吳思謙

(揭陽市引水工程有限公司，廣東 揭陽 515500)

0 引言

高巖溫是影響隧洞安全性和穩(wěn)定性的重要因素，持續(xù)的高溫會對隧洞圍巖的支護(hù)結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重破壞，針對此問題，學(xué)者們進(jìn)行了多方面研究。姜姍媛[1]對引水隧洞開挖圍巖及支護(hù)穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：隧洞上臺階開挖支護(hù)后，在引水隧洞的正上方地表沉降量降為1mm；蔡寶柱等[2]對高溫深埋引水隧洞施工過程熱-應(yīng)力-蠕變進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明：軸向未開挖巖石在施工期的瞬態(tài)溫度場影響范圍約為3m深度；姚顯春等[3]對新疆公格爾高溫引水隧洞圍巖溫度場試驗(yàn)進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：隧洞開挖擾動對于巖體溫度場的影響半徑約為2倍的開挖洞徑；劉春龍等[4]對高溫引水隧洞應(yīng)力場分布進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：在變溫區(qū)，徑向應(yīng)力呈先增大后減小趨勢，軸向應(yīng)力沿著洞徑方向逐漸增大；王凱生[5]對高地溫引水隧洞隔熱支護(hù)結(jié)構(gòu)溫度及應(yīng)力特性進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明：采用隔熱層能減少溫度對圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)溫度分布的影響；李燕波[6]對高溫?zé)岷λに矶粗ёo(hù)結(jié)構(gòu)受力分析數(shù)值模擬進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：在圍巖與混凝土間設(shè)置隔熱層能顯著改善一期混凝土襯砌的受力情況。

以上學(xué)者研究了高溫條件下引水隧洞圍巖溫度場的規(guī)律，分析了支護(hù)結(jié)構(gòu)的溫度及應(yīng)力特性，本文參考以上學(xué)者的研究結(jié)論，建立引水隧洞結(jié)構(gòu)數(shù)值模型，對高巖溫引水隧洞圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，分析了在支護(hù)結(jié)構(gòu)厚度、初始圍巖溫度和水溫條件對支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。

1 工程概況

某引水隧洞開挖工程，由于地區(qū)特殊的地質(zhì)結(jié)構(gòu)對巖石的熱傳導(dǎo)性和地下熱流有較大影響，導(dǎo)致該地區(qū)地層具有高地?zé)?、高地?yīng)力特性，因此在引水隧洞開挖過程中，隧洞會出現(xiàn)高溫現(xiàn)象。在隧洞開挖前，對現(xiàn)場布置溫度監(jiān)測試驗(yàn)洞，并對洞內(nèi)溫度進(jìn)行測量，從測量數(shù)據(jù)可知洞內(nèi)溫度達(dá)到105℃。引水隧洞開挖后，隧洞溫度降至60～80℃范圍內(nèi)，且洞內(nèi)濕度大，空氣中含有大量水蒸汽，環(huán)境處于缺氧狀態(tài)。由于洞內(nèi)的高溫和巖土地應(yīng)力對隧洞的支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖穩(wěn)定性有較大影響，因此隨著隧洞內(nèi)高溫的持續(xù)，支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖將產(chǎn)生收縮變形，甚至造成較大的破壞。對此，本文建立引水隧洞結(jié)構(gòu)數(shù)值模型，對高巖溫條件下引水隧洞圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。

2 數(shù)值模型建立

2.1 計(jì)算原理

為分析溫度-滲流-耦合過程，本文采用以下能量守恒方程、動量守恒方程和質(zhì)量守恒方程。

(1)能量守恒方程

(1)

(2)動量守恒方程

(2)

(3)質(zhì)量守恒方程

(3)

式中，C—彈性模量，MPa；u—位移矢量，m；?p—塑性應(yīng)變；β—熱膨脹系數(shù)，1/k；T—溫度，℃；αw—比奧系數(shù)；pw—空隙水壓力，kPa；g—重力加速度，m/s2；ρ—密度，kg/m3；n—孔隙率，%；Kw—體積模量，MPa；Ks—巖石體積模量，MPa；βw—熱膨脹系數(shù)；ρs—巖石密度，kg/m3；ρwd—水密度，kg/m3；uw—水的動力粘滯系數(shù)，Pa·s；k—滲透率，md；σv—有效應(yīng)力，MPa。

2.2 模型設(shè)計(jì)

根據(jù)對引水隧洞周圍的巖土層進(jìn)行勘測，隧洞周邊的圍巖以花崗石為準(zhǔn)，有較高的硬度，且周邊圍巖有較好的完整性，因此，在隧洞開挖過程中，在隧洞圍巖上噴施C35高強(qiáng)度混凝土作為支護(hù)結(jié)構(gòu)。根據(jù)勘測數(shù)據(jù)，本文建立引水隧洞數(shù)值模型，設(shè)置模型長度為40m，高度為35m，引水隧洞的截面為拱形洞口，隧洞高為7m，寬為6m，上拱形半徑為3m。根據(jù)模型形狀，以四面體模型對網(wǎng)格進(jìn)行劃分，共有單元6742個，節(jié)點(diǎn)7868個。然后設(shè)置模型邊界，模型底部為固定約束，模型四周為法向約束，模型頂部設(shè)置為自由邊界，模型截面圖如圖1所示。

由于在引水隧洞進(jìn)行輸水工程后，隧洞圍巖和周邊的支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在水流水頭，初始圍巖溫度、水溫及支護(hù)結(jié)構(gòu)厚度的參數(shù)不同條件下影響較大。對此，本文對以上4種因素設(shè)計(jì)不同的參數(shù)進(jìn)行對比分析，其中支護(hù)結(jié)構(gòu)厚度設(shè)計(jì)3種因素，分別為0.45m、0.55m、0.65m；初始圍巖溫度設(shè)計(jì)5種因素，分別為65℃、75℃、85℃、95℃、105℃；水溫設(shè)計(jì)3種因素，分別為1℃、6℃、12℃。根據(jù)設(shè)計(jì)的參數(shù)，本文對引水隧洞模型的側(cè)墻、拱底和拱頂處的應(yīng)力和位移進(jìn)行了分析。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 支護(hù)厚度對支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響分析

模擬試驗(yàn)結(jié)束后，根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)，在不同支護(hù)結(jié)構(gòu)厚度條件下，引水隧洞模型的側(cè)墻、洞底和拱頂處的應(yīng)力和位移見表1，正值為拉應(yīng)力，負(fù)值為壓應(yīng)力。

如表1所示，隨著支護(hù)結(jié)構(gòu)厚度的增加，側(cè)墻、洞底和拱頂?shù)臏囟葢?yīng)力逐漸減小，其中，拱頂?shù)臏囟葢?yīng)力在支護(hù)結(jié)構(gòu)厚度大于0.55m時，溫度應(yīng)力為負(fù)值，溫度應(yīng)力由拉應(yīng)力變更為壓應(yīng)力并且隨著支護(hù)結(jié)構(gòu)厚度的增加逐漸增大。最大主應(yīng)力在支護(hù)結(jié)構(gòu)厚度條件下表現(xiàn)為壓應(yīng)力，并且隨著支護(hù)結(jié)構(gòu)厚度的增加，最大主應(yīng)力逐漸增大。在引水隧洞側(cè)墻和洞底位置，最大主應(yīng)力變化較大，受到支護(hù)結(jié)構(gòu)厚度的影響最為明顯，在引水隧洞拱頂位置，最大主應(yīng)力變化較小，受到支護(hù)結(jié)構(gòu)厚度的影響最小。隨著支護(hù)結(jié)構(gòu)厚度的增加，各引水隧洞位置的位移均逐漸減小，且支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形量基本接近。通過對各位置的支護(hù)結(jié)構(gòu)位移對比，側(cè)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移，則變形量最大，拱頂支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形量次之，洞底支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形量最小。由此可知，在引水隧洞輸水條件下，支護(hù)結(jié)構(gòu)厚度的增加，可有效的防止支護(hù)結(jié)構(gòu)變形，可顯著的提高引水隧洞的穩(wěn)定性。

3.2 初始圍巖溫度對支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響分析

模擬試驗(yàn)結(jié)束后，根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)，在不同初始圍巖溫度條件下，引水隧洞模型的側(cè)墻、洞底和拱頂處的應(yīng)力和位移如圖2所示，正值為拉應(yīng)力，負(fù)值為壓應(yīng)力。

圖2 隧洞不同位置應(yīng)力和位移曲線

如圖2(a)所示，隨著初始圍巖溫度的升高，側(cè)墻受到的應(yīng)力呈線性顯著增大，當(dāng)初始圍巖溫度為65℃時，側(cè)墻受到的應(yīng)力最小，最小值為0.175MPa，當(dāng)初始圍巖溫度為105℃時，側(cè)墻受到的應(yīng)力最小，最小值為0.303MPa。隨著初始圍巖溫度的升高，洞底受到的應(yīng)力也逐漸增大，但增大幅度較小，相較于側(cè)墻受的到應(yīng)力，洞底受到的應(yīng)力增大較小，當(dāng)初始圍巖溫度為65℃時，洞底受到的應(yīng)力最小，最小值為0.015MPa，當(dāng)初始圍巖溫度為105℃時，洞底受到的應(yīng)力最大，最大值為0.027MPa。隨著初始圍巖溫度的升高，當(dāng)溫度在65℃～95℃階段，拱頂受到應(yīng)力基本保持穩(wěn)定為0，當(dāng)初始圍巖溫度大于95℃時，拱頂受到應(yīng)力緩慢增大，在初始圍巖溫度為105℃時，拱頂受到應(yīng)力最大，最大值為0.002MPa。由此可知，隨著初始圍巖溫度逐漸升高，各位置受到的應(yīng)力逐漸增大，隧洞的支護(hù)結(jié)構(gòu)隨著應(yīng)力的增大發(fā)生形變，且側(cè)墻發(fā)生的形變最大，洞底發(fā)生的形變次之。

如圖2(b)所示，隨著初始圍巖溫度的升高，最大主應(yīng)力在不同初始圍巖溫度條件下處于壓應(yīng)力。洞底和側(cè)墻受到的壓應(yīng)力均呈線性增大趨勢，而拱頂受到的壓應(yīng)力先處于平穩(wěn)狀態(tài)，然后再小幅度減小。當(dāng)初始圍巖溫度為65℃時，洞底和側(cè)墻受到的壓應(yīng)力最小，最小值分別為0.336MPa、0.27MPa。當(dāng)初始圍巖溫度為105℃時，洞底和側(cè)墻受到的壓應(yīng)力最大，最大值分別為0.445MPa、0.321MPa。在溫度在65℃～95℃階段，溫度對拱頂受到的壓應(yīng)力沒有明顯影響，當(dāng)初始圍巖溫度為105℃時，拱頂受到壓應(yīng)力減為最小，最小值為0.31MPa。由此可知，隨著初始圍巖溫度逐漸升高，洞底和側(cè)墻受到的壓應(yīng)力逐漸增大，隧洞的支護(hù)結(jié)構(gòu)隨著壓應(yīng)力的增大發(fā)生形變，且洞底發(fā)生的形變最大，側(cè)墻發(fā)生的形變次之。拱頂受到的壓應(yīng)力先趨于平穩(wěn)，再小幅度減小，溫度的增大對拱頂受到的壓應(yīng)力影響較小。

如圖2(c)所示，隨著初始圍巖溫度的升高，引水隧洞各位置的位移均呈快速增大趨勢，當(dāng)初始圍巖溫度為65℃時，洞底、側(cè)墻和拱頂?shù)奈灰谱钚。钚≈捣謩e為0.27mm、0.34mm、0.33mm。當(dāng)初始圍巖溫度為105℃時，洞底、側(cè)墻和拱頂?shù)奈灰谱畲螅畲笾捣謩e為0.56mm、0.60mm、0.55mm。由此可知，隨著初始圍巖溫度逐漸升高，側(cè)墻的位移最大，拱頂?shù)奈灰拼沃?/p>

由圖2可知，隨著初始圍巖溫度的升高，引水隧洞圍巖不同位置支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移均呈增大趨勢，當(dāng)初始圍巖溫度為65℃時，支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移最小，當(dāng)初始圍巖溫度為105℃時，支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移最大。由引可知，降低引水隧洞的初始圍巖溫度，可有效的防止引水隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)變形，增加支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3.3 水溫對支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響分析

模擬試驗(yàn)結(jié)束后，根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)，在不同水溫條件下，引水隧洞模型的側(cè)墻、洞底和拱頂處的應(yīng)力和位移如圖3所示，正值為拉應(yīng)力，負(fù)值為壓應(yīng)力。

圖3 隧洞不同位置應(yīng)力和位移曲線

如圖3(a)所示，隨著水溫的升高，引水隧洞洞底、側(cè)墻和拱頂受到的應(yīng)力均呈逐漸減小趨勢。當(dāng)水溫為1℃時，洞底、側(cè)墻和拱頂受到的應(yīng)力最大，最大值分別為0.345MPa、0.653MPa、0.461MPa；當(dāng)水溫為12℃時，洞底、側(cè)墻和拱頂受到的應(yīng)力最小，最小值分別為0.123MPa、0.551MPa、0.358MPa；在相同水溫條件下，側(cè)墻受到的應(yīng)力最大，洞底受到的應(yīng)力最小。由此可知，水溫的升高，可防止引水隧洞圍巖各位置支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形[7-8]。

如圖3(b)所示，隨著水溫的升高，最大主應(yīng)力在不同水溫條件下處于壓應(yīng)力，引水隧洞洞底受到的壓應(yīng)力均呈逐漸減小趨勢，側(cè)墻呈緩慢增大趨勢，而拱頂受到的壓應(yīng)力處于恒定狀態(tài)，水溫對拱頂受到壓應(yīng)力無任何影響。當(dāng)水溫為1℃時，洞底受的壓應(yīng)力最大，最大值為0.363MPa，當(dāng)水溫為12℃時，洞底受的壓應(yīng)力最小，最小值為0.342MPa；當(dāng)水溫為1℃時，側(cè)墻受的壓應(yīng)力最小，最小值為0.127MPa，當(dāng)水溫為12℃時，側(cè)墻受的壓應(yīng)力最大，最小值為0.16MPa；在不同水溫條件下，各位置的變力變化較小，由此可任為水溫對引水隧洞不同位置的支護(hù)結(jié)構(gòu)影響較小。

如圖3(c)所示，隨著水溫的升高，引水隧洞洞底、側(cè)墻和拱頂?shù)奈灰瞥示€性減小趨勢。當(dāng)水溫為1℃時，洞底、側(cè)墻和拱頂?shù)奈灰谱畲?，最大值分別為0.35mm、0.41mm、0.39mm；當(dāng)水溫為12℃時，洞底、側(cè)墻和拱頂?shù)奈灰谱钚?，最小值分別為0.28mm、0.34mm、0.33mm。

在相同水溫條件下，側(cè)墻的位移最大，洞底的位移最小。由此可知，水溫的升高，可減小引水隧洞圍巖各位置支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移。

由圖3可知，隨著水溫的升高，引水隧洞圍巖不同位置支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移均呈減小趨勢，當(dāng)水溫為1℃時，支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移最大，當(dāng)水溫為12℃時，支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移最小。由此可知，升高引水隧洞的水溫，可減小隧洞內(nèi)外的溫差，能有效的防止引水隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)變形，增加支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

通過建立引水隧洞結(jié)構(gòu)數(shù)值模型，分析了支護(hù)結(jié)構(gòu)厚度、初始圍巖溫度和水溫條件下對支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，得到如下結(jié)論。

(1)隨著支護(hù)結(jié)構(gòu)厚度的增加，引水隧洞圍巖側(cè)墻、洞底和拱頂受到的應(yīng)力和位移均逐漸減小。增加支護(hù)結(jié)構(gòu)厚度，可有效的防止支護(hù)結(jié)構(gòu)變形，顯著的提高引水隧洞的穩(wěn)定性。

(2)隨著初始圍巖溫度的升高，引水隧洞圍巖側(cè)墻、洞底和拱頂支護(hù)結(jié)構(gòu)受到的應(yīng)力和位移均呈增大趨勢。降低引水隧洞的初始圍巖溫度，可增加支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

(3)隨著水溫的升高，引水隧洞圍巖側(cè)墻、洞底和拱頂支護(hù)結(jié)構(gòu)受到的應(yīng)力和位移均呈減小趨勢。升高引水隧洞的水溫，可減小隧洞內(nèi)外的溫差，能有效的防止引水隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)變形。

(4)地質(zhì)情況對計(jì)算結(jié)構(gòu)影響較大，文章結(jié)論未考慮不同地質(zhì)情況對研究結(jié)論的影響，因此需要通過其它項(xiàng)目進(jìn)行分析補(bǔ)充。