施工作业人员不仅要承受完成作业内容时带来的热负荷，同时也要承受高温热环境带来的热负荷，造成作业人员伤病多，施工效率降低。同时，由于通风降温、采取隔热等措施的原因，造成施工工序多，作业循环时间长，施工进度缓慢，与文献[11]～[13]所述相同。

在现场实验过程中，发现高温环境下，化学加速作用和拌和水的快速蒸发使混凝土在捣实之前快速变硬，水分的蒸发引起混凝土收缩及表面龟裂，与文献[14]、[15]的研究结果相同。

2.3 试验洞进水运行期及检修期测试结果

图8为2#试验洞1次过水前后围岩温度分布变化图。隧洞进水采用从河道抽水泵入试验洞，水体温度为0 ℃(冰水混合物)。进水前各测点温度波动不大，围岩最深处温度最高在65 ℃。试验洞过水之后围岩温度升高，其最高温度达到近90 ℃(测温钻孔4)，深部与洞壁围岩温度差近40 ℃，但很快深部围岩温度值回落。这是因为试验洞洞口封闭良好，泵入的水压缩洞内空气，使得其进入围岩裂隙，围岩深部热量被阻挡，难以短时间传递出来被过水带走，围岩温度在短期内上升。随着水体不断地循环，带走热量，围岩温度逐渐降低。本次过水试验由于河道抽水水管冻裂，过水时间持续较短，故来年春天进行了第二次过水试验。

图8 一次过水前后围岩温度分布变化图Fig.8 Temperature distribution variation in the surrounding rocks before and after the first water injection

图9为二次过水前后围岩温度分布图。第二次注水试验自4月11日14点开始注水(本次进水，仍然从河道抽水，水温为2～4 ℃)，4月11日19点半注水满洞，满洞之后，留有出水管路，自动进行持续循环，模拟运行期，过水一周后，在4月17日放空洞内水，模拟检修期。

在二次进水之后，围岩温度也短时升高，围岩最深处最高温度达到近85 ℃(钻孔3)，围岩深部与围岩面处温度差近30 ℃。随着进水时间的持续，热量交换的进一步进行，对于围岩浅部(探头④)温度有回落的趋势，而对于围岩深部，由于排水管小，排水量较小，其带走的热量与深部岩体传导的热量相差不大，故深部围岩温度波动不大。

图9 二次过水前后围岩温度分布图Fig.9 Temperature distribution variation in the surrounding rocks before and after the second water injection

排空洞内水模拟检修期(4月17日停止，采用倒虹吸排水，在4月18日排完)，排水初期，围岩温度有升高的趋势，最大升幅约10 ℃。当洞内排水排空之后一周(4月26日)，温度又降低至恒定值。这是因为，为了排水顺畅，在封闭的洞口上方事先设置了1个进气口。排水时，该进气口打开，当水体脱离于与洞壁接触，气体进入洞内。由于温差引起的衬砌裂缝已形成。气体进入围岩表面，短期阻滞了热量的向外交换，温度短暂上升，随着水体的排空，气体自由交换，温度逐渐回落至稳定值。在此过程中，深浅部围岩温度差在25 ℃左右。

基于上述试验数据分析，对于进水前后，围岩温度差可按40 ℃考虑，在排水后，围岩深浅部温度差可按25 ℃考虑。

3 结论

(1)新疆公格尔引水高温段，当围岩深度大于4.5 m时为恒温区域，温度值保持在80 ℃，自4.5 m围岩深部开始往洞中心靠近洞壁，岩体温度按指数形式递减至洞内环境温度。

(2)离隧洞中心一定距离，围岩温度趋于稳定。随着围岩深度加深，此温度值不再发生变化，可认为该值为原始岩体温度值。隧洞开挖扰动对于岩体温度场的影响半径约为2倍的开挖洞径。

(3)由于热量传导补给的波动，高岩温隧洞在不同时间相同位置的围岩温度值起伏变化波动较大,新疆公格尔引水隧洞高温段，波动最大数值20 ℃。

(4)施工期通风散热作用，明显影响高岩温隧洞围岩体温度分布，影响范围内其温度值降低。在完成施工建设后，高岩温没有因为施工期的结束而进一步减小，反而会由于隧洞支护结构(衬砌)施做的封闭，温度会进一步上升。

(5)试验洞过水之后围岩温度升高，其最高温度达到近90 ℃，深部与洞壁围岩温度差近20 ℃。检修期排水时，短时间洞内温度升高，增大幅度达到约10 ℃，随着洞内注水的排空，温度逐渐降低至定值。

(6)对于新疆公格尔引水隧洞高温段围岩温度，进水前后，围岩温度差可按40 ℃考虑，在排水后，检修期围岩深浅部温度差可按25 ℃考虑。

(7)高岩温对于传统使用的混凝土材料带来劣化影响，早期的水分蒸发及水化热的难以散发，限制了混凝土早期强度的发展，混凝土内部温度升高，产生附加温度应力，导致混凝土开裂。

致谢：曲星、张岩、刘乃飞博士参加了本论文部分试验工作，表示感谢！