高地溫水工隧洞節(jié)理圍巖溫度場及塑性區(qū)特性研究

宋 剛，姜海波

(1.新疆兵團(tuán)勘測設(shè)計院集團(tuán)股份有限公司，新疆 烏魯木齊 832002；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 832003)

0 引言

高地溫地質(zhì)環(huán)境下，高溫效應(yīng)及其圍巖節(jié)理結(jié)構(gòu)特征對隧洞穩(wěn)定性的影響是高地溫隧洞設(shè)計與運(yùn)行的關(guān)鍵問題。理論與工程實踐證明，水工隧洞圍巖的破壞失穩(wěn)，本質(zhì)上是由塑性區(qū)所引起的，塑性區(qū)的特征和范圍決定了它的破壞特征和程度[1-3]。高溫效應(yīng)及其圍巖節(jié)理結(jié)構(gòu)特征耦合影響下的圍巖塑性區(qū)分析是工程中面臨的關(guān)鍵問題[4]。

許多研究者針對完整圍巖的塑性區(qū)特征開展了研究。王衛(wèi)軍等[5]結(jié)合摩爾庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，推導(dǎo)了考慮支護(hù)力作用下的巷道圍巖塑性區(qū)邊界方程的近似解，得出了支護(hù)阻力對圍巖塑性區(qū)范圍和形態(tài)的影響。郭曉菲等[6]研究了不同圍壓條件下均質(zhì)圍巖塑性區(qū)形態(tài)，并推導(dǎo)出了形態(tài)系數(shù)的計算公式。Eugie K.等[7]采用收斂約束法(CCM)對隧道收斂性和支護(hù)合理性進(jìn)行了評價，預(yù)測了塑性區(qū)和隧道收斂范圍比常規(guī)方法高10%和4%。蔣斌松等[8]采用彈塑性理論推導(dǎo)了均勻應(yīng)力場下圍巖破裂區(qū)和塑性區(qū)范圍的解析式。Hamed Molladavoodi等[9]利用有限差分軟件模擬得到了非均勻地應(yīng)力條件下塑性區(qū)膨脹角近似為常數(shù)。以上研究成果為認(rèn)識完整圍巖塑性區(qū)特征做出了重要貢獻(xiàn)。然而，天然巖體往往存在節(jié)理裂隙，圍巖塑性區(qū)的分布規(guī)律必然不同于完整圍巖[10]。張晉等[11]通過室內(nèi)試驗、現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬等手段，分析了巖體的抗拉強(qiáng)度與節(jié)理傾角的關(guān)系，證明了節(jié)理傾角對巖體塑性區(qū)的發(fā)展具有一定影響。此外，深部洞室?guī)r體常處于復(fù)雜的熱力學(xué)環(huán)境中，研究多場耦合作用下節(jié)理圍巖的塑性區(qū)特征對實際工程的設(shè)計和穩(wěn)定分析更具有工程價值[12-14]。

本文基于高地溫隧洞現(xiàn)場溫度及位移數(shù)據(jù)，分析高地溫隧洞節(jié)理圍巖溫度變化特性，研究圍巖不同部位、不同深度的位移變化規(guī)律。同時采用離散元方法，模擬熱力耦合作用下不同高溫、不同節(jié)理結(jié)構(gòu)特征隧洞圍巖溫度場、位移場規(guī)律及塑性區(qū)分布范圍，分析不同高溫、不同節(jié)理結(jié)構(gòu)對高地溫隧洞圍巖塑性區(qū)的影響。研究成果對高地溫環(huán)境下節(jié)理圍巖隧洞工程的穩(wěn)定性分析具有重要參考意義。

1 高地溫隧洞節(jié)理圍巖溫度及變形特性分析

1.1 工程概況

某深埋高地溫水工隧洞，隧洞全長18.4km，在掘進(jìn)過程中洞內(nèi)掌子面最高溫度達(dá)到105℃。高地溫隧洞段巖石堅硬，較完整，塊狀構(gòu)造，主要發(fā)育有：J1：71°NW∠89°、J2：55°NW∠42°、J3：64°NW∠68°三組節(jié)理，節(jié)理面多平直、無填充物，個別節(jié)理面帶有鐵銹色，會貫穿洞室。在高地溫隧洞穩(wěn)定分析，高溫效應(yīng)及其節(jié)理結(jié)構(gòu)特征對隧洞圍巖穩(wěn)定起著控制性的作用，研究高溫效應(yīng)及其不同節(jié)理結(jié)構(gòu)特征對隧洞塑性區(qū)和力學(xué)特征的影響，對高地溫水工隧洞節(jié)理圍巖穩(wěn)定分析具有重要工程意義。

1.2 監(jiān)測方案

在高地溫影響下，隧洞節(jié)理圍巖的位移特性對隧洞穩(wěn)定分析具有決定性作用。因此，項目組采用溫度探頭和四點式位移計對圍巖不同部位、不同深度的溫度、位移進(jìn)行了長時間連續(xù)監(jiān)測，如圖1所示。

圖1 高地溫隧洞圍巖現(xiàn)場監(jiān)測布置

圍巖內(nèi)部溫度監(jiān)測范圍為9.0m，考慮到圍巖溫度是由下部傳導(dǎo)上來，將監(jiān)測儀器布置于圍巖直墻處，探頭可監(jiān)測距洞壁0、3.0、6.0、9.0m位置的圍巖溫度，共布設(shè)8個觀測組。圍巖位移監(jiān)測主要借助四點式多點位移計，在拱頂和拱底沿隧洞縱向每3m埋設(shè)一套四點式位移計，對距隧洞洞壁0、3.0、6.0、12.0m位置位移變化進(jìn)行監(jiān)測，共布設(shè)8個觀測組。

1.3 監(jiān)測成果分析

在距洞軸線深度小于8.3m時，節(jié)理圍巖自洞壁至巖體深處沿徑向呈遞增的變化趨勢，同時越靠近洞壁溫度的變化幅度越大，如圖2所示。在第10天時，1#探頭、2#探頭、3#探頭與4#探頭的溫度分別為19.03℃、62.4℃、72.8℃與79.9℃。另外，不同深度的節(jié)理圍巖均表現(xiàn)為溫度同時上升或下降。而在距洞軸線深度11.3m時，節(jié)理圍巖溫度穩(wěn)定在80℃左右，說明距洞軸線11.3m時處于節(jié)理圍巖的恒溫區(qū)。

圖2 拱腰處不同圍巖深度溫度變化過程線

從隧洞位移角度分析，拱頂最大位移量為7.7mm(距洞壁0m處)，最小位移量為6.5mm(距洞壁9m處)，拱底最大位移量為0.94mm(距洞壁0m處)，最小位移量為0.3mm(距洞壁9m處)，說明拱頂處比拱底處的圍巖更易發(fā)生變形破壞，如圖3—4所示。另外，節(jié)理圍巖的變形位移大小與節(jié)理圍巖的徑向深度有關(guān)，節(jié)理圍巖的變形位移隨著圍巖徑向深度的增大而變大，即節(jié)理圍巖的變形位移自隧洞壁至巖體深處沿徑向呈遞增趨勢，并且隨著時間變化不同深度的節(jié)理巖體的變形位移均表現(xiàn)為同時增加并且趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 拱頂不同深度位移變化

圖4 拱底不同深度位移變化

2 隧洞位移及塑性區(qū)演化特征

2.1 模型及計算參數(shù)

塊體離散元計算軟件能更有效模擬復(fù)雜結(jié)構(gòu)面[15-22]，對節(jié)理圍巖模擬結(jié)果較精確。為了研究節(jié)理圍巖位移及塑性區(qū)演化特征，采用離散元方法建立考慮節(jié)理結(jié)構(gòu)面的數(shù)值計算模型，如圖5所示。由于模型建立存在節(jié)理，同時涉及耦合計算，需要運(yùn)算較長的時間，所以對模型進(jìn)行簡化處理，模型尺寸為4m×60m×60m，洞寬4.6m，高5.3m。模型前、后、左、右和下邊界采用固定位移約束，上邊界按實際工程埋深800m荷載施加。

圖5 隧洞節(jié)理三維模型

通過現(xiàn)場資料綜合考慮3條遍布整個模型的節(jié)理組J1、J2和J3，節(jié)理采用摩爾庫倫滑動屈服準(zhǔn)則，依據(jù)勘查設(shè)計資料得節(jié)理參數(shù)見表1。依據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果得模型中巖體溫度設(shè)置為90℃，洞內(nèi)溫度設(shè)置為20℃。節(jié)理巖體力學(xué)參數(shù)見表2。

表1 節(jié)理結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 巖體力學(xué)力學(xué)參數(shù)

2.2 節(jié)理圍巖溫度分布

圍巖溫度變化沿圍巖厚度方向呈非線性遞增變化，且逐漸趨于穩(wěn)定，如圖6所示。節(jié)理圍巖溫度模擬值、完整圍巖溫度模擬值、工程實測值在圍巖深度11.7、22.8、11.3m時趨于穩(wěn)定。節(jié)理圍巖溫度變化率高于不含節(jié)理結(jié)構(gòu)的圍巖溫度變化率，說明含節(jié)理圍巖減少了圍巖變溫區(qū)的面積，增加了圍巖恒溫區(qū)的面積。

圖6 圍巖高地溫變化

當(dāng)圍巖節(jié)理參數(shù)發(fā)生變化時，圍巖維度場也存在顯著變化。不同節(jié)理傾角下(見表3)，圍巖的溫度變化規(guī)律如圖6所示。節(jié)理傾角dip依次為0°、30°、60°、90°、120°、150°時，變溫區(qū)半徑依次是22.8、12.2、16.5、24.9、13.4、7.2m，說明節(jié)理傾角的變化影響變溫區(qū)半徑，變溫區(qū)半徑隨著節(jié)理傾角度數(shù)的增加呈倒N型變化，在節(jié)理傾角dip150°時變溫區(qū)半徑最小。

表3 不同節(jié)理傾角工況

節(jié)理傾角在豎直或者水平時對溫度場分布的影響，大于節(jié)理傾角在水平或者豎直方向有一定夾角的，并且節(jié)理傾角越靠近水平方向或豎直方向?qū)囟葓龅挠绊懺酱?，如圖7所示。

圖7 不同節(jié)理傾角下的溫度分布云圖

2.3 變形位移分析

節(jié)理結(jié)構(gòu)特征對圍巖位移也有較為顯著的影響。在拱頂處，實測值和節(jié)理圍巖模擬值沿圍巖厚度方向呈遞減變化，并且實測值大于節(jié)理圍巖模擬值，基本上實測曲線和節(jié)理圍巖模擬曲線變化趨勢保持一致，而完整圍巖模擬值沿圍巖厚度方向呈遞增變化，且位移值均大于實測值和節(jié)理圍巖模擬值，如圖8—9所示。在拱底處，實測值、節(jié)理圍巖圍巖模擬值和完整圍巖模擬值沿圍巖厚度方向位移都呈遞減變化，完整圍巖模擬值大于節(jié)理圍巖模擬值和實測值。另外，拱頂處的位移量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于拱底處的位移量。

圖8 拱頂不同深度位移變化曲線

圖9 拱底不同深度位移變化曲線

不同節(jié)理傾角對圍巖位移的影響也較大。圍巖位移分布隨節(jié)理傾角的變化會出現(xiàn)改變，節(jié)理傾角分別為0°、30°、60°、90°、120°、150°時，最大位移分別為11.17、8.07、7.56、11.41、6.23、6.90mm，說明水平節(jié)理組或者豎直節(jié)理組的位移量大于傾斜節(jié)理組的位移量，并且最大位移都出現(xiàn)在拱頂正上方位置，如圖10所示。

圖10 不同傾角的圍巖節(jié)理組位移分布

2.4 高地溫節(jié)理巖體塑性區(qū)演化特征

水工隧洞圍巖的破壞失穩(wěn)，本質(zhì)上是由塑性區(qū)所引起的，而溫度應(yīng)力又對圍巖塑性區(qū)得影響極大。在熱力作用下塑性區(qū)面積分別為22.89、27.02、31.54、38.29、30.5、22.25m2，與僅有地應(yīng)力作用下塑性區(qū)面積的增大率分別為89.7%、89.93%、87.95%、73.6%、107.58%、69.18%，如圖11所示。表明在熱力共同作用下節(jié)理巖體的塑性區(qū)更顯著，比在僅有地應(yīng)力作用下塑性區(qū)面積增加了近一半。節(jié)理傾角與豎直方向夾角越小，節(jié)理圍巖的塑性區(qū)面積越大，當(dāng)節(jié)理傾角dip=90°(豎直節(jié)理組)時，節(jié)理圍巖的塑性區(qū)面積最大。

圖11 不同節(jié)理傾角下圍巖的塑性區(qū)面積

隨著洞內(nèi)溫度的增加或巖體深部溫度的增加，圍巖的塑性區(qū)半徑增大，同時洞內(nèi)溫度變化對塑性區(qū)半徑影響大于巖體深部溫度變化，但理論計算值與數(shù)值模擬值有較大的偏差，主要是由于數(shù)值模擬的建立含有一定的節(jié)理結(jié)構(gòu)，使得模擬值大于理論值。

不同節(jié)理傾角對圍巖塑性區(qū)的影響也較大，如圖12所示。不同的節(jié)理組圍巖產(chǎn)生不同的塑性區(qū)形態(tài)，塑性區(qū)沿著節(jié)理傾角的方向產(chǎn)生不均勻性擴(kuò)展，改變圍巖塑性區(qū)發(fā)展的方向，加大圍巖塑性區(qū)發(fā)展范圍。而與節(jié)理傾角垂直的方向產(chǎn)生變化較小的均勻性擴(kuò)展，塑性區(qū)邊界也往往和節(jié)理面相重合，相對阻礙圍巖塑性區(qū)的發(fā)展，并且水平或者豎直節(jié)理組的塑性區(qū)范圍最大，說明不同的節(jié)理組影響塑性區(qū)發(fā)展的形態(tài)和大小。

圖12 不同節(jié)理組圍巖塑性區(qū)分布

3 結(jié)論

(1)節(jié)理圍巖溫度場呈圓形分布，離隧洞中心軸距離越遠(yuǎn)，越靠近圍巖深處，節(jié)理圍巖溫度越高；相較于完整圍巖，節(jié)理圍巖減少了隧洞圍巖變溫區(qū)的面積，增加了隧洞圍巖恒溫區(qū)的面積。另外節(jié)理傾角在豎直或者水平時對溫度場分布的影響大于節(jié)理傾角在水平或者豎直方向有一定夾角的，并且節(jié)理傾角越靠近水平方向或豎直方向?qū)囟葓龅挠绊懺酱蟆?/p>

(2)節(jié)理圍巖的變形位移自隧洞壁至巖體深處沿徑向呈遞增趨勢，并且隨著時間變化不同深度的節(jié)理巖體的變形位移均表現(xiàn)為同時增加并且趨于穩(wěn)定狀態(tài)。同時，與完整圍巖相比，節(jié)理圍巖在一定程度上降低變形位移量。另外，水平節(jié)理組或者豎直節(jié)理組的位移量大于傾斜節(jié)理組的位移量，并且最大位移都出現(xiàn)在拱頂正上方位置。

(3)熱力共同作用下節(jié)理圍巖塑性區(qū)面積比在僅有地應(yīng)力作用下塑性區(qū)面積增加了近一半，同時，隨著巖體溫度和洞內(nèi)溫度的增加，塑性區(qū)范圍也變大，且洞內(nèi)溫度變化對塑性區(qū)的敏感程度大于巖體深部溫度的變化。另外，節(jié)理傾角與豎直方向夾角越小，節(jié)理圍巖的塑性區(qū)面積越大。同時不同傾角的節(jié)理組會改變塑性區(qū)的形態(tài)特征。