新疆公格爾高溫引水隧洞圍巖溫度場試驗研究

姚顯春，李 寧，余春海，郭 宇(1.西安理工大學(xué)巖土工程研究所，陜西 西安 710048；2．西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室，陜西 西安 710048；.水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 80000)

在具有特殊地理和地質(zhì)條件下，由于地質(zhì)構(gòu)造、巖性等多種因素的共同作用，賦存于地殼深部的熱量受工程活動的影響源源不斷地補充至地下工程圍巖區(qū)，形成高巖溫區(qū)，給工程帶來嚴重影響。在西部高原區(qū)域的大中型引水發(fā)電工程中，隨著水電工程向縱深發(fā)展，穿越高地溫區(qū)域的情況多有發(fā)生。已經(jīng)遇到高地溫現(xiàn)象的水電工程有云南黑白水三級電站、四川娘擁水電站及鄉(xiāng)城水電站[1]、新疆布侖口-公格爾水電站[2]、齊熱哈塔爾水電站等[3]工程，在隧洞開挖過程中，受復(fù)雜區(qū)域構(gòu)造、地層巖性、水文地質(zhì)條件等因素的影響，開挖過程中出現(xiàn)高地溫、高溫熱水大量涌出的情況。

巖體溫度的分布直接影響到隧道(洞)開挖后圍巖受力特性，從而影響到支護結(jié)構(gòu)的受力特性。因此，研究高溫下隧道(洞)穩(wěn)定及支護受力特性的基礎(chǔ)是得到隧洞圍巖溫度的分布。然而，由于地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜性以及地層巖性的各向異性等特征，確定高巖溫隧洞溫度場產(chǎn)生的原因、規(guī)模、范圍與量值等方面困難重重。當前國內(nèi)學(xué)者主要采用數(shù)值模擬，基于從熱傳導(dǎo)方程的解析推導(dǎo)以及試驗為基礎(chǔ)的反演進行溫度場確定。如陳尚橋等[4]在歸納分析地溫場評價常用方法的基礎(chǔ)上，提出了采用數(shù)值模擬反演的方法對深埋隧洞地溫進行評價。王賢能等[5]在考慮了工程中地溫場受地下水對流的影響后，推導(dǎo)了熱傳導(dǎo)—對流型方程的有限元法，以該方法探討了錦屏山深埋長隧洞溫度場的分布特征，著重分析了地下水對溫度場的影響。此外，通過理論解析推導(dǎo)，結(jié)合現(xiàn)場實測驗證的方法，來求解確定溫度場。如陳永萍等[6]在對鉆孔資料分析的基礎(chǔ)上，通過建立的秦嶺隧洞巖溫預(yù)測經(jīng)驗公式對該隧洞巖溫進行了預(yù)測。舒磊等[7]通過分析羊八井隧洞的地質(zhì)條件及羊八井地熱田的特征及分布規(guī)律，提出隧洞處于“正常增溫區(qū)”，對羊八井隧洞地溫做了計算預(yù)測。劉乃飛等[8]采用解析方法研究了高溫隧洞圍巖和支護結(jié)構(gòu)的溫度分布規(guī)律。周小涵等[9]根據(jù)能量守恒定律，建立隧道空氣-隧道襯砌-高溫圍巖的二維非穩(wěn)態(tài)傳熱有限差分方程，分析季節(jié)性風(fēng)溫、不同程度高地溫和鋪設(shè)隔熱層等對高地溫隧道傳熱的影響，得到了隧道開挖后，圍巖溫度隨自然風(fēng)變化的規(guī)律。王明年等[10]通過三維熱分析和現(xiàn)場溫度測試，研究了高巖溫鐵路隧道施工過程中，圍巖、初期支護和二次襯砌的溫度變化規(guī)律，指出隧道開挖對圍巖溫度場的影響范圍與圍巖初始溫度呈正相關(guān)關(guān)系，隧道初期支護、二次襯砌的降溫方式表現(xiàn)為突變式降溫，即在5～7d內(nèi)溫度快速下降，然后基本恒定為隧道洞內(nèi)空氣溫度。

本文依托新疆公格爾水電站引水隧洞工程，布置溫度監(jiān)測試驗洞，通過埋設(shè)自研制的深部巖體測溫儀，進行隧洞不同深部圍巖體溫度的測試，分析不同條件下的隧洞圍巖及支護結(jié)構(gòu)溫度分布特征與規(guī)律，并應(yīng)用解析方法與現(xiàn)場試驗結(jié)果進行對比分析，為進一步進行高溫下隧洞圍巖支護結(jié)構(gòu)受力特性的耦合機制研究奠定基礎(chǔ)。

1 工程背景與試驗方案

1.1 工程背景

新疆公格爾水電站位于克爾柯孜自治州阿克陶縣境內(nèi)的蓋孜河上，引水隧洞全長約20 km，埋深100～280 m。在勘察設(shè)計階段，發(fā)現(xiàn)其中4 km(樁號發(fā)2+688 m～6+799 m)圍巖溫度高。后在施工開挖過程中，量測的高溫洞段巖體普遍溫度達到50～70 ℃，洞壁圍巖鉆孔內(nèi)監(jiān)測到局部最高巖溫達105 ℃。該工程所遇到的地溫之高和范圍之廣在國內(nèi)外水電建設(shè)中實數(shù)罕見。同時，由于該水電站進庫來水來源主要為雪山融水，運行期過水溫度常年將保持在0～10 ℃。高巖溫與低水溫二者產(chǎn)生的高溫差對隧洞圍巖及支護結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)將產(chǎn)生極其不利影響。

為了保障高溫差環(huán)境下引水隧洞圍巖穩(wěn)定、支護結(jié)構(gòu)內(nèi)安全，進行有效設(shè)計，從而滿足引水隧洞各工況下安全的要求，解決實際工程建造中的問題，需要對該引水隧洞高溫洞段在不同工況下的圍巖溫度場進行現(xiàn)場試驗研究。

1.2 試驗方案

本次實驗為了避免對引水隧洞施工開挖的過多干擾，在分析已開挖高溫洞段的高溫分布情況及地質(zhì)情況的基礎(chǔ)上，在引水隧洞高溫段4 km范圍內(nèi)的樁號發(fā)4+530、發(fā)4+550處分別布置了2#、1#試驗洞。試驗洞軸線垂直于已開挖引水隧洞主洞軸線向山體內(nèi)延伸，為3 m洞徑的圓形洞。自洞口開始，2#試驗洞前5 m為不支護段，后12 m為襯砌支護洞段。1#試驗洞前2 m洞段不噴護，后9 m進行噴層支護，分為三段，其中自洞口開始前3 m洞段采用聚酯纖維混凝土，接下來中間3 m采用鋼纖維混凝土，其余3 m采用混凝土噴層掛網(wǎng)，噴層厚度為15 cm 。

為了全面觀測高溫隧洞受地溫影響不同工況條件下洞周圍巖、支護結(jié)構(gòu)內(nèi)部及洞內(nèi)溫度分布規(guī)律，在試驗洞進行了如下試驗：圍巖內(nèi)部溫度分布觀測試驗、洞內(nèi)環(huán)境溫度觀測試驗、支護結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度觀測試驗。

在試驗洞拱腰位置，沿試驗洞軸線方向每3 m布置1個圍巖溫度觀測鉆孔，在試驗洞掌子面中心也布置1個測溫鉆孔。每個測溫鉆孔為垂直于洞壁施做的水平鉆孔，深度為3～8 m，2個試驗洞共布設(shè)了9個測溫鉆孔，45個測溫探頭。根據(jù)測溫儀的尺寸，鉆孔孔徑不超過8 cm。圖1為1#試驗洞布置圖。測溫鉆孔1在試驗洞掌子面處，其余測溫鉆孔2，3，4依次由洞內(nèi)向洞外布置，測溫鉆孔1中的測溫探頭①、②、③、④離洞壁距離依次為4.5，3.5，2.5，0.5 m。而對于其余2，3，4鉆孔，測溫孔深度為3 m，其對應(yīng)的測溫探頭①、②、③、④離洞壁距離依次3.0，2.0，1.0，0.2 m。

圖1 試驗洞布置圖Fig.1 Diagram of the test tunnel

圍巖內(nèi)部溫度監(jiān)測采用自行設(shè)計的特殊隧洞圍巖深部巖體測溫儀(圖2、圖3)進行測量。由于溫度較高，該測溫儀上有4～8個測溫探頭，使用時放入事先鉆好的鉆孔內(nèi)，通過調(diào)整相鄰測溫探頭之間的距離，可實現(xiàn)測定不同深度圍巖內(nèi)部溫度。

圖2 深部巖體測溫儀(單位:m)Fig.2 Temperature monitor probe (m)

圖3 隧洞深部巖體測溫儀Fig.3 Tunnel rock temperature monitor

為了系統(tǒng)掌握洞內(nèi)環(huán)境的溫度分布狀況，為圍巖內(nèi)部溫度提供參考，對洞內(nèi)環(huán)境溫度進行定期監(jiān)測，采用溫度計或手持式紅外溫度儀進行監(jiān)測。監(jiān)測范圍包括試驗洞及已開挖引水隧洞高溫段。

支護結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度監(jiān)測主要是襯砌內(nèi)部溫度分布監(jiān)測。襯砌溫度監(jiān)測采取同樣的方式，考慮到襯砌較厚，在襯砌澆筑時，在襯砌中間布設(shè)1個溫度觀測探頭，根據(jù)不同的襯砌厚度以及是否設(shè)置保溫層，溫度儀器布設(shè)數(shù)量不同。對于無保溫層的40 cm厚度的混凝土襯砌，在噴層與襯砌間及在襯砌中間預(yù)制溫度探頭，同時在襯砌表層設(shè)置溫度探頭，配合之前設(shè)置在圍巖內(nèi)部的溫度探頭，共計溫度探頭3個；對于有保溫層的襯砌，由于在保溫層前后設(shè)置溫度探頭，因此，需要溫度探頭4個；在混凝土剛澆筑完畢后，中間的測溫計可測得由水泥水化熱所產(chǎn)生的溫度，從而將圍巖導(dǎo)熱的溫度分開。

試驗工作分為三個階段，其中8月至12月為第一階段，這一階段主要監(jiān)測施工期隧洞圍巖溫度及支護結(jié)構(gòu)溫度場變化規(guī)律。第二階段為第二年4月8日至4月17日，該階段主要對試驗洞過水之后(模擬隧洞運行期)洞周圍巖、支護結(jié)構(gòu)、洞內(nèi)環(huán)境溫度進行監(jiān)測，第三階段為第二年4月17日至5月，對隧洞放空水之后(檢修期)洞周圍巖、支護結(jié)構(gòu)、洞內(nèi)環(huán)境溫度進行監(jiān)測。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 開挖及空置期測試結(jié)果

圖4為2#試驗洞施工及空置期鉆孔1，2圍巖溫度變化曲線。自8月19日安裝測溫探頭，開始測量，2#試驗洞測溫鉆孔1內(nèi)①號探頭所測得溫度約為80 ℃，即離開挖試驗洞洞壁4.5 m深度圍巖處溫度為80 ℃。自4.5 m圍巖深部開始，靠近洞壁，巖體溫度值依次遞減，即②、③、④號探頭測得的溫度值依次遞減，遞減幅度為5～15 ℃。洞壁與深部圍巖最大溫差為34 ℃。

圖4 施工期圍巖溫度曲線Fig.4 Temperature curve of the surrounding rocks during the construction period

在不同時間相同位置測得的溫度值起伏變化波動，波動最大數(shù)值20 ℃，如①號探頭8月20日測得最大溫度79 ℃，而在8月28日測得的溫度值為59 ℃。排除環(huán)境氣溫因素及施工通風(fēng)降溫因素，由地質(zhì)因素分析該隧洞高溫的原因是由于在該部位存在石墨夾層，其源源不斷把巖層深部熱量傳導(dǎo)至上部。因此，分析不同時間相同位置測得的溫度值起伏變化波動的主要原因是由于石墨導(dǎo)向地表的熱量在波動變化。

圖5為施工期2#試驗洞不同測溫鉆孔內(nèi)相同圍巖深度溫度對比圖(以每一鉆孔內(nèi)最深部的①號探頭溫度值為例，其余溫度探頭值有相同的規(guī)律)。測溫鉆孔1的①號探頭溫度明顯高于其余4個鉆孔的①號探頭溫度。測溫鉆孔1的①號探頭由于設(shè)置深度較大(4.5 m)，其溫度較大。但對于測溫鉆孔2，3，4，5測溫鉆孔①號探頭設(shè)置深度均為3 m，其溫度值也表現(xiàn)出有規(guī)律明顯的差異。分析其原因是由于受主洞通風(fēng)管長期的通風(fēng)散熱作用，使得靠近引水隧洞主通風(fēng)管的試驗洞口處巖體溫度小于其掌子面附近巖體的溫度。同時，主通風(fēng)管的通風(fēng)散熱作用使得試驗洞口測點(測溫鉆孔4，5)內(nèi)各探頭溫度梯度降較小。

圖5 不同測溫鉆孔溫度對比曲線Fig.5 Temperature contrast curve of different holes for temperature measurements

自9月1日開始，2#試驗洞處于空置期。由于受鄰近1#試驗洞(兩試驗洞軸線距離20 m)噴層施做的影響，2#試驗洞各測點溫度探頭所測圍巖溫度值逐漸增大，直到9月7日達到最大值。此后，隨著1#試驗洞噴層施工的結(jié)束，圍巖各測點溫度值逐漸回落。在9月20日，由于受2#試驗洞自身噴層施工的影響，各測點溫度再次升高達到峰值(測溫鉆孔1測溫探頭①的溫度值達到73 ℃)。施工對于圍巖溫度有較大的影響。

為了測試不同深度圍巖溫度值變化，在樁號為發(fā)4+575引水隧洞拱腰位置靠近山體一側(cè)(水流方向右側(cè))設(shè)置了1個7 m測溫鉆孔。圖6為該測溫鉆孔內(nèi)不同深度圍巖溫度變化曲線。在圍巖4.5～7.0 m深度，溫度值保持在恒值近80 ℃，此溫度值不發(fā)生變化，認為該溫度值為原始巖體溫度值。通過現(xiàn)場溫度實測，可以看出，離隧洞中心一定距離，圍巖溫度趨于穩(wěn)定。從距離洞壁深度4.5 m處開始，圍巖溫度以指數(shù)形式遞減。

圖6 不同深度圍巖溫度曲線Fig.6 Temperature curve at different depths of the surrounding rocks

本次試驗中， 2#試驗洞測溫鉆孔1的圍巖溫度在離洞壁4.5 m處，即離洞中心6.0 m深度處，圍巖溫度值隨離洞壁距離增加，逐漸衰減，圍巖洞壁與離隧洞中心6.0 m圍巖深部的溫度相差近35 ℃。隧洞開挖擾動對于巖體溫度場的影響半徑約為2倍的開挖洞徑。

2.2 試驗洞襯砌施工期測試結(jié)果

圖7為2#試驗洞襯砌施工期圍巖溫度變化圖。自10月1日開始，2#試驗洞復(fù)合襯砌施工，首先進行襯砌隔熱材料敷設(shè)。在此期間，由于通風(fēng)作用，風(fēng)溫較低(測得風(fēng)溫為18.5 ℃)，各測溫鉆孔圍巖溫度降低，降低幅度達到10 ℃左右(鉆孔2，3，4)。在完成隔熱材料敷設(shè)后，圍巖溫度回升，上升幅度最大達到15 ℃(鉆孔2)。10月20日，5個測溫鉆孔不同深度處探頭所測得圍巖溫度值升高，鉆孔2圍巖最深處(探頭①，離洞壁3.0 m)圍巖溫度達到86 ℃，與圍巖最淺處(探頭④，0.2 m)溫差達到近20 ℃。而鉆孔4(靠近通風(fēng)口)由于圍巖洞壁受通風(fēng)影響較大，洞壁附近溫度降低，使得該位置圍巖最深處(探頭①，離洞壁3.0 m)與圍巖最淺處(探頭④，0.2 m)溫差近30 ℃。

處于高巖溫環(huán)境中的引水隧洞，盡管在施工期采用各種降溫措施，完成施工建設(shè)，但是高巖溫沒有因為施工期的結(jié)束而消退，甚至由于隧洞支護結(jié)構(gòu)施做的封閉，溫度會進一步上升。如由于澆筑襯砌混凝土施工，測溫鉆孔2深處(探頭①，離洞壁3.0 m)圍巖溫度升高達到86 ℃。

圖7 襯砌施工期圍巖溫度變化圖Fig.7 Temperature variation in the surrounding rocks during the lining construction

高溫隧洞施工期，隧洞內(nèi)熱氣騰騰，能見度低，施工人員進入工作面后在較短時間內(nèi)就會使人感覺胸悶，時間稍長即眩暈嘔吐。施工作業(yè)人員不僅要承受完成作業(yè)內(nèi)容時帶來的熱負荷，同時也要承受高溫熱環(huán)境帶來的熱負荷，造成作業(yè)人員傷病多，施工效率降低。同時，由于通風(fēng)降溫、采取隔熱等措施的原因，造成施工工序多，作業(yè)循環(huán)時間長，施工進度緩慢，與文獻[11]～[13]所述相同。

在現(xiàn)場實驗過程中，發(fā)現(xiàn)高溫環(huán)境下，化學(xué)加速作用和拌和水的快速蒸發(fā)使混凝土在搗實之前快速變硬，水分的蒸發(fā)引起混凝土收縮及表面龜裂，與文獻[14]、[15]的研究結(jié)果相同。

2.3 試驗洞進水運行期及檢修期測試結(jié)果

圖8為2#試驗洞1次過水前后圍巖溫度分布變化圖。隧洞進水采用從河道抽水泵入試驗洞，水體溫度為0 ℃(冰水混合物)。進水前各測點溫度波動不大，圍巖最深處溫度最高在65 ℃。試驗洞過水之后圍巖溫度升高，其最高溫度達到近90 ℃(測溫鉆孔4)，深部與洞壁圍巖溫度差近40 ℃，但很快深部圍巖溫度值回落。這是因為試驗洞洞口封閉良好，泵入的水壓縮洞內(nèi)空氣，使得其進入圍巖裂隙，圍巖深部熱量被阻擋，難以短時間傳遞出來被過水帶走，圍巖溫度在短期內(nèi)上升。隨著水體不斷地循環(huán)，帶走熱量，圍巖溫度逐漸降低。本次過水試驗由于河道抽水水管凍裂，過水時間持續(xù)較短，故來年春天進行了第二次過水試驗。

圖8 一次過水前后圍巖溫度分布變化圖Fig.8 Temperature distribution variation in the surrounding rocks before and after the first water injection

圖9為二次過水前后圍巖溫度分布圖。第二次注水試驗自4月11日14點開始注水(本次進水，仍然從河道抽水，水溫為2～4 ℃)，4月11日19點半注水滿洞，滿洞之后，留有出水管路，自動進行持續(xù)循環(huán)，模擬運行期，過水一周后，在4月17日放空洞內(nèi)水，模擬檢修期。

在二次進水之后，圍巖溫度也短時升高，圍巖最深處最高溫度達到近85 ℃(鉆孔3)，圍巖深部與圍巖面處溫度差近30 ℃。隨著進水時間的持續(xù)，熱量交換的進一步進行，對于圍巖淺部(探頭④)溫度有回落的趨勢，而對于圍巖深部，由于排水管小，排水量較小，其帶走的熱量與深部巖體傳導(dǎo)的熱量相差不大，故深部圍巖溫度波動不大。

圖9 二次過水前后圍巖溫度分布圖Fig.9 Temperature distribution variation in the surrounding rocks before and after the second water injection

排空洞內(nèi)水模擬檢修期(4月17日停止，采用倒虹吸排水，在4月18日排完)，排水初期，圍巖溫度有升高的趨勢，最大升幅約10 ℃。當洞內(nèi)排水排空之后一周(4月26日)，溫度又降低至恒定值。這是因為，為了排水順暢，在封閉的洞口上方事先設(shè)置了1個進氣口。排水時，該進氣口打開，當水體脫離于與洞壁接觸，氣體進入洞內(nèi)。由于溫差引起的襯砌裂縫已形成。氣體進入圍巖表面，短期阻滯了熱量的向外交換，溫度短暫上升，隨著水體的排空，氣體自由交換，溫度逐漸回落至穩(wěn)定值。在此過程中，深淺部圍巖溫度差在25 ℃左右。

基于上述試驗數(shù)據(jù)分析，對于進水前后，圍巖溫度差可按40 ℃考慮，在排水后，圍巖深淺部溫度差可按25 ℃考慮。

3 結(jié)論

(1)新疆公格爾引水高溫段，當圍巖深度大于4.5 m時為恒溫區(qū)域，溫度值保持在80 ℃，自4.5 m圍巖深部開始往洞中心靠近洞壁，巖體溫度按指數(shù)形式遞減至洞內(nèi)環(huán)境溫度。

(2)離隧洞中心一定距離，圍巖溫度趨于穩(wěn)定。隨著圍巖深度加深，此溫度值不再發(fā)生變化，可認為該值為原始巖體溫度值。隧洞開挖擾動對于巖體溫度場的影響半徑約為2倍的開挖洞徑。

(3)由于熱量傳導(dǎo)補給的波動，高巖溫隧洞在不同時間相同位置的圍巖溫度值起伏變化波動較大,新疆公格爾引水隧洞高溫段，波動最大數(shù)值20 ℃。

(4)施工期通風(fēng)散熱作用，明顯影響高巖溫隧洞圍巖體溫度分布，影響范圍內(nèi)其溫度值降低。在完成施工建設(shè)后，高巖溫沒有因為施工期的結(jié)束而進一步減小，反而會由于隧洞支護結(jié)構(gòu)(襯砌)施做的封閉，溫度會進一步上升。

(5)試驗洞過水之后圍巖溫度升高，其最高溫度達到近90 ℃，深部與洞壁圍巖溫度差近20 ℃。檢修期排水時，短時間洞內(nèi)溫度升高，增大幅度達到約10 ℃，隨著洞內(nèi)注水的排空，溫度逐漸降低至定值。

(6)對于新疆公格爾引水隧洞高溫段圍巖溫度，進水前后，圍巖溫度差可按40 ℃考慮，在排水后，檢修期圍巖深淺部溫度差可按25 ℃考慮。

(7)高巖溫對于傳統(tǒng)使用的混凝土材料帶來劣化影響，早期的水分蒸發(fā)及水化熱的難以散發(fā)，限制了混凝土早期強度的發(fā)展，混凝土內(nèi)部溫度升高，產(chǎn)生附加溫度應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土開裂。

致謝：曲星、張巖、劉乃飛博士參加了本論文部分試驗工作，表示感謝！