高地温输水隧洞衬砌结构受力特征时间变化规律研究

周富强

(新疆瑞昶设计院有限公司，乌鲁木齐，830000)

随着我国西部大开发战略的实施，与交通和水利等基础设施相关的地下洞室工程日渐增多，并逐渐向深埋和长距离的方向发展[1]。大量工程实践显示，深埋长隧洞由于埋深大，同时还会穿越多种不同的地质单元，因此往往会遇到高地温、高地应力、涌水等一些特殊的地质问题，给工程的施工建设造成明显的不利影响[2]。目前，在地下洞室工程施工中关于涌水、岩爆和坍塌等方面的研究比较深入，成果相对比较丰富，而在高地温隧洞开挖支护方面的研究相对较少。而且，随着地下洞室工程埋深的增加，高地温问题日渐突出，会明显影响到地下洞室工程的施工进度、施工安全以及工程质量[3]。

对高地温水工隧洞而言，由于衬砌混凝土一侧接触的是高温围岩，另一侧则是低温的水或空气，两侧会存在较大的温差，其产生的温度应力必将会影响混凝土衬砌结构的施工质量和耐久性[4]。近年来，部分学者在高地温背景下地下洞室工程衬砌结构受力特征方面进行了深入研究，并取得了一系列重要的研究成果，但是仍有诸多亟待解决的理论和工程问题[5]。另一方面，由于该领域的研究起步较晚，因此大多通过数值模拟的研究方式展开。当然，数值模拟研究具有其自身的优势，但是也存在一定的缺陷和不足，特别是面对复杂地质环境时，其模拟结果的准确性仍有待提高[6]。基于此，此次研究以实际工程为依托，利用现场监测的方式对高岩温对输水隧洞衬砌结构受力特征进行分析，力求为相关工程设计和理论研究提供有益的支持和借鉴。

1 计算模型的构建

1.1 工程背景

新疆某水电站工程的引水隧洞岩体整体性较好，岩性为坚硬的黑云母花岗岩以及半坚硬的各类石英片岩。在该工程施工的前期地质调查发现，发电引水隧洞前段存在明显的高地温现象。同时，由于云母石英片岩中夹杂有石墨片岩，因此岩体的导热性较好，导致热量从岩层深部向上传导，从而形成高地温。在高地温试验段内，钻孔监测到最高温度为105℃，在输水隧洞施工过程中的内外壁的温差会对支护结构受力造成显著影响。

1.2 监测方案

在高地温洞段围岩的开挖和支护过程中，布置相应的监测系统，对隧洞支护系统的力学和变形动态进行监测，根据监测结果的分析，可以对支护结构的设计和可靠性分析提供必要的依据。为了探讨背景工程衬砌结构受力特征随时间变化的规律，研究中选择引水隧洞进口开始的前100m作为试验洞段。桩号为Y0+000～Y0+100。在试验洞段设置3个监测断面，分别位于距离引水隧洞入口0m、50m和100m的部位。

为了研究高地温条件下衬砌结构的受力情况，在三个监测断面布置应力应变观测仪器，对衬砌结构的应力和应变进行监测。具体而言，在衬砌混凝土施工之前安装应力计，主要用于监测衬砌结构和围岩之间的接触压力，应力计布置在输水隧洞的拱顶部位。此时试验中采用的应力计为GPL-2型混凝土喷层应力计，主要由承压板、传感头以及信号电缆三部分构成[7]。

为了全面了解高地温条件下引水隧洞衬砌结构塑性应变的变化规律，在衬砌混凝土结构的内部布设应变计[8]。试验中采用的是GHB型钢弦式应变计，由钢弦、敏感膜片、激振线圈、接收线圈、测定仪组成，主要应用于混凝土结构中应变量的测量。应变计的埋设思路和应力计类似，也就是在3个主要监测断面埋设三个应变计，所有应变计的布设均为径向布设方式。其埋设的原则是当混凝土浇筑到高出应变计埋设位置10cm～20cm时，挖应变计2倍以上大小的凹槽，按照垂直于洞壁的方向将应变计安置在挖好的槽中，然后人工回填混凝土并振捣密实。

在监测过程中隧洞周边位移的量测需要在开挖洞壁上及时安置监测点，并使用收敛计对两个测点之间的距离进行量测，将两次量测之间的差值作为该时段的位移值[9]。所有的监测量均在衬砌支护施工后开始，每5d记录一次试验数据，连续监测100d。

2 试验结果与分析

2.1 最大主应力

研究中对距离洞口0m、50m和100m三个典型监测断面衬砌结构的最大主应力进行监测，根据获取的最大主应力数据，绘制出如图1所示的最大主应力的变化规律。由计算结果可知，试验洞段衬砌结构的最大主应力表现为压应力，其最大值为1.69MPa。在施工过程中，洞口监测断面的最大主应力随着时间的推移呈现出迅速增大并逐渐趋于稳定的变化特点，而其余两个监测断面的最大主应力随着时间的推移均呈现出先迅速增大，之后迅速减小并逐渐趋于稳定的特点。同时，隧洞内部衬砌结构稳定之后的最大主应力值明显偏大。从具体的试验结果来看，隧洞口衬砌结构稳定之后的最大主应力值约为0.59MPa，而距离洞口50m和100m部位稳定之后的最大主应力值分别为0.92MPa和0.83MPa。同时，在距离洞口50m和100m的两个监测断面，其最大主应力值还存在明显的突增现象，最大主应力的峰值比稳定之后的最大主应力明显偏大。鉴于洞口部位埋深较浅，同时与周围环境的热交换比较剧烈，衬砌结构受高地温环境影响较小，而隧洞深部的衬砌结构受围岩温度荷载的影响较大，所以在高地温条件下，引水隧洞的衬砌结构受围岩荷载的影响较大，在进行衬砌结构施工过程中需要注意结构选取，提高衬砌结构的长期稳定性。

图1 衬砌结构最大主应力变化曲线

2.2 衬砌位移

与最大主应力的研究类似，利用三个不同监测断面的输水隧洞衬砌结构位移监测数据，绘制出如图2所示的监测断面最大位移量随时间的变化规律。由图可知，随着时间的推移，衬砌结构的位移量呈现出先迅速增加后逐渐趋于稳定的变化特点。从不同监测断面的监测结果对比来看，洞口部位的衬砌结构在初期就产生了十分明显的位移变化，但是之后的增加速率相对较小，因此稳定之后的位移量也相对较小，为1.61mm左右。隧洞深部距离洞口50m和100m的两个典型监测断面的位移量在施工初期较小，然后随着时间的推移而小幅增加，但是在第25d和第45d急剧增加，使曲线出现突增拐点，这一变化特征与最大主应力的时间序列变化规律比较一致。这也进一步说明，高温的围岩岩体和衬砌结构直接接触，会产生比较明显的相互作用，进而影响到衬砌结构的应力和位移变化。由此可见，要保证隧洞围岩结构的稳定性可以从衬砌结构入手，通过增加初期结构强度，减小衬砌结构位移的方式来减小围岩位移，从而保证隧洞整体结构的稳定性。这就需要在实际工程设计施工过程中选择满足工程实际需求的衬砌结构，防止其位移持续增大而影响水工隧洞的稳定运行。

图2 衬砌结构最大位移变化曲线

2.3 塑性应变

利用试验中的围岩塑性应变监测数据，绘制出如图3所示的塑性应变变化规律。由图3可知，随着时间的推移，衬砌结构的塑性应呈现出迅速增加并逐渐趋于稳定的变化特点，其变化的拐点位置与最大主应力和位移的变化规律基本一致。同时，距离隧洞口0m部位的塑性应变值相对较小，而隧洞深部两个监测断面的塑性应变值比较接近且相对较大。由此可见，高地温会对衬砌结构的塑性应变产生显著的影响，因此在工程设计施工过程中需要根据工程实际，确定最符合要求的衬砌方案，保证施工安全和隧洞围岩衬砌结构的长期稳定。

图3 衬砌结构塑性应变变化曲线

3 结语

本文利用现场监测的方法，基于位移、应力和应变监测数据的分析，获得高地温水工隧洞衬砌结构应力、位移和塑性应变的变化规律。结果显示，在高地温条件下，引水隧洞的应力、位移和塑性应变变化规律比较一致，且最大主应力、位移和塑性应变值相对较大，容易导致隧洞衬砌结构发生破坏，需要在工程设计和施工过程中进行多方案设计和比选，最终确定符合工程要求的衬砌方案。同时，研究方法本身也具有一定的工程普适性，可以为相关类似工程研究提供有益的方法借鉴。当然，此次研究中没有考虑围岩内部可能存在的节理断层等复杂地质结构的影响，在今后的研究中需要对此进行进一步的研究。