国内某高埋深、高地温引水发电隧洞新型衬砌结构计算分析

孙其臣 王立成 赵亚昆 赵晓露

高地温是隧道建设过程中经常遇到的不良地质环境之一，随着国内隧道工程长度越来越长，埋深也越来越大，高地温灾害的出现给深埋长隧道的建设和运行带来极大的困难。它会大大降低生产效率，还会危害作业人员的身体健康，隧洞内高湿度高温度环境引起机械设备故障问题增多，会影响工程的工期、安全性、经济性［1-4］。在目前国内高地温围岩区域修建地下工程的规范、研究较少，因此，开展高地温隧洞支护结构分析研究尤为必要；高温隧洞围岩与支护结构分析仍处于初级阶段，其研究成果对工程经济和工程技术借鉴方面都具有重要的意义。本文结合国内某在建工程的典型案例，采用有限元方法研究了高地温对于隧洞围岩温度场的影响，采取一种新型的衬砌结构，对衬砌结构温度、应力进行计算分析，为高地温隧洞设计和施工提供参考。

1 工程现状

国内某工程引水隧洞高地温洞段的起止桩号为Y6+900—Y10+450 范围内，隧洞段长度3 550 m，对应埋深在457～1 205 m，岩壁温度在24～119 ℃之间，空气温度在27～61 ℃之间，河水主要来源为高山雪融水，最低温度在10 ℃以下。该洞段围岩类型主要为Ⅱ类、Ⅲ类，局部为Ⅳ类。开挖揭露岩性为加里东中晚期侵入岩体（γ32-3），以似斑状片麻状花岗岩或花岗片麻岩为主，夹少量黑色斜长角闪岩条带，中—粗粒结构，块状或片麻状构造。围岩岩体完整，裂隙有发育也有不发育，地下水状态或为干燥或为渗水到滴水。局部部位发生轻微岩爆，有少量剥落，影响深度为10～40 cm。

结合上述引水隧洞高地温灾害的情况，选用ANSYS有限元分析软件，进行热-结构耦合分析，计算新型衬砌结构受高地温的影响，优化衬砌结构配筋设计。该新型衬砌结构适用于高埋深、高地温的发电引水隧洞中，隧洞开挖后在岩壁内侧固定一层隔热材料，在隔热材料外侧浇筑一层混凝土衬砌。

2 计算模型及基本资料

2.1 计算模型

建立该隧洞的三维有限元模型，为避免周边约束对隧洞计算结果的影响，隧洞四周可取5 倍的洞径，边界左右两侧采用水平向约束，上下两侧采用铅垂向约束，衬砌结构及保温材料单元划分如图1 所示。

图1 衬砌结构及保温材料单元划分模型

2.2 计算参数

计算模型中，围岩选取典型的Ⅲ类片麻状花岗岩，衬砌结构为C25 混凝土，厚度为0.5 m。C25 混凝材料主要物理力学参数值见表1，岩体主要物理力学参数值见表2，岩体、水、混凝土主要热力学参数值见表3，聚氨酯硬质泡沫材料参数值见表4。

表1 C25混凝材料主要物理力学参数值

表2 岩体主要物理力学参数值表

表3 岩体、水、混凝土主要热力学参数值表

表4 聚氨酯硬质泡沫材料参数值表

2.3 计算工况及假定

隧洞计算工况一般考虑隧洞检修工况和正常运行工况，本文主要研究二次衬砌受高地温、高气温影响后进行通水时的结构应力分布。计算条件如下：

（1）不喷涂隔热材料。围岩外边界温度值为90 ℃，隧洞开挖后持续通风30 d，经现场量测洞内空气温度为45 ℃，然后进行混凝土衬砌结构浇筑，浇筑温度为25 ℃，30 d 后进行隧洞开始通水，通水水温为10 ℃。

（2）喷涂隔热材料。围岩外边界温度值为90 ℃，隧洞开挖后开始喷涂聚氨酯硬质泡沫，持续通风30 d 后，经现场量测洞内空气温度降低至25 ℃，然后进行混凝土衬砌结构浇筑，浇筑温度为25 ℃，30 d 后进行隧洞开始通水，通水水温为10 ℃。

计算过程中假定混凝土不开裂，混凝土结构按弹性计算，水温恒定且沿程不发生变化。

3 计算结果

计算中仅考虑温降荷载对衬砌结构应力和配筋的影响，不考虑内水压力。

不喷涂隔热材料时，衬砌结构应力主要由温度场通水后降低产生，二次衬砌混凝土浇筑时的环境温度与通水温度相差越大，则通水时温度场变化产生的应力也越大。衬砌结构应力计算结果见表5，从表5 可见，衬砌结构在高地温的围岩中遇通水温度为10 ℃，会产生较大的温降荷载，进而产生较大的环向应力，衬砌结构全断面受拉且超过混凝土温度应力允许值。经过计算，衬砌结构通水后相对通水前计算配筋面积高达17 000 mm2，这是不实际也不经济的。

表5 不喷涂隔热材料的衬砌时应力分析表 MPa

喷涂隔热材料后，隔热材料会阻止围岩内部源源不断热量向隧洞内部的传递，通过通风、局部加冰块降温等措施，能降低高温洞段的空气温度，进而降低混凝土浇筑的温度，遇通水温度为10 ℃时，不会产生较大的温降荷载，衬砌的环向应力和超出混凝土允许温度应力的区域高度在可控的范围内，衬砌结构应力计算结果见表6。通过计算，衬砌结构通水后相对通水前计算配筋面积按照构造就可以满足设计。

表6 喷涂隔热材料后衬砌的应力分析表 MPa

4 结论及建议

本文通过热-结构耦合方式，计算出不同的通水温度条件下衬砌结构在温度场影响下的结构应力值，给出了配筋建议值。结果表明，对应存在高地温的引水发电隧洞，不喷涂隔热材料时，衬砌在运行期会使支护结构两侧产生巨大的温度拉应力，拉应力是由于混凝土浇筑环境温度与通水温度之间温差产生。喷涂隔热材料后，能有效阻止围岩内部热量向隧洞内部空气中的传递，降低了混凝土浇筑温度，进而产生较小的环向应力，且衬砌结构洞底和洞腰部位合力为负是压力，即衬砌结构整体处以压应力状态，压应力值也相对较小，按照构造配筋就可以满足温降荷载对衬砌结构的影响，既保证了工程的安全运行，又降低了工程造价，有很好的推广价值和应用前景。