高温深埋引水隧洞施工过程热-应力-蠕变分析

蔡宝柱，董 文

(新疆兵团勘测设计院(集团)有限责任公司，乌鲁木齐 832000)

1 概 述

高地温热害是地下工程建设过程中较为典型的地质灾害。洞室开挖过程中，高地温热害的存在不仅恶化了施工环境，在热-应力耦合作用下，还严重影响工程结构的稳定性。因此，众多学者针对高温洞室温度场、应力场、塑性区展开了研究。汪斌等[1]依托某高温引水隧洞，采用不同岩石分级体系对高温岩体进行质量评价，提出了高地温条件下围岩分级的修正方法。魏杭杭等[2]依托桑珠岭隧道工程，分析了高地温跨断层隧道的初支与二衬之间设置减震层和阻尼层的隔热减震效果。于丽等[3]根据传热学理论，依托于引汉济渭岭部分洞段工程，引入焓值概念，确定了TBM隧洞的合理降温措施。严健等[4]依托于桑珠岭隧道，研究高地应力、高地温并存条件下隧道开挖与温降耦合作用对洞周围岩应力的影响，讨论了高地温条件对隧洞开挖岩爆发生的影响。席燕林等[5]基于齐热哈塔尔水电站高地温隧洞，通过现场测试、数值反演等方法，分析岩爆及高地温的成因，研究了在高地应力、高地温并存的条件下，隧洞开挖、结构载荷以及衬砌型式的方案确定。马飞等[6]利用ANSYS有限元计算软件，模拟计算引水隧洞围岩支护模型在常温和高地温条件养护不同时间的温度及应力场，得到了模型的应力特性分布。张明珠等[7]采用MTS815岩石试验系统，研究不同温度作用下砂岩三轴蠕变特性，改进西原模型，提出了新的砂岩温度-围压耦合蠕变模型。

以上学者运用不同的方法对高地温引水隧洞进行大量有益的研究，使得高地温隧洞的研究有了很大的进展。然而，高温隧洞受施工条件影响，参数变化后力学特性复杂。加之隧洞开挖属于三维力学问题，简化的二维计算难以将围岩复杂的热-应力计算清楚。此外，在恒定应力条件下，围岩的流变时效特性十分普遍。围岩开挖后，隧洞岩体随时间的逐步变形演化以及流变变形对衬砌结构的受力影响常常在设计中被忽略。鉴于此，深入开展高温隧洞在施工过程中的温度、应力及变形的空间分布特性研究，探究隧洞围岩及衬砌结构在热-应力-蠕变作用下力学特性对工程建设有重要意义。本文依托于新疆某高温隧洞，对隧洞施工过程围岩温度、应力及变形特性进行计算，分析在热-应力-蠕变作用下高温隧洞围岩及衬砌结构的力学响应，研究成果可为相关工程提供参考。

2 有限元模型

2.1 模型构建

新疆某水电站工程发电引水隧洞覆盖层厚度约300 m，由于隧洞穿过的部分区域围岩有较高的导热性能，能将山体深部地热传导至上部，进而使得隧洞围岩出现高地温复杂条件。工程现场揭露，该引水隧洞高地温段围岩为Ш类高温洞段，温度平均为80℃。

本文依据工程实际建立模型，隧洞几何尺寸为：隧洞直径3 m，围岩计算范围21 m×21 m。运用有限元软件对模型进行网格划分，温度场计算采用八结点线性传热六面体单元；热-应力耦合计算采用八结点线性六面体单元，以保证计算结果的精确性。模型共划分250 320个单元，有限元计算模型见图1。

2.2 岩石蠕变模型

围岩在开挖后处于恒定受力状态，大量研究表明，岩石在恒定应力作用下将出现蠕变现象。岩石蠕变率采用时间硬化幂律模型[8]，公式如下：

(1)

蠕变势函数采用双曲线函数，即参照Drucker-Prager塑性屈服准则设立“等倾面”。当单元应力值达到蠕变等效应力，单元出现蠕变应变。文献[9]研究了花岗岩在高温条件下的蠕变特性，给出了岩石稳态蠕变率和温度关系曲线。根据试验数据可以发现，花岗岩稳态蠕变速率与温度呈指数函数递增规律，并可用下式表示：

(2)

图1 有限元计算模型

2.3 参数选取

在高温隧洞开挖过程中，施工设备及人员对工作面环境温度的要求是影响围岩温度场的重要因素。在洞内主动通风、冰块降温等综合施工控温措施下，围岩温度场在边界作用下不断变化。然而，在前人[10-15]的研究中已经探明，岩石力学参数受温度影响较为显著、不同温度下的岩石单元体的力学性质多有差异。鉴于此，考虑围岩热-应力的参数耦合是保证精细化数值计算的基础。根据前人对岩石热物理特性的研究，本文得到围岩参数在温度影响下的取值，见表1。蠕变参数A取1.26E-20；n取2.6；m取-0.3；b取0.013 9。

表1 围岩参数随温度的变化

2.4 隧洞施工过程及边界条件

本文将施工过程中日开挖进尺设为3 m。数值模拟共设定9个开挖进尺，共计27 m。考虑施工清渣、下一级钻孔等工序影响，每级开挖间隔设定时间为2 d。为对比研究衬砌结构的作用，在开挖至第3进尺时，支护第1进尺(洞口3 m)处围岩。隧洞埋深约300 m，根据埋深，在模型顶部施加响应均布载荷。模型底部完全固定，侧边法向约束。围岩温度边界取80℃，隧洞开挖后，洞壁边界为强制对流边界，风温约为20℃。围岩与空气间强制对流换热系数为30 W/(m2·℃)，混凝土与空气间强制对流换热系数为45 W/(m2·℃)[16-17]。围岩开挖后，通风边界为围岩提供了温度荷载，温度场使得围岩单元力学参数变化，包括岩石瞬时热物理学参数及蠕变参数。温度对岩石参数上的影响已达到热-应力-蠕变分析目的。计算中，迭代初定时长为1h，软件根据是否收敛进行自动调整。

3 结果分析

3.1 高温隧洞围岩施工过程瞬态温度场分析

通过大型通用有限元软件计算，高温隧洞在施工工况时的温度场结果见图2。

图2 高温隧洞施工过程温度场

围岩原有温度场在开挖通风的作用下，掌子面开挖第1进尺(第2天)洞壁温度降低至47.08℃，掌子面与洞壁交界环状区域温度较周围略高，为54.21℃。围岩温度自洞壁向围岩内部温度逐渐升高，洞口部位变温区域深度为1.73 m。随着开挖逐步推进，在第6进尺(第12天)洞壁温度继续下降，最低为42.22℃。从温度场计算结果可以发现，随着开挖深度推进，围岩掌子面与洞壁交界环状温度略高区域范围扩大，交界处温度为54.09℃。瞬态温度场受时间影响显著，在第12天时，围岩温度变化区域变大，呈现“外低内高”的特征。洞口处围岩变温区域深度为4.13 m。随着开挖推进，围岩温度场进一步演化。可以发现，在第9进尺时，围岩温度场特征与第6进尺相似，洞壁最低温度进一步降低，为41.10℃。掌子面与洞壁交界处变温区域较第6进尺无明显变化，说明变温区域为距离掌子面约4.5 m(1.5倍洞径)范围的隧洞围岩。

通过计算发现，在施工过程中围岩瞬态温度场受施工进度影响。开挖使得围岩出现新的临空面，进而改变隧洞的热边界条件，在对流换热的作用下，围岩温度逐渐降低。取隧洞围岩腰拱处点作为特征点(图2(c))，深入研究其瞬态温度场特性，各点温度演化见图3。

图3 高温隧洞开挖过程腰拱特征点温度演化

从图3(a)可以看出，隧洞开挖后调温圈迅速增大，施工期受强制通风影响，温度场发生明显变化，开挖进尺对围岩影响最为明显。随着开挖推进，该进尺围岩温度骤降，掌子面内部未开挖岩石温度也受到影响，温度进一步降低。自洞口向掌子面，围岩特征点温度逐渐升高，且呈现显著的非线性。从图3(b)可以发现，隧洞轴向未开挖岩石在施工期的瞬态温度场扰动范围有限。掌子面开挖两天后，瞬态温度场影响范围约为3 m深度，大约为1倍洞径。

3.2 高温隧洞围岩施工过程位移及应力分析

在热-应力耦合作用下，施工过程中顶拱围岩处竖向位移见图4。

图4 高温隧洞围岩施工过程顶拱竖向位移演化曲线

随着开挖推进，围岩顶拱处各点的竖向位移逐渐增大。根据图线可以发现，在所开挖的27 m隧洞中，竖向位移最大点位于距离洞口6 m处，其次为距离洞口9 m处。至第9进尺开挖完成，开挖所致的围岩顶拱最大竖向位移为2.52 cm。蠕变20 d后，围岩顶拱最大竖向位移为2.65 cm，蠕变所产生位移为0.13 cm，占总位移的4.91%。

分析图4可以发现，由于数值模拟中仅在洞口(第1进尺)处施做衬砌，洞口处第1进尺围岩顶拱的竖向位移较第2进尺有明显降低，开挖完成后最终与距离洞口15 m处围岩变形相当。值得注意的是，对比蠕变阶段距离洞口0及15 m处的围岩竖向变形，在衬砌的作用下，洞口处0 m的围岩蠕变变形量较小：分别为0.113和0.136 cm。相比之下，衬砌使得洞口处围岩蠕变变形降低16.91% 。

图5为高温隧洞围岩施工过程热-应力耦合下最大主应力及最小主应力场云图。

图5 高温隧洞围岩施工过程热-应力耦合应力场云图

从图5中发现，开挖后隧洞围岩掌子面与洞壁交界处环状区域出现应力集中。第1进尺时为14.18 MPa，随着开挖推进，大致稳定于15.3 MPa。围岩腰拱4 m深度处局部区域压应力较大，约为13 MPa。洞壁1～4 m处围岩压应力相对较小，约为8 MPa。经分析，该处围岩达到屈服条件、出现塑性破坏，进而使得围岩应力释放。鉴于此，围岩出现破裂的区域大致为4 m深。应力场计算表明，围岩应力分布受开挖进尺影响明显。最大主应力结果显示，各进尺中部出现最大拉应力区域，第9进尺开挖后拉应力达0.97 MPa。

4 结 论

本文运用大型有限元软件，对高温引水隧洞热-应力耦合作用下的围岩温度场、应力应变以及衬砌结构的时效特性行了计算及分析，结论如下：

1) 隧洞开挖后，受强制通风影响，围岩温度场出现明显变化，开挖进尺对围岩影响最为明显。隧洞轴向未开挖岩石在施工期的瞬态温度场扰动范围有限，温度场影响范围约为3 m深度，大约为1倍洞径。自洞口向掌子面，围岩温度逐渐升高，且呈现显著的非线性。

2) 在衬砌的作用下，围岩变形量有所减小，衬砌结构可使围岩蠕变变形降低16.91%。

3) 围岩应力分布受开挖进尺影响明显。最大拉应力区域位于各进尺中部，围岩掌子面与洞壁交界处存在局部压应力集中。