溫度變化下圍巖參數(shù)對隧洞噴層結(jié)構(gòu)溫度和應(yīng)力的影響

姜海波，吳鵬，張軍

（1石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子832003；2新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

溫度變化下圍巖參數(shù)對隧洞噴層結(jié)構(gòu)溫度和應(yīng)力的影響

姜海波1，吳鵬2，張軍2

（1石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子832003；2新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

在高地溫環(huán)境下，地下洞室氣溫及圍巖溫度的變化會(huì)導(dǎo)致圍巖應(yīng)力、混凝土噴層溫度和應(yīng)力的改變，為了研究圍巖參數(shù)隨溫度變化時(shí)對混凝土噴層溫度和應(yīng)力的影響，結(jié)合新疆某電站引水隧洞工程，研究高地溫對圍巖力學(xué)參數(shù)的影響，分析圍巖參數(shù)隨溫度變化時(shí)對混凝土噴層溫度和應(yīng)力的影響機(jī)制，分別對圍巖和噴層的熱力學(xué)參數(shù)隨溫度變化時(shí)對噴層的溫度和應(yīng)力的影響進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明，當(dāng)溫度從20℃升高至100℃時(shí)，圍巖彈模、比熱、導(dǎo)熱系數(shù)和線膨脹系數(shù)隨溫度變化時(shí)對噴層應(yīng)力影響不超過5%；混凝土彈模、比熱、導(dǎo)熱系數(shù)和線膨脹系數(shù)參數(shù)隨溫度變化時(shí)對噴層受力影響不超過5%，溫度升高對噴層應(yīng)力的影響較小。該問題的研究，為高地溫區(qū)圍巖噴層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工中采取合理的溫控措施提供了理論依據(jù)。

引水隧洞；圍巖參數(shù)；混凝土噴層；溫度；噴層應(yīng)力

高地溫環(huán)境下的巖石工程問題，已成為巖石力學(xué)發(fā)展的新方向[1]。溫度變化引起地下洞室圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)熱力學(xué)參數(shù)的變化，熱力學(xué)參數(shù)隨溫度變化時(shí)對圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形的影響是顯而易見的，但各參數(shù)的影響程度卻存在一定的差異性[2]。

為研究力學(xué)參數(shù)隨溫度的變化規(guī)律，V Rocchi[3]對2種火山巖在高溫低壓條件下的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出了火山巖的峰值強(qiáng)度、彈性模量、應(yīng)變率、脆性隨溫度的變化關(guān)系。Ferrero A M 和Marini P[4]對意大利黑、白大理巖在230℃-600℃高溫條件下的密度進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了密度對大理巖力學(xué)行為的影響機(jī)理。Zhang L Y[5]對大理巖、石灰?guī)r、砂巖從室溫至800℃下的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，探討了不同溫度下3種巖石的峰值強(qiáng)度、峰值應(yīng)變和彈性模量的特性和隨溫度的變化規(guī)律。Luo J A和Wang L G[6]對煤炭地下氣化過程中泥巖的高溫力學(xué)性能進(jìn)行了研究。吳剛等[7]研究了高溫環(huán)境下砂巖的劣化機(jī)理，分析了高溫狀態(tài)下砂巖的表觀形態(tài)、峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變、彈性模量、泊松比以及應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程曲線等的變化規(guī)律。許錫昌等[8]研究了20℃-600℃三峽壩區(qū)新鮮細(xì)粒花崗巖單軸壓縮下的主要力學(xué)參數(shù)隨溫度的變化規(guī)律。夏小和等[9]采用液壓伺服剛性巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對100℃-800℃高溫作用下大理巖的強(qiáng)度及變形特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析了其強(qiáng)度及變形特征變化的統(tǒng)計(jì)規(guī)律和作用機(jī)理。梁衛(wèi)國等[10]通過試驗(yàn)對無水芒硝鹽巖試件60℃時(shí)剪切損傷、120℃時(shí)加熱再結(jié)晶的剪切力學(xué)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。李道偉等[11]對不同溫度下的大理巖進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)，研究表明高溫后大理巖單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量都大幅度降低了。倪驍慧等[12]通過單軸壓縮試驗(yàn)和細(xì)觀損傷特征量化試驗(yàn)，對經(jīng)歷5種溫度循環(huán)后的四川錦屏大理巖試樣的宏觀力學(xué)性質(zhì)及相應(yīng)的細(xì)觀損傷特征進(jìn)行了研究。吳忠等[13]對鶴壁六礦煤層頂板砂巖試件在高溫下和高溫后的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，揭示了砂巖強(qiáng)度和變形特征隨溫度的變化規(guī)律。朱合華等[14]通過單軸壓縮試驗(yàn)，研究了高溫下熔結(jié)凝灰?guī)r、花崗巖及流紋狀凝灰角礫巖峰值應(yīng)力與縱波波速、峰值應(yīng)變與縱波波速的關(guān)系。

綜合以上研究結(jié)果，國內(nèi)外學(xué)者對地下工程巖體隨溫度變化的物理力學(xué)特性及其相關(guān)問題進(jìn)行了較深入的研究[15-18]，但對高地溫地下洞室混凝土噴層結(jié)構(gòu)隨溫度變化時(shí)的力學(xué)特性及其影響因素方面的研究比較少。為了研究引水隧洞圍巖和噴層的熱學(xué)參數(shù)隨溫度變化對噴層的溫度和應(yīng)力的影響機(jī)制，本文以新疆某水電站高地溫引水隧洞工程為例，結(jié)合國內(nèi)外學(xué)者對該問題的研究成果，分析溫度變化范圍內(nèi)相關(guān)參數(shù)變化對支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的影響，研究成果可為高地溫區(qū)圍巖混凝土噴層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工提供理論參考依據(jù)。

1 高地溫對圍巖力學(xué)參數(shù)的影響

巖石在高溫條件下的力學(xué)特性與巖石的類別有關(guān)[19]。對于高強(qiáng)度的結(jié)晶巖石(石英巖、白云巖、菱鐵礦等)，溫度升高使其力學(xué)性能降低；而對于強(qiáng)度較低的非結(jié)晶巖石，溫度升高對不同的參數(shù)則有不同影響。

新疆某水電站發(fā)電引水隧洞圍巖類別為Ⅲ類，圍巖巖性為S～D2二云母石英片巖夾石墨片巖，巖石較堅(jiān)硬，呈中厚層狀。從現(xiàn)場監(jiān)測到的溫度來看(圖1)，施工期巖體最高溫度達(dá)到100℃左右，而引水隧洞運(yùn)行期的過水水溫又低至0-3℃，溫度變化對圍巖及其混凝土噴層溫度和應(yīng)力的影響是高溫洞段的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)考慮的因素。

溫度較高時(shí)圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)的熱學(xué)參數(shù)和力學(xué)參數(shù)會(huì)發(fā)生明顯的變化，其中變化較為明顯的參數(shù)有導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、對流系數(shù)、線熱膨脹系數(shù)和密度等。

圖1 引水隧洞計(jì)算分析簡圖及測點(diǎn)布置圖Fig.1 Calculation analysis diagram and measure point placement of the tunnel

1.1 高地溫對圍巖彈性模型的影響

通過現(xiàn)場監(jiān)測試驗(yàn)得出幾種典型巖石的彈性模量隨溫度變化的規(guī)律，如表1所示。由表1可以看出，巖石的彈性模量隨溫度升高而逐漸減小，但減小的規(guī)律是不同的。

表1 不同溫度下巖石的彈性模量Tab.1 Elastic modulus on surrounding rock at different temperatures

1.2 高地溫對圍巖導(dǎo)熱系數(shù)的影響

巖石的導(dǎo)熱系數(shù)受外界環(huán)境溫度、巖石孔隙率、巖石組成及含水飽和度的影響較大。根據(jù)前蘇聯(lián)P.u.庫塔斯和B.B.戈?duì)柕隙骺频难芯浚跍囟葹?0-100℃時(shí)，沉積巖的導(dǎo)熱系數(shù)與溫度之間存在經(jīng)驗(yàn)公式：

上式中：λ 為 T℃時(shí)巖石的導(dǎo)熱系數(shù)，單位 W/ (m·℃)；λ20為20℃時(shí)巖石的導(dǎo)熱系數(shù)，單位 W/ (m·℃)；T為巖石的溫度，單位℃。

水電站現(xiàn)場測試巖石為云母石英片巖是由沉積巖在中級變質(zhì)時(shí)形成的。因此，巖石導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化的取值可按式(1)計(jì)算。

1.3 高地溫對圍巖比熱的影響

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的試驗(yàn)結(jié)果[20]，巖石的比熱隨溫度的升高而增加。在200℃以內(nèi)，巖石的比熱與溫度近似成線性關(guān)系，可用下式表示：

式（2）中：C為T℃時(shí)巖石的比熱，單位J/Kg·℃；為0℃時(shí)巖石的比熱；ψ 為巖石比熱的溫度影響系數(shù)，一般取3×10-3J/Kg·℃。

1.4 高地溫對圍巖線膨脹系數(shù)的影響

線膨脹系數(shù)主要受巖石類型和溫度的影響，且隨著溫度的升高近似線性增加。根據(jù)前人研究的成果，線膨脹系數(shù)與溫度變化的關(guān)系為[21]：LETC=0.0448T+ 4.896，常溫(15℃)時(shí)線膨脹系數(shù)為4.896。表2為圍巖溫度變化時(shí)各個(gè)參數(shù)按上述計(jì)算方法得出的變化值表。

表2 圍巖參數(shù)隨溫度變化表Tab.2 The parameters of surrounding rock varies with temperature

圍巖參數(shù)是隨溫度變化而逐漸變化的。為了研究溫度變化時(shí)圍巖參數(shù)隨噴層溫度變化的規(guī)律，通過現(xiàn)場監(jiān)測與試驗(yàn)，與巖石參數(shù)在整個(gè)分析過程中是恒定的情況分別進(jìn)行計(jì)算，并進(jìn)行計(jì)算與對比分析。計(jì)算結(jié)果如表3、表4所示，圖2為圍巖參數(shù)隨溫度變化時(shí)噴層溫度變化規(guī)律，圖3為圍巖參數(shù)隨溫度變化時(shí)噴層應(yīng)力的變化規(guī)律。

表3 圍巖參數(shù)隨溫度變化時(shí)噴層內(nèi)外側(cè)溫度值Tab.3 Internal and external temperature of shotcrete layer with the parameters of surrounding rock varies with temperature

表4 圍巖參數(shù)隨溫度變化時(shí)噴層關(guān)鍵部位應(yīng)力值Tab.4 Key parts stress of shotcrete layer with the parameters of surrounding rock varies with temperature

圖2 圍巖參數(shù)隨溫度變化時(shí)噴層溫度變化Fig.2 Temperature of shotcrete layer with the parameters of surrounding rock varies with temperature

圍巖比熱隨著溫度升高而升高時(shí)，噴層的內(nèi)側(cè)溫度較初始狀態(tài)升高了不到1%，噴層外側(cè)溫度較初始狀態(tài)升高了3%。圍巖導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度升高而降低時(shí)，噴層內(nèi)側(cè)溫度較初始狀態(tài)降低了不到1%，噴層外側(cè)溫度較初始狀態(tài)降低了3%。究其原因主要是：導(dǎo)熱系數(shù)降低，圍巖的熱傳導(dǎo)能力減小，所以圍巖深部溫度傳遞的速度就減小了，從而導(dǎo)致噴層的溫度降低。圍巖彈模及線膨脹系數(shù)僅影響自身的受力特性，對溫度場無影響。

從表3和圖3可以看出：圍巖彈模隨溫度升高而減小，噴層受力增大，噴層拱頂受力比初始狀態(tài)提高了4%左右；圍巖比熱隨溫度升高而增大，噴層拱頂受力和初始狀態(tài)是基本相同；圍巖導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而降低，噴層受力降低，噴層拱頂受力比初始狀態(tài)降低了1%左右；圍巖線膨脹系數(shù)隨著溫度的升高而升高，拱頂?shù)睦瓚?yīng)力增大1%。

圖3 圍巖參數(shù)隨溫度變化時(shí)噴層應(yīng)力變化Fig.3 Stress of shotcrete layer with the parameters of surrounding rock varies with temperature

2 高溫對圍巖噴層溫度和應(yīng)力的影響

2.1 高溫對混凝土彈性模量的影響

溫度升高時(shí)混凝土內(nèi)部出現(xiàn)裂縫，組織松弛，使得混凝土變形增大，彈性模量降低。不同骨料對混凝土彈性模量影響較大。同濟(jì)大學(xué)陸洲導(dǎo)教授測得的混凝土彈性模量隨溫度變化采用分段函數(shù)，進(jìn)行線形擬合后給出的模型表達(dá)式為：

2.2 高溫對混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響

隨著溫度的提高，混凝土的熱傳導(dǎo)系數(shù)會(huì)逐漸減小。清華大學(xué)過鎮(zhèn)海教授提出了一般混凝土的熱傳導(dǎo)系數(shù)計(jì)算公式：

總體而言，混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而減小，大致在2.0～0.5 w/m.K范圍內(nèi)變化。

2.3 高溫對混凝土比熱的影響

混凝土作為一種復(fù)合材料，影響其比熱的因素較多，其中主要因素有骨料類型、配合比和含水量等，其值也隨著溫度的升高而緩慢增大。EurocodeZ給出了不同溫度下混凝土比熱的計(jì)算式：

2.4 高溫對混凝土線膨脹系數(shù)的影響

混凝土是熱惰性材料，傳熱性能較差，在短時(shí)間內(nèi)整個(gè)界面的溫度很難達(dá)到穩(wěn)定，沿噴層結(jié)構(gòu)厚度方向上存在不均勻的溫度場，使噴層內(nèi)部受約束而不能自由膨脹。由于影響混凝土熱膨脹系數(shù)的因素較多，為了簡化計(jì)算，按照T.TLie不考慮骨料的影響，直接給出混凝土的熱膨脹系數(shù)隨溫度變化的關(guān)系：

綜合以上分析，表5給出了溫度變化時(shí)混凝土噴層各個(gè)參數(shù)按上述計(jì)算的變化值。

表5 混凝土噴層參數(shù)隨溫度變化時(shí)的計(jì)算值Tab.5 The parameters of concrete varies with temperature

噴層參數(shù)是隨溫度變化而變化的。為了分析溫度變化時(shí)混凝土參數(shù)隨噴層結(jié)構(gòu)溫度和應(yīng)力的變化規(guī)律，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測試驗(yàn)，以及假定噴層參數(shù)在整個(gè)分析過程中是恒定的分別進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算分析結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 噴層參數(shù)隨溫度變化時(shí)噴層溫度變化圖Fig.4 Temperature of shotcrete layer with the parameters of shotcrete layer varies with temperature

圖5 噴層參數(shù)隨溫度變化時(shí)噴層應(yīng)力變化圖Fig.5 Stress of shotcrete layer with the parameters of shotcrete layer varies with temperature

從圖5可以看出：當(dāng)溫度變化時(shí)，噴層彈模隨溫度升高而減小，噴層受力降低，噴層拱頂受力比初始狀態(tài)降低了3%；比熱隨溫度的升高而增大，而噴層受力幾乎沒有變化；導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而降低，噴層受力升高。究其原因主要是噴層的溫差增大，噴層拱頂受力比初始狀態(tài)升高了1%；噴層線膨脹系數(shù)隨著溫度的升高而升高，噴層拉應(yīng)力增大，拱頂?shù)睦瓚?yīng)力比初始狀態(tài)增大了1%。

綜上所述可知：溫度變化時(shí)，混凝土彈模、比熱、導(dǎo)熱系數(shù)和線膨脹系數(shù)參數(shù)對噴層受力的影響基本不超過5%。其機(jī)制主要是：因?yàn)闇囟茸兓秶^小，對噴層應(yīng)力影響較小，在圍巖噴層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可不計(jì)其影響。

3 結(jié)論與討論

(1)當(dāng)圍巖和噴層溫度升高時(shí)，巖石和混凝土噴層彈性模量和導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)降低、線膨脹系數(shù)和比熱會(huì)升高，由于圍巖和噴層的溫度變化范圍相對較小，所以參數(shù)變化幅度也較小，參數(shù)的變化對于噴層拱頂?shù)沫h(huán)向應(yīng)力的影響都不超過5%，可以不考慮溫度變化時(shí)圍巖和噴層參數(shù)對噴層應(yīng)力的影響。

(2)由于巖石、混凝土噴層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在現(xiàn)場監(jiān)測與試驗(yàn)過程中很可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)的離散性，巖體、混凝土噴層的熱力學(xué)參數(shù)的計(jì)算取值更多地是依靠經(jīng)驗(yàn)公式，不能排除試樣個(gè)體差異性對規(guī)律現(xiàn)象的干擾，因此本文結(jié)論還需要通過更多的工程實(shí)踐加以驗(yàn)證。

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Influence of temperature in tunnel and surrounding rock on temperature and thermal stress of lining concrete of diversion tunnel

Jiang Haibo1,Wu Peng2,Zhang Jun2
(1 College of Water Conservancy＆ Architectural Engineering,Shihezi University,Shihezi,Xinjiang 832003,China；2 Xinjiang Survey and Design Institute for Water Resources and Hydropower,Urumqi,Xinjiang 830000,China)

The change of rock internal microstructure along with temperature increasing leads to the variation of surrounding rock stress,strain and temperature of concrete shotcrete layer.The temperature and the thermal stress of the lining concrete will affect the strain and temperature of concrete shotcrete layer,and its influence mechanism was discussed.It is very important to control stability of supporting structure.Taking Xinjiang’s diversion tunnel as a research object,through comparing the maximum temperature,maximum temperature difference between inner and surface,minimum temperature,maximum tensile stress in early period and winter,the effects of the change of temperature in tunnel and surrounding rock on the temperature and thermal stress of the lining concrete as well as occurrence,development and control of the temperature cracks are analyzed. The results show that both the temperature in tunnel and the temperature of surrounding rock have no significant influences on the temperature field and stress field of the lining concrete.The deformation modulus of rock mass,specific heat,thermal conductivity,coefficient of linear expansion of rock have smaller changes in temperature between 20℃ to 100℃ and the influence of temperature stress of shotcrete layer is small.The research results provide valuable references for the design and construction of tunnel engineering.

diversion tunnel;mechanical parameter of surrounding rock;concrete shotcrete layer;temperature;stress of shotcrete layer

U661.32

A

10.13880/j.cnki.65-1174/n.2017.01.08

1007-7383(2017)01-0046-05

2016-08-22

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51408377)，石河子大學(xué)杰出青年科技人才培育計(jì)劃(2015ZRKXJQ06)

姜海波（1982-），男，副教授，從事地下洞室抗凍及穩(wěn)定性研究，e-mail：klaud_123@163.com