高地温隧洞热—结构耦合分析

郭进伟，方 焘，卢祝清

(1.中铁十四局集团有限公司，济南 250014;2.华东交通大学 土木建筑学院，南昌 330013)

在地下工程中，高地温一方面影响工程施工安全和进度，严重威胁到施工人员的人身安全，另一方面还将影响到施工材料的选取(如耐高温炸药)和混凝土的耐久性。而且由于产生的附加温度应力还将引起衬砌开裂，严重影响隧洞的稳定性[1]，有时甚至使掘进工作无法进行[2]。隧洞内的高温高湿将导致机械设备的工作条件恶化，效率降低，故障增多[3]。由于某引水隧洞在1#支洞下游(桩号约 K0+972～K1+052处)穿过热水断层，1#支洞开挖及引水隧洞主洞开挖和支护均受到热水断层带影响，该洞段出现高地温及温泉涌水，最高水温78℃，严重影响了施工工作的开展。本文针对该具体情况，运用有限元分析软件，借用热学理论模拟温度场，考虑热—结构耦合，探讨了衬砌结构在温度场影响下的结构应力值以及在温度和内水压力联合影响下的结构应力值，并在此基础上对原设计方案进行了修正。

1 热—结构耦合分析[4]

某电站引水隧洞断层及断层影响带约为200 m，其分段围岩地质情况为:①K0+900～K0+972为断层影响带，为微风化～新鲜的黑云母二长花岗岩，具块状～次块状结构，围岩完整性较好，裂隙发育长大，裂隙间距一般0.5～1.0 m，顶拱及边墙裂隙湿润，总体自稳能力较好。②K0+972～K1+052段为断层带，砂岩为主夹少量的砂质板岩，具镶嵌～碎裂结构，围岩完整性差，受断层挤压的影响，围岩总体而言镶嵌紧密。③K1+052～K1+100段为断层影响带，该段围岩以砂岩为主夹少量的砂质板岩，具层状～碎裂结构，受断层挤压的影响明显，构造裂隙发育，预测围岩完整性较差。

针对某水电站引水隧洞穿越热水断层出现热水涌水及高地温现象，设计建立ANSYS有限元模型，采用热学理论模拟该洞段的温度场，并通过热—结构耦合方式，求出衬砌结构在温度场影响下的结构应力值以及在温度和内水压力联合影响下的结构应力值，根据应力进行结构的配筋计算及分析。

1.1 计算参数设定及计算工况

模型边界条件设置:混凝土浇筑时环境温度取20℃ ～30℃，岩石取恒定温度50℃;过水后，洞内水温5℃，内水压力0.25 MPa。模型材料设置:C20混凝土弹性模量 Es=25.5 GPa，泊松比 μ=0.167，导热系数λ=2.5 W/(m·K)，线膨胀系数 α=0.8×10－5/℃;2.7 m固结灌浆范围内围岩弹性模量Es=8 GPa，泊松比μ=0.25，导热系数λ=3.5 W/(m·K)，线膨胀系数α =0.5×10－5/℃;围岩弹性模量 Es=5 GPa，泊松比 μ=0.25，导热系数λ=3.5 W/(m·K)，线膨胀系数 α=0.4×10－5/℃。计算工况:衬砌结构40 cm、60 cm时，分别计算了受地温影响和不受地温影响时隧洞检修工况、正常运行工况，其中受地温影响时对应了混凝土浇筑温度在20℃、30℃两种情况。

1.2 计算图形(见图1～图3)

1.3 计算成果及设计参数拟定(见表1)

计算结果表明:考虑高地温影响时，衬砌结构应力主要由温度场产生，根据混凝土浇筑温度敏感分析，混凝土浇筑时的环境温度与过水温度相差越大，则过水时温度场产生的应力也越大;根据衬砌厚度的敏感性分析，增大衬砌厚度并不能明显改善衬砌应力。由于温度场产生的拉应力值相当大(最大达6 MPa)，如将其作为不可消除荷载，结构所需的配筋量也十分大。在衬砌结构厚40 cm时，需内层、外层均配置8根φ32 mm的螺纹钢筋;在衬砌结构厚60 cm时，需内层、外层均配置10根φ32 mm的螺纹钢筋。在不考虑地温影响情况下，结构内应力大大降低，衬砌厚度40 cm时，结构内层、外层仅需配5根φ20 mm的螺纹钢筋;衬砌厚度60 cm时，结构内层、外层也仅需配5根φ20 mm的螺纹钢。

图1 混凝土浇筑环境温度为30℃时的温度应力

图2 混凝土浇筑环境温度为30℃时的温度耦合内水压力应力

图3 混凝土浇筑环境温度为30℃时的温度耦合内水压力位移

在温度场作用情况下，衬砌结构为40 cm时产生的径向最大位移值(向内)为0.086 mm;衬砌结构为60 cm时产生的径向最大位移值(向内)为0.115 mm;换算成沿衬砌结构周长方向的变形值分别为0.540 mm和0.723 mm。根据工程实际统计资料表明，引水隧洞衬砌结构最有可能产生的裂缝，一般分布在两侧拱脚及边墙与底板交界处，以此估算衬砌结构的裂缝开展宽度。衬砌厚40 cm时，每条裂缝开展宽度约为0.14 mm;衬砌厚60 cm时，每条裂缝开展宽度约为0.18 mm。

2 高地温洞段衬砌结构设计

在温度作用下配置大量的钢筋并不能确保混凝土由于自身收缩引起的裂缝。《水工混凝土结构设计规范》SL/T 191—96条文说明中11.1对混凝土结构在温度作用下的设计原则解释为:“研究分析表明，温度作用对超静定钢筋混凝土结构的裂缝宽度有显著的影响，但与结构最终承载力基本无关。因为裂缝开展较宽时，构件的变形就能满足温度胀缩的要求，温度应力也就基本上松弛消失。对超静定钢筋混凝土结构适当增配温度钢筋的目的主要是为了控制裂缝宽度”。

表1 有限元计算结果

高地温洞段水平埋深约300～600 m，垂直埋深约120～260 m，且该段隧洞位于引水隧洞前端、内水压力最大约25 m水头，内水压力不大。根据《水工隧洞设计规范》DL/T 5195—2004中6.23规定，隧洞埋深满足了上覆岩体盖厚度要求，不会发生水力劈裂;埋深较大同时也使隧洞内水外渗渗径长且渗流量很小，不会引起过大的水量损失和发生渗透破坏、造成山体失稳。综合《水工隧洞设计规范》、《水工混凝土结构设计规范》的规定，对该洞段的衬砌可采用限裂设计，即允许混凝土开裂，控制裂缝开展宽度;混凝土衬砌段钢筋配置可不考虑温度荷载产生的应力，采用常温状态下衬砌结构的配筋计算成果，但考虑到高地温洞段受热水断层的影响，地质条件具有一定的不确定性，衬砌结构受结构变形后温度残余应力等不利因素的影响，在常温计算配筋成果基础上应适当加大钢筋的配置，留有适当余地。

按常温结构配筋并留适当余地后，高地温对衬砌结构的影响主要为混凝土开裂。估算裂缝开展宽度为0.14～0.18 mm，能满足《水工隧洞设计规范》限制裂缝开展宽度的要求。综上所述，对高地温段隧洞的衬砌方案拟定如下:

1)1#支洞交主洞上游、下游两侧由原设计的钢筋混凝土各衬7.5 m增加为各衬15.0 m;

2)对于Ⅲ类围岩开挖，衬砌断面保持原设计，采用喷混凝土+系统锚杆支护;

3)对于Ⅵ围岩开挖，衬砌断面保持原设计，内层、外层均配5根φ25 mm的螺纹钢筋;

4)对于Ⅴ类围岩开挖，衬砌断面保持原设计，内层、外层均配6根φ25 mm的螺纹钢筋。

3 结语

文中有限元分析软件，采用热学理论模拟温度场，并通过热—结构耦合方式，得出了几种不同工况下衬砌结构在温度场影响下的结构应力值以及在温度和内水压力联合影响下的结构应力值。考虑高地温影响时，衬砌结构应力主要由温度场产生，根据衬砌厚度的敏感性分析，增大衬砌厚度并不能明显改善衬砌应力，提出了高地温段隧洞衬砌方案。

[1] 于健.高地温对隧道施工作业环境的影响及防治［J］.四川建筑，2009，29(3):190-191.

[2] 张智，胡元芳.深埋隧道人工制冷施工降温措施探讨［J］.世界隧道，1999(6):22-23.

[3] 谷柏森.隧道高地温应对措施及通风设计——高黎贡山铁路特长隧道可行性研究［J］.现代隧道技术，2007，44(2):66-67.

[4] 曹红奋，梅国梁.传热学理论基础及工程应用［M］.北京:人民交通出版社，2004.