高地溫隧洞熱—結(jié)構(gòu)耦合分析

郭進(jìn)偉，方 燾，盧祝清

(1.中鐵十四局集團有限公司，濟南 250014;2.華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，南昌 330013)

在地下工程中，高地溫一方面影響工程施工安全和進(jìn)度，嚴(yán)重威脅到施工人員的人身安全，另一方面還將影響到施工材料的選取(如耐高溫炸藥)和混凝土的耐久性。而且由于產(chǎn)生的附加溫度應(yīng)力還將引起襯砌開裂，嚴(yán)重影響隧洞的穩(wěn)定性[1]，有時甚至使掘進(jìn)工作無法進(jìn)行[2]。隧洞內(nèi)的高溫高濕將導(dǎo)致機械設(shè)備的工作條件惡化，效率降低，故障增多[3]。由于某引水隧洞在1#支洞下游(樁號約 K0+972～K1+052處)穿過熱水?dāng)鄬樱?#支洞開挖及引水隧洞主洞開挖和支護均受到熱水?dāng)鄬訋в绊?，該洞段出現(xiàn)高地溫及溫泉涌水，最高水溫78℃，嚴(yán)重影響了施工工作的開展。本文針對該具體情況，運用有限元分析軟件，借用熱學(xué)理論模擬溫度場，考慮熱—結(jié)構(gòu)耦合，探討了襯砌結(jié)構(gòu)在溫度場影響下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力值以及在溫度和內(nèi)水壓力聯(lián)合影響下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力值，并在此基礎(chǔ)上對原設(shè)計方案進(jìn)行了修正。

1 熱—結(jié)構(gòu)耦合分析[4]

某電站引水隧洞斷層及斷層影響帶約為200 m，其分段圍巖地質(zhì)情況為:①K0+900～K0+972為斷層影響帶，為微風(fēng)化～新鮮的黑云母二長花崗巖，具塊狀～次塊狀結(jié)構(gòu)，圍巖完整性較好，裂隙發(fā)育長大，裂隙間距一般0.5～1.0 m，頂拱及邊墻裂隙濕潤，總體自穩(wěn)能力較好。②K0+972～K1+052段為斷層帶，砂巖為主夾少量的砂質(zhì)板巖，具鑲嵌～碎裂結(jié)構(gòu)，圍巖完整性差，受斷層擠壓的影響，圍巖總體而言鑲嵌緊密。③K1+052～K1+100段為斷層影響帶，該段圍巖以砂巖為主夾少量的砂質(zhì)板巖，具層狀～碎裂結(jié)構(gòu)，受斷層擠壓的影響明顯，構(gòu)造裂隙發(fā)育，預(yù)測圍巖完整性較差。

針對某水電站引水隧洞穿越熱水?dāng)鄬映霈F(xiàn)熱水涌水及高地溫現(xiàn)象，設(shè)計建立ANSYS有限元模型，采用熱學(xué)理論模擬該洞段的溫度場，并通過熱—結(jié)構(gòu)耦合方式，求出襯砌結(jié)構(gòu)在溫度場影響下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力值以及在溫度和內(nèi)水壓力聯(lián)合影響下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力值，根據(jù)應(yīng)力進(jìn)行結(jié)構(gòu)的配筋計算及分析。

1.1 計算參數(shù)設(shè)定及計算工況

模型邊界條件設(shè)置:混凝土澆筑時環(huán)境溫度取20℃ ～30℃，巖石取恒定溫度50℃;過水后，洞內(nèi)水溫5℃，內(nèi)水壓力0.25 MPa。模型材料設(shè)置:C20混凝土彈性模量 Es=25.5 GPa，泊松比 μ=0.167，導(dǎo)熱系數(shù)λ=2.5 W/(m·K)，線膨脹系數(shù) α=0.8×10－5/℃;2.7 m固結(jié)灌漿范圍內(nèi)圍巖彈性模量Es=8 GPa，泊松比μ=0.25，導(dǎo)熱系數(shù)λ=3.5 W/(m·K)，線膨脹系數(shù)α =0.5×10－5/℃;圍巖彈性模量 Es=5 GPa，泊松比 μ=0.25，導(dǎo)熱系數(shù)λ=3.5 W/(m·K)，線膨脹系數(shù) α=0.4×10－5/℃。計算工況:襯砌結(jié)構(gòu)40 cm、60 cm時，分別計算了受地溫影響和不受地溫影響時隧洞檢修工況、正常運行工況，其中受地溫影響時對應(yīng)了混凝土澆筑溫度在20℃、30℃兩種情況。

1.2 計算圖形(見圖1～圖3)

1.3 計算成果及設(shè)計參數(shù)擬定(見表1)

計算結(jié)果表明:考慮高地溫影響時，襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力主要由溫度場產(chǎn)生，根據(jù)混凝土澆筑溫度敏感分析，混凝土澆筑時的環(huán)境溫度與過水溫度相差越大，則過水時溫度場產(chǎn)生的應(yīng)力也越大;根據(jù)襯砌厚度的敏感性分析，增大襯砌厚度并不能明顯改善襯砌應(yīng)力。由于溫度場產(chǎn)生的拉應(yīng)力值相當(dāng)大(最大達(dá)6 MPa)，如將其作為不可消除荷載，結(jié)構(gòu)所需的配筋量也十分大。在襯砌結(jié)構(gòu)厚40 cm時，需內(nèi)層、外層均配置8根φ32 mm的螺紋鋼筋;在襯砌結(jié)構(gòu)厚60 cm時，需內(nèi)層、外層均配置10根φ32 mm的螺紋鋼筋。在不考慮地溫影響情況下，結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力大大降低，襯砌厚度40 cm時，結(jié)構(gòu)內(nèi)層、外層僅需配5根φ20 mm的螺紋鋼筋;襯砌厚度60 cm時，結(jié)構(gòu)內(nèi)層、外層也僅需配5根φ20 mm的螺紋鋼。

圖1 混凝土澆筑環(huán)境溫度為30℃時的溫度應(yīng)力

圖2 混凝土澆筑環(huán)境溫度為30℃時的溫度耦合內(nèi)水壓力應(yīng)力

圖3 混凝土澆筑環(huán)境溫度為30℃時的溫度耦合內(nèi)水壓力位移

在溫度場作用情況下，襯砌結(jié)構(gòu)為40 cm時產(chǎn)生的徑向最大位移值(向內(nèi))為0.086 mm;襯砌結(jié)構(gòu)為60 cm時產(chǎn)生的徑向最大位移值(向內(nèi))為0.115 mm;換算成沿襯砌結(jié)構(gòu)周長方向的變形值分別為0.540 mm和0.723 mm。根據(jù)工程實際統(tǒng)計資料表明，引水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)最有可能產(chǎn)生的裂縫，一般分布在兩側(cè)拱腳及邊墻與底板交界處，以此估算襯砌結(jié)構(gòu)的裂縫開展寬度。襯砌厚40 cm時，每條裂縫開展寬度約為0.14 mm;襯砌厚60 cm時，每條裂縫開展寬度約為0.18 mm。

2 高地溫洞段襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計

在溫度作用下配置大量的鋼筋并不能確?；炷劣捎谧陨硎湛s引起的裂縫?！端せ炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》SL/T 191—96條文說明中11.1對混凝土結(jié)構(gòu)在溫度作用下的設(shè)計原則解釋為:“研究分析表明，溫度作用對超靜定鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫寬度有顯著的影響，但與結(jié)構(gòu)最終承載力基本無關(guān)。因為裂縫開展較寬時，構(gòu)件的變形就能滿足溫度脹縮的要求，溫度應(yīng)力也就基本上松弛消失。對超靜定鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)適當(dāng)增配溫度鋼筋的目的主要是為了控制裂縫寬度”。

表1 有限元計算結(jié)果

高地溫洞段水平埋深約300～600 m，垂直埋深約120～260 m，且該段隧洞位于引水隧洞前端、內(nèi)水壓力最大約25 m水頭，內(nèi)水壓力不大。根據(jù)《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》DL/T 5195—2004中6.23規(guī)定，隧洞埋深滿足了上覆巖體蓋厚度要求，不會發(fā)生水力劈裂;埋深較大同時也使隧洞內(nèi)水外滲滲徑長且滲流量很小，不會引起過大的水量損失和發(fā)生滲透破壞、造成山體失穩(wěn)。綜合《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》、《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，對該洞段的襯砌可采用限裂設(shè)計，即允許混凝土開裂，控制裂縫開展寬度;混凝土襯砌段鋼筋配置可不考慮溫度荷載產(chǎn)生的應(yīng)力，采用常溫狀態(tài)下襯砌結(jié)構(gòu)的配筋計算成果，但考慮到高地溫洞段受熱水?dāng)鄬拥挠绊?，地質(zhì)條件具有一定的不確定性，襯砌結(jié)構(gòu)受結(jié)構(gòu)變形后溫度殘余應(yīng)力等不利因素的影響，在常溫計算配筋成果基礎(chǔ)上應(yīng)適當(dāng)加大鋼筋的配置，留有適當(dāng)余地。

按常溫結(jié)構(gòu)配筋并留適當(dāng)余地后，高地溫對襯砌結(jié)構(gòu)的影響主要為混凝土開裂。估算裂縫開展寬度為0.14～0.18 mm，能滿足《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》限制裂縫開展寬度的要求。綜上所述，對高地溫段隧洞的襯砌方案擬定如下:

1)1#支洞交主洞上游、下游兩側(cè)由原設(shè)計的鋼筋混凝土各襯7.5 m增加為各襯15.0 m;

2)對于Ⅲ類圍巖開挖，襯砌斷面保持原設(shè)計，采用噴混凝土+系統(tǒng)錨桿支護;

3)對于Ⅵ圍巖開挖，襯砌斷面保持原設(shè)計，內(nèi)層、外層均配5根φ25 mm的螺紋鋼筋;

4)對于Ⅴ類圍巖開挖，襯砌斷面保持原設(shè)計，內(nèi)層、外層均配6根φ25 mm的螺紋鋼筋。

3 結(jié)語

文中有限元分析軟件，采用熱學(xué)理論模擬溫度場，并通過熱—結(jié)構(gòu)耦合方式，得出了幾種不同工況下襯砌結(jié)構(gòu)在溫度場影響下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力值以及在溫度和內(nèi)水壓力聯(lián)合影響下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力值。考慮高地溫影響時，襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力主要由溫度場產(chǎn)生，根據(jù)襯砌厚度的敏感性分析，增大襯砌厚度并不能明顯改善襯砌應(yīng)力，提出了高地溫段隧洞襯砌方案。

[1] 于健.高地溫對隧道施工作業(yè)環(huán)境的影響及防治［J］.四川建筑，2009，29(3):190-191.

[2] 張智，胡元芳.深埋隧道人工制冷施工降溫措施探討［J］.世界隧道，1999(6):22-23.

[3] 谷柏森.隧道高地溫應(yīng)對措施及通風(fēng)設(shè)計——高黎貢山鐵路特長隧道可行性研究［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2007，44(2):66-67.

[4] 曹紅奮，梅國梁.傳熱學(xué)理論基礎(chǔ)及工程應(yīng)用［M］.北京:人民交通出版社，2004.