高地?zé)岣叩貞?yīng)力水工隧洞襯砌穩(wěn)定性研究

李燕波　侍克斌

摘要：以新疆塔什庫(kù)爾干河齊熱哈塔爾水電站引水隧洞為例，使用ANSYS Workbench軟件建立了熱一固耦合分析模型，采用數(shù)值模擬的方法分析了高地?zé)?、高地?yīng)力、壓力水頭311.49 m條件下，水工隧洞運(yùn)行期襯砌的穩(wěn)定性。結(jié)果表明：隔熱層的設(shè)置能明顯改善一期混凝土襯砌的受力情況，襯砌平均主應(yīng)力減小約46%，但對(duì)二期混凝土幾乎沒有影響，且襯砌結(jié)構(gòu)的平均位移增大約14%：設(shè)置隔熱層能顯著提高一期混凝土的安全性，但二期混凝土除兩底角安全系數(shù)大于1外，其余部位的安全系數(shù)仍小于1；隔熱層+一期混凝土+二期混凝土組成的支護(hù)結(jié)構(gòu)有其合理之處，但必須使用高性能混凝土提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗裂性能，才能滿足工程安全的要求。

關(guān)鍵詞：隧洞；熱-固耦合；高地?zé)幔桓叩貞?yīng)力；襯砌穩(wěn)定性

近年來(lái)，隨著淺部地表資源的日益枯竭，我國(guó)逐漸加大了對(duì)地下空間的開發(fā)與利用。地下建筑在穿過(guò)不同地層時(shí)可能會(huì)遇到多種地質(zhì)災(zāi)害，其中高地?zé)崤c高地應(yīng)力問題是隧道建設(shè)中亟待解決的問題。當(dāng)埋深大于100 m時(shí)，巖體溫度和溫度應(yīng)力隨埋深的增加呈線性增大趨勢(shì)，且溫度應(yīng)力僅為自重應(yīng)力的1/9左右，因此對(duì)地下工程進(jìn)行計(jì)算時(shí)主要考慮地應(yīng)力，可忽略溫度應(yīng)力。但近年來(lái)國(guó)內(nèi)外遇到的一些工程與上述情況并不相符，如：日本安房公路隧道最大埋深為0.7 km，地溫達(dá)75℃；新疆塔什庫(kù)爾干河齊熱哈塔爾水電站引水隧洞最大埋深為1.8 km，地溫最高達(dá)100℃，在全世界范圍內(nèi)尚屬首例。在此類地?zé)釣?zāi)害十分嚴(yán)重的地下工程中，只考慮地應(yīng)力而忽略溫度應(yīng)力顯然是不合理的。由此可見，對(duì)隧道高地?zé)?、高地?yīng)力耦合問題進(jìn)行研究具有重要意義。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)隧道地?zé)釣?zāi)害的研究側(cè)重于地溫場(chǎng)分布、圍巖溫度預(yù)測(cè)，以及高地溫條件下混凝土和支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，隧道地應(yīng)力場(chǎng)的研究側(cè)重于施工期隧道圍巖穩(wěn)定性、破壞機(jī)制和巖爆預(yù)測(cè)等，對(duì)高地?zé)帷⒏叩貞?yīng)力條件下隧洞運(yùn)行期襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究較少。鑒于此，本文以新疆齊熱哈塔爾水電站引水隧洞為例，采用ANSYS Workbench軟件建立熱-固耦合分析模型，綜合考慮高地?zé)?、高地?yīng)力等荷載對(duì)引水隧洞進(jìn)行數(shù)值模擬，分析襯砌結(jié)構(gòu)在運(yùn)行期的受力特性，以期為類似工程建設(shè)提供參考。