高地溫隧洞襯砌結構應力變形分析及降溫措施

李書杰（重慶市水利電力建筑勘測設計研究院，重慶401120）

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高地溫隧洞襯砌結構應力變形分析及降溫措施

李書杰
（重慶市水利電力建筑勘測設計研究院，重慶401120）

本文以娘擁水電站的高地溫段引水隧洞為依托，采用ansys有限元軟件，耦合溫度場和應力場，對運行工況和檢修工況下不同厚度的襯砌結構進行計算分析，得出了不同情況下襯砌的結構應力和位移值，為設計、施工提供了參考依據，并采用綜合降溫措施降溫，為隧洞順利施工創(chuàng)造了有利條件。

高地溫；有限元；引水隧洞；降溫措施

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.01.035

在我國西部地區(qū)建設水利水電工程，由于地勢險峻和工程建設的需要，常需要進行深埋隧洞的施工。然而西部許多地區(qū)蘊藏著大量的地熱資源，在隧洞施工過程中會遇到較為復雜的地質問題。如蓮麓一級水電站左右岸灌漿平洞開挖過程中遇到溶洞［1］；引灤入唐輸水工程兩條輸水隧洞地質條件各異，構造復雜，穿越斷層大部分為壓性、扭性和少量張扭性斷裂［2］；新疆某二級水電站引水隧洞1#施工支洞穿越兩個30m的大斷層和一個50多m厚的有壓透水層［3］，但水溫不高，洞內溫度處于正常施工溫度范圍。

對于隧洞工程而言，當地溫大于30℃時，即為高地溫條件，據統(tǒng)計，國內外許多工程出現過復雜的地質問題，例如新疆的新布倫口公格爾水電站的引水隧洞［4］，施工時發(fā)現巖壁溫度超過80℃；新疆齊熱哈塔爾水電站的引水隧洞［5］，掌子面鉆孔發(fā)現溫度達到72℃；高黎貢山鐵路深埋隧道［6］，在地質勘測時預測洞身溫度達到43～75℃；意大利亞平寧鐵路隧道，隧道溫度達到63.8℃。

在高地溫的隧洞地段，常常伴有高溫熱水出露。對隧洞的正常施工產生較大影響：①洞內施工環(huán)境惡劣，氣溫較高，導致施工人員胸悶、嘔吐、熱水燙傷；②測量儀器失效，不能正常工作；③炸藥膨脹，毫秒雷管軟化，產生啞炮，甚至自爆；④噴射混凝土回彈量增大，巖壁脫層掉塊，無法封閉巖面；⑤砂漿錨桿抗拔力降低；⑥圍巖膨脹引起的安全問題等。

就國內高地溫隧洞施工方面來說，我國最早開始有這方面的研究是在1993年的云南省黑白水電站引水隧洞的施工中，國內系統(tǒng)的研究還未開展起來，大部分學者都是通過實際的工程項目結合理論分析進行了一些研究［7-8］。

本文以娘擁水電站的引水隧洞為依托，耦合溫度場和應力場，對高地溫條件下隧洞襯砌結構進行了應力分析，同時對施工降溫措施進行了相關探討，以期能為類似工程的設計與施工提供一定的借鑒和參考。

1 工程概況

娘擁水電站位于四川省甘孜州鄉(xiāng)城縣境內，電站采用引水式開發(fā)。引水線路沿線河谷狹窄，山體雄厚，谷坡陡峻，兩岸自然坡度大多60～80°，地勢海拔4500～4800余m，屬典型的高山峽谷地貌。引水線路主要穿越的地層巖性為印支期斑狀黑云母花崗巖（r1

β5），三疊系拉納山組下段（T311）灰色厚～中厚層砂巖夾板巖，三疊系上統(tǒng)拉納山組上段（T312）板巖、砂巖互層。

引水隧洞全長15406.313m，沿線共布設7條施工支洞。其中，1#支洞與主洞相交樁號為K0 + 873.97m，在下游面主洞開挖過程中，花崗巖銹染嚴重，且局部風化，洞壁潮濕，隨著開挖的進行，溫度呈逐漸升高的趨勢，至K1 +017.4m溫度仍然處于上升中，K0 +905m右下角出現一出水點，水量約20m1/s，水溫59℃，水質透明，無味。在右壁K0 +972m，左壁K0 +986m處，分布一條左旋逆沖斷層，即熱水斷層，產狀N20°E/NW∠85°，該處為花崗巖與拉納山組下段分界線，上盤為拉納山組下段的砂板巖，下盤為花崗巖。K1 +010～ 1 +017.4m段，底板部分有溫泉出露，水量較小；樁號1 +017.4m掌子面中下部，分布一出水點，流量約30m1/s，水質透明，無味，泉眼周圍有較多鈣質沉積，水溫高達78℃，高地溫段隧洞溫度詳見表1［9］。

表1 隧洞高地溫段溫度統(tǒng)計表

2 溫度-應力耦合計算分析

隧道圍巖應力計算公式有平衡拱理論、太沙基理論、圍巖壓力系數法以及鐵道部隧道規(guī)范法［10］。由于引水隧洞在1#施工支洞下游控制段約200m左右穿過了熱水斷層，出現高地溫及溫泉涌水，最高水溫78℃，隧洞施工和支護、襯砌等均受到高地溫地質問題的影響。為了解隧洞結構在高地溫條件下的安全性能，采用ansys大型有限元分析軟件，建立ansys有限元模型，運用熱學理論模擬該洞段的溫度場，耦合溫度場-應力場，對隧洞襯砌結構在溫度場影響下進行應力值研究，為設計提供依據。

2.1 計算參數

在有限元計算分析時，需先設置模型的邊界條件，混凝土澆筑時的環(huán)境溫度取20OC和30OC，圍巖溫度固定取為50OC；過水后，設隧洞內部水溫為5OC，設內水壓力為0.25MPa。隧洞材料計算基本物理參數和溫度計算參數詳見表2。

表2 材料計算參數

2.2 計算方案

計算時，考慮兩種襯砌結構（厚度分別為0.40m和0.60m）于常溫和高地熱等兩種條件下在不同工況時的應力變形情況。計算方案詳見表3。

表3 計算方案表

說明：檢修工況僅考慮溫度作用，運行工況考慮溫度和內水壓力的共同作用。

2.3 計算結果分析

通過對方案1～12進行數值模擬計算，得到了常溫和高地溫條件下不同尺寸的襯砌在不同工況下的應力變形數據，具體數據詳見表4。給出常溫條件下運行工況時不同厚度襯砌的應力位移云圖，見圖1和圖2。從圖中可知，襯砌厚度為0.40m時，襯砌外表面應力峰值為0.86MPa，位移峰值為0.088mm；而襯砌厚度為0.60m時，襯砌外表面應力峰值為0.75MPa，位移峰值為0.078mm，說明襯砌厚度越大能減小襯砌的應力和位移，但應力減小幅度僅為0.11MPa。

圖1 常溫時運行工況襯砌應力云圖（單位：Pa）

圖2 常溫時運行工況襯砌位移云圖（單位：m）

混凝土澆筑環(huán)境溫度為30OC時檢修工況和運行工況時不同厚度襯砌的應力云圖，見圖3和圖4。從圖中可發(fā)現，在高地溫的環(huán)境影響下，襯砌應力主要是，在襯砌厚度為0.40m時，運行工況和檢修工況時的襯砌內表面應力峰值分別為6.03MPa、5.95MPa，在襯砌厚度為0.60m時，運行工況和檢修工況時的襯砌內表面應力峰值分別為5.99MPa、5.93MPa。說明高地溫影響時，襯砌結構的應力主要由溫度場產生，而且襯砌厚度越大，襯砌應力峰值越小，與圖1～2發(fā)現的規(guī)律相同；在襯砌結構相同的情況下，由于考慮了溫度和內水壓力的耦合作用，運行工況下的襯砌應力峰值均比檢修工況下的應力峰值大，但是相差極小，均在5%以內。對圖1和圖4進行比較，發(fā)現混凝土澆筑時的環(huán)境溫度與過水溫度差值越大，溫度應力耦合內水壓力產生的應力也越大。

圖3 混凝土澆筑環(huán)境溫度為30OC時檢修工況襯砌應力云圖（單位：Pa）

圖4 混凝土澆筑環(huán)境溫度為30OC時運行工況襯砌應力云圖（單位：Pa）

通過對數值模擬計算結果進行換算可得，在高地溫作用下，0.40m厚的襯砌沿結構周長方向的變形為0.54mm；0.60m厚的襯砌沿結構周長方向的變形為0.72mm。據統(tǒng)計，引水隧洞襯砌結構最有可能產生的裂縫，一般分布在邊墻與底板交界處或兩側拱腳，估算得到襯砌產生的裂縫開展寬度，0.40m厚的襯砌的單條裂縫開展寬度為0.14mm，0.60m厚的襯砌的單條裂縫開展寬度為0.18mm，滿足《水工隧洞設計規(guī)范》中對裂縫開展寬度的限制要求。

高地溫條件下襯砌產生的拉應力較大，峰值為6MPa左右，故結構需要配大量鋼筋，對于超靜定鋼筋混凝土結構配溫度鋼筋的目的主要是為了使裂縫的寬度得到控制。根據《水工混凝土結構設計規(guī)范》和《水工隧洞設計規(guī)范》等相關規(guī)范并通過計算，在不考慮高地溫影響情況下，0.40m厚的襯砌結構的內、外層需配Φ20螺紋鋼5根；0.60m厚的襯砌結構的內層、外層同樣需配Φ20螺紋鋼5根；而在高地溫條件下，0.40m厚的襯砌結構的內、外層需配Φ32螺紋鋼7根；0.60m厚的襯砌結構的內層、外層則需配Φ32螺紋鋼9根；具體設計詳見表4。

表4 有限元計算成果與鋼筋配筋設計表

3 施工降溫措施

針對娘擁水電站引水隧洞高地溫洞段的具體情況，參考相似工程的施工經驗［11］，例如新疆的新布倫口公格爾水電站引水隧洞、意大利亞平寧鐵路隧道、高黎貢山鐵路隧道、云南省黑白水三級電站引水隧洞及日本安房公路隧道等工程，該工程采用了以下幾點降溫措施。

（1）注入碩曲河冷水

在洞內溫泉出露點開挖集水坑，采用水泵抽自碩曲河冷水，通過Φ48mm（壁厚4mm）鍍鋅管將冷水注入洞內集水坑內，使洞內熱水與洞外冷水充分混合，洞內熱水的部分熱量被冷水吸收，可減少熱水散發(fā)在洞內空氣的熱量，降低洞內環(huán)境溫度。

（2）抽排洞內熱水

在距離掌子面一定距離位置挖一集水坑，采用2.2kW、12.5m3/h的水泵通過Φ60mm（壁厚5mm）鍍鋅管及時的將集水坑內混合水排出洞外，縮短熱水在洞內與周圍空氣進行熱交換的時間，以降低洞內環(huán)境溫度。

（3）加強通風措施

加強通風措施是降低洞內作業(yè)環(huán)境溫度、改善作業(yè)條件最重要的手段之一。在洞內高溫環(huán)境下，采用常規(guī)的單管壓入式通風難以有效的降低洞內環(huán)境溫度，特別是隨著掌子面的推進，通風效果會愈來愈差。本工程采用2×37 /115kW的通風機代替原來的2×55kW通風機，通過Φ1500mm的風管向工作面送風，起到了良好的降溫效果。

（4）噴霧降溫措施

在洞外水池接冷水水管至洞內，沿洞頂兩側各架設一根ψ100mm的輸送鋼管，安裝增壓泵和閘閥，在鋼管上每隔8～10m安設一個噴霧器，在適當時間沿洞線進行噴霧，通過水霧冷卻洞內巖面和與洞內熱空氣混合，可以有效降低洞內氣溫。同時，高壓噴霧還可以吸收洞內粉塵，降低粉塵濃度，改善施工條件。

通過采用以上綜合降溫措施，經測試，一段時間后，引水隧洞洞內溫度由原來的50℃降低至30℃以下，大大改善了施工作業(yè)環(huán)境，為隧洞順利施工創(chuàng)造了有利條件。

4 結語

以娘擁水電站的高地溫段引水隧洞為依托，采用有限元軟件中的溫度場和應力場耦合方式，對高地溫條件下和常溫條件下不同厚度的襯砌結構在不同運行工況進行計算分析，對工程的主要結論和建議如下：

（1）高地溫條件下，增加襯砌厚度可以使得襯砌結構的應力變形減小，但減小幅度有限。

（2）高地溫條件下，運行工況條件下襯砌結構的應力變形大于檢修條件下的應力變形，說明了襯砌結構的應力主要由溫度場產生，且混凝土澆筑時的環(huán)境溫度與過水溫度差值越大，溫度應力耦合內水壓力產生的應力也越大。

（3）通過計算，0.40m厚的襯砌的單條裂縫開展寬度為0.14mm，0.60m厚的襯砌的單條裂縫開展寬度為0.18mm，滿足規(guī)范要求。

（4）注入碩曲河冷水、抽排洞內熱水、加強通風及噴霧降溫等綜合降溫措施能有效改善作業(yè)環(huán)境。

（5）如果高地溫是持久的，降溫措施只能改善作業(yè)環(huán)境，而無法改變運行條件。

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TV554+.14

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1672-2469（2016）01-0109-05

2015-09-14

李書杰（1980年—），男，工程師。