高地温隧洞支护结构受力特性_郑文.pdf

第 46 卷 第 6 期煤田地质与勘探Vol. 46 No.6 2018 年 12 月COALGEOLOGY The Talent-technology Foundation of Xi’an Univerisity of Architecture and TechnologyRC1801 第一作者简介 郑文，1986 年生，女，陕西榆林人，硕士，讲师，从事黄土力学与边坡工程的教学研究工作. E-mailzw0822 通信作者 刘乃飞， 1985 年生， 男， 陕西榆林人， 博士， 讲师， 从事隧道工程及低温多场耦合方面的研究工作. E-mail liunaifei1985 引用格式 郑文，刘乃飞，刘小平. 高岩温隧洞支护结构受力特性[J]. 煤田地质与勘探，2018，466138–143. ZHENG Wen，LIU Naifei，LIU Xiaoping. Mechanical characteristics of supporting structures for high geo-temperature tunnel[J]. Coal Geology 2. School of Civil Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China; 3. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China Abstract High geo-temperature is a serious constraint to the construction and safe operation of underground engineering, will be studied based on a diversion tunnel in Xinjiang. According to the geological data, six different temperature boundaries were chosen. The deation and stress characteristics of the surrounding rock and supporting structures were studied under four operating conditions such as spraying shotcrete, pouring concrete and flowing water. The research shows that the high geo-temperature has a marked impact on tunnel’s stability, the axial force of bolt was 294 times as those which did not consider temperature, while the circumferential tensile stress was about 2.13 times; the insulating layer worked dramatically well, the axial force of bolt and circumferential tensile stress of lining were bigger if without insulating layer; the cold water had big impact on the lining stress, circumferential tensile stress of lining was 2.65 times as that without water flowing. The research results provide reference for the design and construction of similar project. Keywords high geo-temperature; tunnel engineering; supporting structure; mechanical characteristic 随着水利、交通等地下工程大力发展的需要， 国内外兴建的隧洞越来越长，埋深越来越大。若按 正常的地温梯度计算， 随着隧洞埋深的增加， 围岩的 地温会逐渐升高。目前，高地温问题已成为隧洞[1]、 采矿[2]及其他地下工程[3]常见的地质灾害问题， 是制 约各项地下工程正常施工和安全运营的瓶颈。鉴于 此， 国内外许多学者开展了大量高岩温方面的研究工 作，极大的推动了高岩温工程的建设。郤保平等[4] 对 600℃内高温状态花岗岩遇水冷却后的力学特性 进行了试验研究，发现高温花岗岩遇冷水后温度骤 ChaoXing 第 6 期郑文等 高地温隧洞支护结构受力特性139 降，岩体力学性能略化。苏承东等[5]通过试验研究 指出，温度对试样的力学特性影响可分为热胀使试 样强化和不均匀变形使试样略化 2 种。朱绍军等[6] 通过现场钻孔和理论相结合的手段研究了新郑矿区 钻孔地温特征及其受控机制。张岩等[7]、徐崇邦[8]、 宿辉等[9]、李亚坤等[10]通过试验研究了高温条件下 岩石强度热力学参数的变化规律。貘祖国等[11]和宿 辉等[12]采用数值方法研究了高温隧道围岩温度场分 布规律。侯代平等[13]、余春海等[14]、李国良等[15] 结合实际工程探讨了高温隧洞施工关键技术。 虽然，国内外学者在高温岩土工程方面作了 大量的研究工作，但在高地温隧洞方面的系统研 究却颇为少见，特别是高地温对隧洞围岩及支护 结构安全稳定性影响方面的研究更是鲜有涉及。 本文以新疆某水电工程高温隧洞为背景，采用大 型商业软件 ANSYS，对不同地温条件和不同施工 工况下温度场对洞周围岩及支护结构受力及变形 特性进行研究，以期为同类工程的设计与施工提 供参考和借鉴。 1工程概况 水电站位于新疆克孜勒苏自治州境内[1,13,15]， 是一 项具有灌溉、发电、防洪和改善生态环境等综合利用 效益的大2型二等工程。引水发电洞全长 17.36 km， 位于西昆仑山腹地，见图 1。在强烈的新老构造运 动和外营力作用下，形成多种地貌类型，具有明显 的分带性。据发电洞施工支洞开挖揭露，发电引水 隧洞前段存在高地温问题，发现高地温的施工支洞 有 2′号、3 号、4 号 3 条支洞，围岩岩性均为云母石 英片岩夹有石墨片岩，3 条支洞内干燥，未见地下 水出露，个别裂隙中见有白色热气冒出。从已监测 到的温度看，孔内最高温度达到 105℃，在国内外 同类工程中堪称首例，严重影响施工和支护结构的 安全。 图 1发电洞沿线地貌[13,15] Fig.1Land along the hydropower tunnel 2数值分析模型及方案 拟采用大型商业软件 ANSYS 的多场耦合分析 功能来研究温度场对洞周围岩及支护结构的影响。 根据实际工程选取的隧洞为埋深 300 m，开挖洞径 D3.0 m 的圆形洞，岩性为二云母石英片岩夹石墨 片岩，岩体干燥，无地下水赋存。经过多次试算分 析模型区域为以隧洞为中心的 20D20D 的正方形 图 2a，左右两侧为法向约束，底边为固定约束， 上部为自由边界， 上覆岩体以线性荷载的方式施加， 模型边界施加稳定温度边界。 为了研究高温对支护结 构的影响，笔者分别模拟了 15 cm 喷层、5 cm 泡沫 玻璃保温层和 40 cm 二次衬砌， 并采用直径为 25 mm 的锚杆对洞周 1.5 m 范围内的围岩进行了加固处理， 热分析单元为 plane55，结构单元为 plane42，锚杆 单元为 link1，有限元分析模型见图 2b。 图 2隧洞几何及数学模型 Fig.2The geometrical model and the mathematical model 为便于系统研究围岩温度场对隧洞整体稳定性的 影响，本文共设置了 6 种10℃、30℃、50℃、70℃、 90℃、110℃温度边界条件，对隧洞在开挖、施做 喷层、 施做衬砌及过水后等各工况下围岩及支护结构 的受力及变形特性进行了深入的量化分析， 各工况时 间间隔均为 1 个月。 同时为了便于对比分析， 假定围 岩的热力学参数均不随温度变化，具体见表 1。 3高地温对隧洞围岩的影响 根据拟定的试验方案进行数值仿真分析，可获得 各工况下围岩应力场和位移场的分布和变化规律。 3.1高温对围岩应力的影响 图 3 为各工况下围岩拱顶和边墙等关键部位径 向和环向应力随温度的变化曲线，图中“开挖”指开 挖工况，“喷层”指施做喷层工况，“衬砌”指施做衬 砌工况， “过水”指衬砌施工完成后的过水试验工况。 从图 3 中可以看出，围岩径向和环向应力的变 化规律差异较大。无论是拱顶还是边墙，环向应力 均随边界温度的升高发生线性变化，且有由压应力 ChaoXing 140煤田地质与勘探第 46 卷 表 1围岩及支护结构的热力学参数 Table 1Thermodynamic parameters of surrounding rock and supporting structures 材料 弹性 模量/GPa 泊松比 容重/ kNm-3 线膨胀 系数/10-6K-1 导热系数/ Wm-1K-1 比热/ Jkg-1K-1 对流换热系数/ Wm-2K-1 围岩7.50.28026.05.611.21 00070围岩–空气 喷层12.00.16725.08.01.7495050喷层–空气 保温层0.0150.1671.5020.00.05800 衬砌23.00.16725.010.02.33950400衬砌–水 锚杆200.00.22079.620.0500 注空气的温度为 15℃，水温为 5℃；衬砌与空气的对流换热系数为 45 W/m2K；锚杆半径为 25 mm。 图 3围岩应力随温度边界变形曲线 Fig.3Variation of surrounding rock stress with temperature 向拉应力转化的趋势。地温较小20℃时，围岩各 工况下环向应力基本相等，然而当地温较大110℃ 时，各工况环向应力差值高达 3.0 MPa。开挖完成 后在拱顶出现了约 4.0 MPa 的拉应力。施工期开挖 工况围岩径向应力的变化规律与其他工况呈相反趋 势，但与环向应力的变化规律相同，当温度边界超 过 90℃时，在拱顶出现了少许的径向拉应力。施做 喷层后，由于喷层阻止了围岩与外界的热量交换， 促使围岩温度不断升高， 围岩径向压应力越来越大， 过水后边墙的径向压应力约为 1.25 MPa。 图 4 为考虑试验洞洞周围岩实际温度场约 90℃ 和单独进行结构分析不考虑温度作用时洞周围岩 关键部位应力变化曲线。 由图 4 可知，温度场对洞周围岩径向应力的影 响并不明显， 而环向应力的变化规律虽然比较接近， 但波动却更加剧烈，量值上也存在较大差异。开挖 通风工况下拱顶出现了约 3.0 MPa 的拉应力，随后由 于喷层和保温层的阻热作用， 围岩环向应力逐渐减小。 图 4温度场对围岩应力影响对比曲线 Fig.4Correlation curve of the impacts of temperature on surrounding rock stress ChaoXing 第 6 期郑文等 高地温隧洞支护结构受力特性141 3.2高温对围岩位移的影响 结合应力分析结果，可以研究围岩温度场对洞 周围岩位移的影响。图 5 为洞周围岩关键部位径向 和环向位移随温度边界的变化曲线。 由图 5 可知，各工况下洞周围岩竖向位移随温 度的升高而逐渐增大，边墙收敛位移随温度的升高 逐渐降低。当温度较低时不同工况位移较小，特别 是当围岩温度低于常温时，围岩径向位移表现出与 高温情况相反的位移趋势，这主要是热胀冷缩作用 的效果。由于围岩较好，洞周整体位移较小，拱顶 最大径向位移仅为 3.2 mm，环向位移基本为零。温 度边界为 110℃时拱顶径向位移约为 10℃时的 1.25 倍，边墙环向位移约为 6.12 倍。可见地温对围岩位 移场的影响作用显著。 图 6 为考虑 90℃温度边界地温场和不考虑地温 时，各工况下洞周围岩关键部位位移对比曲线。 图 5围岩位移随温度边界位移曲线 Fig.5Variation of surrounding rock displacement with temperature boundary displacement 图 6温度场对围岩位移影响对比曲线 Fig.6Correlation curves of the impacts of temperature on surrounding rock displacement 从图 6 中可以看出，当不考虑地温作用时，开 挖完成后洞周位移基本停止，而有地温作用时，在 温度应力作用下洞周围岩随温度位移呈现出明显的 热胀冷缩效应，边墙径向位移尤为明显。在温度场 的作用下拱顶径向位移增加了约 23，而边墙环向 位移约为无地温时的 5 倍。由此可见高地温对洞周 围岩的稳定性影响较大，应当引起足够的重视。 4高地温对支护结构受力的影响 4.1高地温对初期支护受力的影响 通过热传导作用，高地温会改变与围岩紧密接 触的喷层的温度场，进而影响喷层的受力和变形特 性。由于喷层边墙应力变化规律和拱顶相似，因此 在此只给出各工况下喷层拱顶部位应力随不同围岩 温度边界的变化曲线，见图 7。 由图 7 可知，在施做衬砌和保温层之前，拱顶 出现了少量的拉应力， 但随着围岩边界温度的升高， 喷层关键部位的拉应力逐渐降低，当围岩边界温度 超过 90℃时， 拱顶环向拉应力消失， 转化为压应力。 随后由于保温层的隔热作用，迫使热量在喷层和保 温层间逐渐积聚，喷层产生膨胀效应，致使喷层全 断面受压，且随着时间的推移，压应力不断增大，过 ChaoXing 142煤田地质与勘探第 46 卷 水时喷层环向压应力最大为 5.5 MPa。此外，随着围 岩边界温度的升高， 喷层变形呈线性增大趋势， 拱顶 最大竖向变形为 0.24 mm， 边墙收敛变形为 0.29 mm。 当不考虑温度场的影响时，喷层全断面受力很小， 仅为 0.1 MPa，与之相应的，喷层变形也近似为零， 因此，为了确保工程安全，必须考虑温度场对喷层 的影响。 4.2高地温对锚杆轴力的影响 为了研究温度场对锚杆轴力的影响，在洞周布 设了间距 1.2 m，长 1.5 m 的锚杆。由于洞周各锚杆 轴力变形规律基本一致，因此只给出拱顶部位锚杆 轴力图和对比分析图，见图 8。 图 7喷层应力随温度变化曲线 Fig.7Variation of shotcrete layer stress with temperature 图 8锚杆轴力变化曲线 Fig.8Variation of axial force of bolt 研究表明，洞周各锚杆轴力随围岩温度变化规 律基本相同，由拱顶至洞底锚杆轴力逐渐减小，越 靠近洞壁，锚杆轴力越大。从图 8a 可以看出，由于 喷层等的阻热作用，围岩温度逐渐升高，锚杆轴力 也不断增大，特别是施做衬砌后变化幅度更大。温 度边界为 110℃时，锚杆最大轴力为 47 kN。当不考 虑温度作用时，锚杆轴力仅为 0.16 kN，且随工况变 化变幅较小。 4.3高地温及过水对二次衬砌结构的影响 由于衬砌是内水的载体，因此研究高地温和过 水对衬砌结构安全的影响有十分重要的意义。图 9 为衬砌关键部位应力随不同温度边界的变化曲线。 图 9衬砌应力随温度变化曲线 Fig.9Variation of lining stress with temperature 由图 9 可知，随着围岩边界温度的不断升高， 衬砌受力逐渐增大，在过水工况下随着边界温度升 高衬砌压应力逐渐减小，且有向拉应力转化的趋势。 衬砌径向应力不断向环向转化。 过水工况下， 由于水 温较低5℃，衬砌产生了冷缩效应，因此较衬砌施 做阶段环向拉应力迅速增大，最大值约为 1.8 MPa， 约为衬砌施做阶段的 2.65 倍。可见，过水对衬砌受 力的影响很大， 如不布设保温层， 衬砌受力将会大幅 ChaoXing 第 6 期郑文等 高地温隧洞支护结构受力特性143 增大，严重影响支护结构的安全性。此外，当隧洞过 水时，衬砌产生冷缩效应，最大变形值为 0.24 mm。 若不考虑地温影响时， 衬砌受力和变形均较小， 约为考虑温度场时的 1/3， 说明衬砌受力和变形主要 是由温度场产生，在进行支护结构的设计中，必须 考虑温度场的影响，以确保工程安全运行。 5结 论 a. 围岩应力随着边界温度的升高逐渐增大，开 挖完成后，拱顶围岩出现了较大的环向拉应力，随 后由于喷层和保温层等的隔热作用，拉应力逐渐减 小。当不考虑高地温影响时，围岩应力较小，只在 开挖期出现了少量的拉应力。 b. 保温层的施做对喷层有较大的保护作用，施 做保温层后，由于温差降低，喷层拉应力逐渐转变 为压应力。在温度场和应力场共同作用下，喷层变 形呈扁长椭圆形。 c. 高地温对锚杆受力影响显著，随着围岩温度 升高，锚杆轴力不断增大，最大值高达 47 kN，而 不考虑温度场影响时，锚杆轴力仅为 0.16 kN。 d. 衬砌应力随着围岩温度升高而逐渐增大，且 向拉应力增大的方向发展。过水后，环向应力增大 为过水前的 2.65 倍。当不设置保温层时，环向应力 增幅会更大。若不考虑温度场的影响，衬砌受力和 变形较小。 参考文献 [1] 刘乃飞，李宁，余春海，等. 布仑口水电站高温引水发电隧洞 受力特性研究[J]. 水利水运工程学报，2014414–21. 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Water Resources and Hydropower Engineering，2016，47434–37. 下转第 149 页 ChaoXing 第 6 期张庆嵬等 基于 IDL 的三维地质动态建模149 函数，将 IDL 作为开发工具可以明显减少代码量。 b. 表面建模方式与实体建模方式恰好对应 IDL 对象图形体系中的 IDLgrSurface 类、 IDLgrVolume 类， 配合类的关键词选项，可以较好地完成建模任务。 经过实际使用比较，在显示效果、流畅度、可操作 性等方面表面建模的方式在 IDL 平台上有更好的使 用体验。 c. 经过检验，笔者采用的动态显示算法具有一 定的可行性，完善后可以应用于矿区滑坡、泥石流、 地表沉降等灾害的动态展示。 d. 文中没有讨论包含断层、褶皱的复杂地层建 模方法，未来将在这方面做进一步工作。 参考文献 [1]明镜. 三维地质建模技术研究[J]. 地理与地理信息科学，2011， 27414–18. MING Jing. A study on three-dimensional geological modeling[J]. Geography and Geo-Ination Science，2011，27414–18. [2] 程朋根，刘少华，王伟，等. 三维地质模型构建方法的研究及应 用[J]. 吉林大学学报地球科学版，2004，342309–313. CHENG Penggen，LIU Shaohua，WANG Wei，et al. Study and application of a new 3D geological model construction [J]. Journal of Jilin UniversityEarth Science Edition，2004，342 309–313. [3] 吴立新，史文中. 论三维地学空间构模[J]. 地理与地理信息科学， 2005，2111–4. WU Lixin，SHI Wenzhong. On three dimensional geosciences spatial modeling[J]. Geography and Geo-Ination Science， 2005， 211 1–4. 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