高岩温条件下引水隧洞围岩支护结构的稳定性研究

吴思谦

(揭阳市引水工程有限公司，广东 揭阳 515500)

0 引言

高岩温是影响隧洞安全性和稳定性的重要因素，持续的高温会对隧洞围岩的支护结构造成严重破坏，针对此问题，学者们进行了多方面研究。姜姗媛[1]对引水隧洞开挖围岩及支护稳定性进行了研究，研究结果表明：隧洞上台阶开挖支护后，在引水隧洞的正上方地表沉降量降为1mm；蔡宝柱等[2]对高温深埋引水隧洞施工过程热-应力-蠕变进行了分析，分析结果表明：轴向未开挖岩石在施工期的瞬态温度场影响范围约为3m深度；姚显春等[3]对新疆公格尔高温引水隧洞围岩温度场试验进行了研究，研究结果表明：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；刘春龙等[4]对高温引水隧洞应力场分布进行了研究，研究结果表明：在变温区，径向应力呈先增大后减小趋势，轴向应力沿着洞径方向逐渐增大；王凯生[5]对高地温引水隧洞隔热支护结构温度及应力特性进行了分析，分析结果表明：采用隔热层能减少温度对围岩和支护结构温度分布的影响；李燕波[6]对高温热害水工隧洞支护结构受力分析数值模拟进行了研究，研究结果表明：在围岩与混凝土间设置隔热层能显著改善一期混凝土衬砌的受力情况。

以上学者研究了高温条件下引水隧洞围岩温度场的规律，分析了支护结构的温度及应力特性，本文参考以上学者的研究结论，建立引水隧洞结构数值模型，对高岩温引水隧洞围岩支护结构的稳定性进行了研究，分析了在支护结构厚度、初始围岩温度和水温条件对支护结构的影响。

1 工程概况

某引水隧洞开挖工程，由于地区特殊的地质结构对岩石的热传导性和地下热流有较大影响，导致该地区地层具有高地热、高地应力特性，因此在引水隧洞开挖过程中，隧洞会出现高温现象。在隧洞开挖前，对现场布置温度监测试验洞，并对洞内温度进行测量，从测量数据可知洞内温度达到105℃。引水隧洞开挖后，隧洞温度降至60～80℃范围内，且洞内湿度大，空气中含有大量水蒸汽，环境处于缺氧状态。由于洞内的高温和岩土地应力对隧洞的支护结构和围岩稳定性有较大影响，因此随着隧洞内高温的持续，支护结构和围岩将产生收缩变形，甚至造成较大的破坏。对此，本文建立引水隧洞结构数值模型，对高岩温条件下引水隧洞围岩支护结构的稳定性进行了研究。

2 数值模型建立

2.1 计算原理

为分析温度-渗流-耦合过程，本文采用以下能量守恒方程、动量守恒方程和质量守恒方程。

(1)能量守恒方程

(1)

(2)动量守恒方程

(2)

(3)质量守恒方程

(3)

式中，C—弹性模量，MPa；u—位移矢量，m；ɛp—塑性应变；β—热膨胀系数，1/k；T—温度，℃；αw—比奥系数；pw—空隙水压力，kPa；g—重力加速度，m/s2；ρ—密度，kg/m3；n—孔隙率，%；Kw—体积模量，MPa；Ks—岩石体积模量，MPa；βw—热膨胀系数；ρs—岩石密度，kg/m3；ρwd—水密度，kg/m3；uw—水的动力粘滞系数，Pa·s；k—渗透率，md；σv—有效应力，MPa。

2.2 模型设计

根据对引水隧洞周围的岩土层进行勘测，隧洞周边的围岩以花岗石为准，有较高的硬度，且周边围岩有较好的完整性，因此，在隧洞开挖过程中，在隧洞围岩上喷施C35高强度混凝土作为支护结构。根据勘测数据，本文建立引水隧洞数值模型，设置模型长度为40m，高度为35m，引水隧洞的截面为拱形洞口，隧洞高为7m，宽为6m，上拱形半径为3m。根据模型形状，以四面体模型对网格进行划分，共有单元6742个，节点7868个。然后设置模型边界，模型底部为固定约束，模型四周为法向约束，模型顶部设置为自由边界，模型截面图如图1所示。

由于在引水隧洞进行输水工程后，隧洞围岩和周边的支护结构的稳定性，在水流水头，初始围岩温度、水温及支护结构厚度的参数不同条件下影响较大。对此，本文对以上4种因素设计不同的参数进行对比分析，其中支护结构厚度设计3种因素，分别为0.45m、0.55m、0.65m；初始围岩温度设计5种因素，分别为65℃、75℃、85℃、95℃、105℃；水温设计3种因素，分别为1℃、6℃、12℃。根据设计的参数，本文对引水隧洞模型的侧墙、拱底和拱顶处的应力和位移进行了分析。

3 计算结果与分析

3.1 支护厚度对支护结构的影响分析

模拟试验结束后，根据计算数据，在不同支护结构厚度条件下，引水隧洞模型的侧墙、洞底和拱顶处的应力和位移见表1，正值为拉应力，负值为压应力。

如表1所示，随着支护结构厚度的增加，侧墙、洞底和拱顶的温度应力逐渐减小，其中，拱顶的温度应力在支护结构厚度大于0.55m时，温度应力为负值，温度应力由拉应力变更为压应力并且随着支护结构厚度的增加逐渐增大。最大主应力在支护结构厚度条件下表现为压应力，并且随着支护结构厚度的增加，最大主应力逐渐增大。在引水隧洞侧墙和洞底位置，最大主应力变化较大，受到支护结构厚度的影响最为明显，在引水隧洞拱顶位置，最大主应力变化较小，受到支护结构厚度的影响最小。随着支护结构厚度的增加，各引水隧洞位置的位移均逐渐减小，且支护结构的变形量基本接近。通过对各位置的支护结构位移对比，侧墙支护结构的位移，则变形量最大，拱顶支护结构的变形量次之，洞底支护结构的变形量最小。由此可知，在引水隧洞输水条件下，支护结构厚度的增加，可有效的防止支护结构变形，可显著的提高引水隧洞的稳定性。

3.2 初始围岩温度对支护结构的影响分析

模拟试验结束后，根据计算数据，在不同初始围岩温度条件下，引水隧洞模型的侧墙、洞底和拱顶处的应力和位移如图2所示，正值为拉应力，负值为压应力。

图2 隧洞不同位置应力和位移曲线

如图2(a)所示，随着初始围岩温度的升高，侧墙受到的应力呈线性显著增大，当初始围岩温度为65℃时，侧墙受到的应力最小，最小值为0.175MPa，当初始围岩温度为105℃时，侧墙受到的应力最小，最小值为0.303MPa。随着初始围岩温度的升高，洞底受到的应力也逐渐增大，但增大幅度较小，相较于侧墙受的到应力，洞底受到的应力增大较小，当初始围岩温度为65℃时，洞底受到的应力最小，最小值为0.015MPa，当初始围岩温度为105℃时，洞底受到的应力最大，最大值为0.027MPa。随着初始围岩温度的升高，当温度在65℃～95℃阶段，拱顶受到应力基本保持稳定为0，当初始围岩温度大于95℃时，拱顶受到应力缓慢增大，在初始围岩温度为105℃时，拱顶受到应力最大，最大值为0.002MPa。由此可知，随着初始围岩温度逐渐升高，各位置受到的应力逐渐增大，隧洞的支护结构随着应力的增大发生形变，且侧墙发生的形变最大，洞底发生的形变次之。

如图2(b)所示，随着初始围岩温度的升高，最大主应力在不同初始围岩温度条件下处于压应力。洞底和侧墙受到的压应力均呈线性增大趋势，而拱顶受到的压应力先处于平稳状态，然后再小幅度减小。当初始围岩温度为65℃时，洞底和侧墙受到的压应力最小，最小值分别为0.336MPa、0.27MPa。当初始围岩温度为105℃时，洞底和侧墙受到的压应力最大，最大值分别为0.445MPa、0.321MPa。在温度在65℃～95℃阶段，温度对拱顶受到的压应力没有明显影响，当初始围岩温度为105℃时，拱顶受到压应力减为最小，最小值为0.31MPa。由此可知，随着初始围岩温度逐渐升高，洞底和侧墙受到的压应力逐渐增大，隧洞的支护结构随着压应力的增大发生形变，且洞底发生的形变最大，侧墙发生的形变次之。拱顶受到的压应力先趋于平稳，再小幅度减小，温度的增大对拱顶受到的压应力影响较小。

如图2(c)所示，随着初始围岩温度的升高，引水隧洞各位置的位移均呈快速增大趋势，当初始围岩温度为65℃时，洞底、侧墙和拱顶的位移最小，最小值分别为0.27mm、0.34mm、0.33mm。当初始围岩温度为105℃时，洞底、侧墙和拱顶的位移最大，最大值分别为0.56mm、0.60mm、0.55mm。由此可知，随着初始围岩温度逐渐升高，侧墙的位移最大，拱顶的位移次之。

由图2可知，随着初始围岩温度的升高，引水隧洞围岩不同位置支护结构的应力和位移均呈增大趋势，当初始围岩温度为65℃时，支护结构的应力和位移最小，当初始围岩温度为105℃时，支护结构的应力和位移最大。由引可知，降低引水隧洞的初始围岩温度，可有效的防止引水隧洞支护结构变形，增加支护结构的稳定性。

3.3 水温对支护结构的影响分析

模拟试验结束后，根据计算数据，在不同水温条件下，引水隧洞模型的侧墙、洞底和拱顶处的应力和位移如图3所示，正值为拉应力，负值为压应力。

图3 隧洞不同位置应力和位移曲线

如图3(a)所示，随着水温的升高，引水隧洞洞底、侧墙和拱顶受到的应力均呈逐渐减小趋势。当水温为1℃时，洞底、侧墙和拱顶受到的应力最大，最大值分别为0.345MPa、0.653MPa、0.461MPa；当水温为12℃时，洞底、侧墙和拱顶受到的应力最小，最小值分别为0.123MPa、0.551MPa、0.358MPa；在相同水温条件下，侧墙受到的应力最大，洞底受到的应力最小。由此可知，水温的升高，可防止引水隧洞围岩各位置支护结构的变形[7-8]。

如图3(b)所示，随着水温的升高，最大主应力在不同水温条件下处于压应力，引水隧洞洞底受到的压应力均呈逐渐减小趋势，侧墙呈缓慢增大趋势，而拱顶受到的压应力处于恒定状态，水温对拱顶受到压应力无任何影响。当水温为1℃时，洞底受的压应力最大，最大值为0.363MPa，当水温为12℃时，洞底受的压应力最小，最小值为0.342MPa；当水温为1℃时，侧墙受的压应力最小，最小值为0.127MPa，当水温为12℃时，侧墙受的压应力最大，最小值为0.16MPa；在不同水温条件下，各位置的变力变化较小，由此可任为水温对引水隧洞不同位置的支护结构影响较小。

如图3(c)所示，随着水温的升高，引水隧洞洞底、侧墙和拱顶的位移呈线性减小趋势。当水温为1℃时，洞底、侧墙和拱顶的位移最大，最大值分别为0.35mm、0.41mm、0.39mm；当水温为12℃时，洞底、侧墙和拱顶的位移最小，最小值分别为0.28mm、0.34mm、0.33mm。

在相同水温条件下，侧墙的位移最大，洞底的位移最小。由此可知，水温的升高，可减小引水隧洞围岩各位置支护结构的位移。

由图3可知，随着水温的升高，引水隧洞围岩不同位置支护结构的应力和位移均呈减小趋势，当水温为1℃时，支护结构的应力和位移最大，当水温为12℃时，支护结构的应力和位移最小。由此可知，升高引水隧洞的水温，可减小隧洞内外的温差，能有效的防止引水隧洞支护结构变形，增加支护结构的稳定性。

4 结论

通过建立引水隧洞结构数值模型，分析了支护结构厚度、初始围岩温度和水温条件下对支护结构的影响，得到如下结论。

(1)随着支护结构厚度的增加，引水隧洞围岩侧墙、洞底和拱顶受到的应力和位移均逐渐减小。增加支护结构厚度，可有效的防止支护结构变形，显著的提高引水隧洞的稳定性。

(2)随着初始围岩温度的升高，引水隧洞围岩侧墙、洞底和拱顶支护结构受到的应力和位移均呈增大趋势。降低引水隧洞的初始围岩温度，可增加支护结构的稳定性。

(3)随着水温的升高，引水隧洞围岩侧墙、洞底和拱顶支护结构受到的应力和位移均呈减小趋势。升高引水隧洞的水温，可减小隧洞内外的温差，能有效的防止引水隧洞支护结构变形。

(4)地质情况对计算结构影响较大，文章结论未考虑不同地质情况对研究结论的影响，因此需要通过其它项目进行分析补充。