高温隧洞支护结构冷却降温后温度应力的数值模拟研究

马超豪,梁 艳,宿 辉,汪 涛

(1. 河北省公路安全感知与监测重点实验室,河北 石家庄 061102;2.河北交通职业技术学院,河北 石家庄 050035;3.河北工程大学水利水电学院,河北 邯郸 056038;4.河北省交通规划设计研究院有限公司,河北 石家庄 050011;5.河北交规院瑞志交通技术咨询有限公司,河北 石家庄 050090)

0 引言

我国西部地区基础设施建设日新月异,由于水利和交通等基础设施建设的需求,经常需要进行深埋隧洞的施工。我国许多地区都蕴藏着地热资源,而西部地区的地热资源尤为丰富,地热作为一种清洁能源越来越受到了人们的重视,但在地热区深部进行工程建设时,地热却会对施工带来严重的影响,即工程建设中的高地温问题。这些在深埋隧洞中遇到的高地温问题,不仅给正常施工带来严重影响,而且在隧洞的后期安全运行中也存在一定的隐患。对于存在高地温问题的隧洞,当隧洞竣工后运营时,低温水流或冷空气会在极短时间内引起混凝土支护结构的温度骤降,在结构内形成较大的温度梯度,由此引发的温度应力极可能对衬砌支护结构造成损伤,极大地影响隧洞的安全运行。对于高温混凝土的相关问题,许多学者开展了大量的研究:谢玲儿[1]对高温混凝土水冷却后混凝土强度变化规律进行了试验研究;唐阳[2]对高地温隧洞喷射混凝土与围岩粘结强度的微观破坏机理进行了研究;石明宇[3]对高地温隧洞支护混凝土冷水降温的温度变化规律进行了数值模拟分析。但高温支护整体结构冷却降温的温度应力相关研究还较少。本文以实际工程隧洞的高地温问题为基础,通过数值模拟并结合实际试验数据,对高温支护结构冷水降温的温度应力进行研究。

1 数值模拟

采用ANSYS有限元分析软件对高温隧洞支护结构冷却降温过程进行瞬态传热模拟计算,分析研究降温过程中的温度场与应力场。

1.1 建立模型及边界条件设定

数值模拟采用二维模型,尺寸根据高温支护结构模型的实际尺寸设定。岩层底部设定为加热边界,混凝土表层为热对流界面并加约束,混凝土层和岩石层侧面边界绝热。图1为模型示意图。

图1 模型示意图(cm)

1.2 材料参数及初始条件

模型中涉及的混凝土和岩石的热力学参数及物理力学参数如下页表1所示。

表1 混凝土与岩石热力学参数及物理力学参数表

模型中混凝土层和岩石层初始温度条件如表2所示。

表2 混凝土与岩石各部分初始温度值表

1.3 模型验证

通过与90 ℃工况下实际冷却降温数据对比发现,模拟温度数据与实际试验数据的变化趋势一致,且基本稳定后的混凝土各层温度与实际试验数据基本一致,相对误差较小。因此,此模型较为可靠,可以以其为基础进行高温隧洞支护结构冷却降温温度应力的研究。温度结果对比如图2所示。

图2 温度数据对比图

2 模拟结果与分析

以模型对称中心混凝土与岩石交界处(以下简称中心交界处)的温度与应力数据进行结果分析。

2.1 温度模拟结果

如图3所示,不同温度工况下高温隧洞支护结构中心交界面处的温度变化趋势一致:随着降温时间的增加,温度逐渐减小,且温度变化率逐渐减小直至为0,温度基本不再变化,隧洞支护结构温度场达到稳定状态。整体温度变化趋势和混凝土表中底三层的温度变化趋势一致。在冷却降温初始阶段,隧洞支护结构混凝土与岩石交界面处受到岩石底部加热作用和混凝土表层冷却降温作用的双重影响,结构内部热传递剧烈,最开始温度变化率存在较大振荡,随着降温时间增加,热对流和热传导相互之间的影响作用逐渐趋于稳定,温度变化率逐渐降至0。

图3 中心交界处温度变化率曲线图

如图4所示,不同温度工况下高温隧洞支护结构中心交界处Y方向温度梯度变化趋势一致:随降温时间的增加,温度梯度先增加后降低。温度梯度与温度工况成正相关,60 ℃、75 ℃和90 ℃工况对应的Y方向温度梯度最大值分别为735.3 ℃·m-1、906.9 ℃·m-1和1 029.4 ℃·m-1。

图4 中心交界处温度梯度曲线图

2.2 应力模拟结果

如图5所示,不同温度工况下高温隧洞支护结构中心交界处Y方向温度应力随时间变化趋势一致:随降温时间的增加,温度应力先急剧增加,在80 min左右达到最大值,随后逐渐减小直至基本稳定。60 ℃、75 ℃和90 ℃工况对应的Y方向温度应力最大值分别为0.268 MPa、0.301 MPa和0.273 MPa。支护结构整体温度趋于稳定后,混凝土与岩石交界处依然存在着一定的温度应力。

图5 温度应力时程曲线图

2.3 试验结果分析

实际高温支护结构冷却降温试验中的试件中心处的情况与数值模拟设定条件最相符,因此选取不同工况下的2#芯样的实际试验数据结果[4-5]。如后页表3所示,冷水降温后的高温隧洞支护结构混凝土与岩石的粘结强度均有所损失,75 ℃工况的粘结强度损失最大,降低了0.232 1 MPa。

表3 冷水降温前后拉拔试验结果对比表

2.4 温度与应力结果分析

虽然降温过程中的温度应力并不是特别大,但是在高温支护结构冷却降温的过程中,混凝土与岩体交界面处的空洞与裂隙持续受到温度应力的影响,使得原本存在的裂缝更加发展,并且空洞周边产生应力集中,使得粘结面的结构相比原来更加松散,从而导致粘结强度的降低。75 ℃工况下的温度应力最大值最大,且不同工况下相同冷却时间时75 ℃工况温度应力值最大,对混凝土与岩石粘结处的结构影响作用最大,使得粘结强度损失最大,与实际冷却降温试验结果相符。

对比温度与应力结果数据可以发现:温度应力与温度梯度值随着降温时间的增加,变化趋势基本一致,两者存在正相关关系。温度应力随着温度梯度的变化先后经历应力急变、应力缓变和应力平稳三个阶段。

3 结语

(1)高温隧洞支护结构冷却降温时混凝土与岩石交界处温度梯度先增加后降低,直至达到基本稳定状态后温度梯度值不再改变。60 ℃、75 ℃和90 ℃工况对应的温度梯度最大值分别为735.3 ℃·m-1、906.9 ℃·m-1和1 029.4 ℃·m-1。

(2)高温隧洞支护结构冷却降温时混凝土与岩石交界处温度应力先急剧增加,随后缓慢降低至稳定值。60 ℃、75 ℃和90 ℃工况对应的温度应力最大值分别为0.268 MPa、0.301 MPa和0.273 MPa。

(3)60 ℃、75 ℃和90 ℃工况中,75 ℃工况的粘结强度损失值最大,且最大温度应力值和稳定状态温度应力值均为三个工况中最大。

(4)温度应力与温度梯度成正相关关系,温度应力随着温度梯度的变化先后经历应力急变、应力缓变和应力平稳三个阶段。