國內某高埋深、高地溫引水發電隧洞新型襯砌結構計算分析

孫其臣 王立成 趙亞昆 趙曉露

高地溫是隧道建設過程中經常遇到的不良地質環境之一，隨著國內隧道工程長度越來越長，埋深也越來越大，高地溫災害的出現給深埋長隧道的建設和運行帶來極大的困難。它會大大降低生產效率，還會危害作業人員的身體健康，隧洞內高濕度高溫度環境引起機械設備故障問題增多，會影響工程的工期、安全性、經濟性［1-4］。在目前國內高地溫圍巖區域修建地下工程的規范、研究較少，因此，開展高地溫隧洞支護結構分析研究尤為必要；高溫隧洞圍巖與支護結構分析仍處于初級階段，其研究成果對工程經濟和工程技術借鑒方面都具有重要的意義。本文結合國內某在建工程的典型案例，采用有限元方法研究了高地溫對于隧洞圍巖溫度場的影響，采取一種新型的襯砌結構，對襯砌結構溫度、應力進行計算分析，為高地溫隧洞設計和施工提供參考。

1 工程現狀

國內某工程引水隧洞高地溫洞段的起止樁號為Y6+900—Y10+450 范圍內，隧洞段長度3 550 m，對應埋深在457～1 205 m，巖壁溫度在24～119 ℃之間，空氣溫度在27～61 ℃之間，河水主要來源為高山雪融水，最低溫度在10 ℃以下。該洞段圍巖類型主要為Ⅱ類、Ⅲ類，局部為Ⅳ類。開挖揭露巖性為加里東中晚期侵入巖體（γ32-3），以似斑狀片麻狀花崗巖或花崗片麻巖為主，夾少量黑色斜長角閃巖條帶，中—粗粒結構，塊狀或片麻狀構造。圍巖巖體完整，裂隙有發育也有不發育，地下水狀態或為干燥或為滲水到滴水。局部部位發生輕微巖爆，有少量剝落，影響深度為10～40 cm。

結合上述引水隧洞高地溫災害的情況，選用ANSYS有限元分析軟件，進行熱-結構耦合分析，計算新型襯砌結構受高地溫的影響，優化襯砌結構配筋設計。該新型襯砌結構適用于高埋深、高地溫的發電引水隧洞中，隧洞開挖后在巖壁內側固定一層隔熱材料，在隔熱材料外側澆筑一層混凝土襯砌。

2 計算模型及基本資料

2.1 計算模型

建立該隧洞的三維有限元模型，為避免周邊約束對隧洞計算結果的影響，隧洞四周可取5 倍的洞徑，邊界左右兩側采用水平向約束，上下兩側采用鉛垂向約束，襯砌結構及保溫材料單元劃分如圖1 所示。

圖1 襯砌結構及保溫材料單元劃分模型

2.2 計算參數

計算模型中，圍巖選取典型的Ⅲ類片麻狀花崗巖，襯砌結構為C25 混凝土，厚度為0.5 m。C25 混凝材料主要物理力學參數值見表1，巖體主要物理力學參數值見表2，巖體、水、混凝土主要熱力學參數值見表3，聚氨酯硬質泡沫材料參數值見表4。

表1 C25混凝材料主要物理力學參數值

表2 巖體主要物理力學參數值表

表3 巖體、水、混凝土主要熱力學參數值表

表4 聚氨酯硬質泡沫材料參數值表

2.3 計算工況及假定

隧洞計算工況一般考慮隧洞檢修工況和正常運行工況，本文主要研究二次襯砌受高地溫、高氣溫影響后進行通水時的結構應力分布。計算條件如下：

（1）不噴涂隔熱材料。圍巖外邊界溫度值為90 ℃，隧洞開挖后持續通風30 d，經現場量測洞內空氣溫度為45 ℃，然后進行混凝土襯砌結構澆筑，澆筑溫度為25 ℃，30 d 后進行隧洞開始通水，通水水溫為10 ℃。

（2）噴涂隔熱材料。圍巖外邊界溫度值為90 ℃，隧洞開挖后開始噴涂聚氨酯硬質泡沫，持續通風30 d 后，經現場量測洞內空氣溫度降低至25 ℃，然后進行混凝土襯砌結構澆筑，澆筑溫度為25 ℃，30 d 后進行隧洞開始通水，通水水溫為10 ℃。

計算過程中假定混凝土不開裂，混凝土結構按彈性計算，水溫恒定且沿程不發生變化。

3 計算結果

計算中僅考慮溫降荷載對襯砌結構應力和配筋的影響，不考慮內水壓力。

不噴涂隔熱材料時，襯砌結構應力主要由溫度場通水后降低產生，二次襯砌混凝土澆筑時的環境溫度與通水溫度相差越大，則通水時溫度場變化產生的應力也越大。襯砌結構應力計算結果見表5，從表5 可見，襯砌結構在高地溫的圍巖中遇通水溫度為10 ℃，會產生較大的溫降荷載，進而產生較大的環向應力，襯砌結構全斷面受拉且超過混凝土溫度應力允許值。經過計算，襯砌結構通水后相對通水前計算配筋面積高達17 000 mm2，這是不實際也不經濟的。

表5 不噴涂隔熱材料的襯砌時應力分析表 MPa

噴涂隔熱材料后，隔熱材料會阻止圍巖內部源源不斷熱量向隧洞內部的傳遞，通過通風、局部加冰塊降溫等措施，能降低高溫洞段的空氣溫度，進而降低混凝土澆筑的溫度，遇通水溫度為10 ℃時，不會產生較大的溫降荷載，襯砌的環向應力和超出混凝土允許溫度應力的區域高度在可控的范圍內，襯砌結構應力計算結果見表6。通過計算，襯砌結構通水后相對通水前計算配筋面積按照構造就可以滿足設計。

表6 噴涂隔熱材料后襯砌的應力分析表 MPa

4 結論及建議

本文通過熱-結構耦合方式，計算出不同的通水溫度條件下襯砌結構在溫度場影響下的結構應力值，給出了配筋建議值。結果表明，對應存在高地溫的引水發電隧洞，不噴涂隔熱材料時，襯砌在運行期會使支護結構兩側產生巨大的溫度拉應力，拉應力是由于混凝土澆筑環境溫度與通水溫度之間溫差產生。噴涂隔熱材料后，能有效阻止圍巖內部熱量向隧洞內部空氣中的傳遞，降低了混凝土澆筑溫度，進而產生較小的環向應力，且襯砌結構洞底和洞腰部位合力為負是壓力，即襯砌結構整體處以壓應力狀態，壓應力值也相對較小，按照構造配筋就可以滿足溫降荷載對襯砌結構的影響，既保證了工程的安全運行，又降低了工程造價，有很好的推廣價值和應用前景。