高地温隧洞衬砌结构应力变形分析及降温措施

2016-07-06李书杰重庆市水利电力建筑勘测设计研究院重庆401120

水利规划与设计 2016年1期

李书杰（重庆市水利电力建筑勘测设计研究院，重庆401120）

李书杰
（重庆市水利电力建筑勘测设计研究院，重庆401120）

本文以娘拥水电站的高地温段引水隧洞为依托，采用ansys有限元软件，耦合温度场和应力场，对运行工况和检修工况下不同厚度的衬砌结构进行计算分析，得出了不同情况下衬砌的结构应力和位移值，为设计、施工提供了参考依据，并采用综合降温措施降温，为隧洞顺利施工创造了有利条件。

高地温；有限元；引水隧洞；降温措施

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.01.035

在我国西部地区建设水利水电工程，由于地势险峻和工程建设的需要，常需要进行深埋隧洞的施工。然而西部许多地区蕴藏着大量的地热资源，在隧洞施工过程中会遇到较为复杂的地质问题。如莲麓一级水电站左右岸灌浆平洞开挖过程中遇到溶洞［1］；引滦入唐输水工程两条输水隧洞地质条件各异，构造复杂，穿越断层大部分为压性、扭性和少量张扭性断裂［2］；新疆某二级水电站引水隧洞1#施工支洞穿越两个30m的大断层和一个50多m厚的有压透水层［3］，但水温不高，洞内温度处于正常施工温度范围。

对于隧洞工程而言，当地温大于30℃时，即为高地温条件，据统计，国内外许多工程出现过复杂的地质问题，例如新疆的新布伦口公格尔水电站的引水隧洞［4］，施工时发现岩壁温度超过80℃；新疆齐热哈塔尔水电站的引水隧洞［5］，掌子面钻孔发现温度达到72℃；高黎贡山铁路深埋隧道［6］，在地质勘测时预测洞身温度达到43～75℃；意大利亚平宁铁路隧道，隧道温度达到63.8℃。

在高地温的隧洞地段，常常伴有高温热水出露。对隧洞的正常施工产生较大影响：①洞内施工环境恶劣，气温较高，导致施工人员胸闷、呕吐、热水烫伤；②测量仪器失效，不能正常工作；③炸药膨胀，毫秒雷管软化，产生哑炮，甚至自爆；④喷射混凝土回弹量增大，岩壁脱层掉块，无法封闭岩面；⑤砂浆锚杆抗拔力降低；⑥围岩膨胀引起的安全问题等。

就国内高地温隧洞施工方面来说，我国最早开始有这方面的研究是在1993年的云南省黑白水电站引水隧洞的施工中，国内系统的研究还未开展起来，大部分学者都是通过实际的工程项目结合理论分析进行了一些研究［7-8］。

本文以娘拥水电站的引水隧洞为依托，耦合温度场和应力场，对高地温条件下隧洞衬砌结构进行了应力分析，同时对施工降温措施进行了相关探讨，以期能为类似工程的设计与施工提供一定的借鉴和参考。

1 工程概况

娘拥水电站位于四川省甘孜州乡城县境内，电站采用引水式开发。引水线路沿线河谷狭窄，山体雄厚，谷坡陡峻，两岸自然坡度大多60～80°，地势海拔4500～4800余m，属典型的高山峡谷地貌。引水线路主要穿越的地层岩性为印支期斑状黑云母花岗岩（r1

β5），三叠系拉纳山组下段（T311）灰色厚～中厚层砂岩夹板岩，三叠系上统拉纳山组上段（T312）板岩、砂岩互层。

引水隧洞全长15406.313m，沿线共布设7条施工支洞。其中，1#支洞与主洞相交桩号为K0 + 873.97m，在下游面主洞开挖过程中，花岗岩锈染严重，且局部风化，洞壁潮湿，随着开挖的进行，温度呈逐渐升高的趋势，至K1 +017.4m温度仍然处于上升中，K0 +905m右下角出现一出水点，水量约20m1/s，水温59℃，水质透明，无味。在右壁K0 +972m，左壁K0 +986m处，分布一条左旋逆冲断层，即热水断层，产状N20°E/NW∠85°，该处为花岗岩与拉纳山组下段分界线，上盘为拉纳山组下段的砂板岩，下盘为花岗岩。K1 +010～ 1 +017.4m段，底板部分有温泉出露，水量较小；桩号1 +017.4m掌子面中下部，分布一出水点，流量约30m1/s，水质透明，无味，泉眼周围有较多钙质沉积，水温高达78℃，高地温段隧洞温度详见表1［9］。

表1 隧洞高地温段温度统计表

2 温度-应力耦合计算分析

隧道围岩应力计算公式有平衡拱理论、太沙基理论、围岩压力系数法以及铁道部隧道规范法［10］。由于引水隧洞在1#施工支洞下游控制段约200m左右穿过了热水断层，出现高地温及温泉涌水，最高水温78℃，隧洞施工和支护、衬砌等均受到高地温地质问题的影响。为了解隧洞结构在高地温条件下的安全性能，采用ansys大型有限元分析软件，建立ansys有限元模型，运用热学理论模拟该洞段的温度场，耦合温度场-应力场，对隧洞衬砌结构在温度场影响下进行应力值研究，为设计提供依据。

2.1 计算参数

在有限元计算分析时，需先设置模型的边界条件，混凝土浇筑时的环境温度取20OC和30OC，围岩温度固定取为50OC；过水后，设隧洞内部水温为5OC，设内水压力为0.25MPa。隧洞材料计算基本物理参数和温度计算参数详见表2。

表2 材料计算参数

2.2 计算方案

计算时，考虑两种衬砌结构（厚度分别为0.40m和0.60m）于常温和高地热等两种条件下在不同工况时的应力变形情况。计算方案详见表3。

表3 计算方案表

说明：检修工况仅考虑温度作用，运行工况考虑温度和内水压力的共同作用。

2.3 计算结果分析

通过对方案1～12进行数值模拟计算，得到了常温和高地温条件下不同尺寸的衬砌在不同工况下的应力变形数据，具体数据详见表4。给出常温条件下运行工况时不同厚度衬砌的应力位移云图，见图1和图2。从图中可知，衬砌厚度为0.40m时，衬砌外表面应力峰值为0.86MPa，位移峰值为0.088mm；而衬砌厚度为0.60m时，衬砌外表面应力峰值为0.75MPa，位移峰值为0.078mm，说明衬砌厚度越大能减小衬砌的应力和位移，但应力减小幅度仅为0.11MPa。

图1 常温时运行工况衬砌应力云图（单位：Pa）

图2 常温时运行工况衬砌位移云图（单位：m）

混凝土浇筑环境温度为30OC时检修工况和运行工况时不同厚度衬砌的应力云图，见图3和图4。从图中可发现，在高地温的环境影响下，衬砌应力主要是，在衬砌厚度为0.40m时，运行工况和检修工况时的衬砌内表面应力峰值分别为6.03MPa、5.95MPa，在衬砌厚度为0.60m时，运行工况和检修工况时的衬砌内表面应力峰值分别为5.99MPa、5.93MPa。说明高地温影响时，衬砌结构的应力主要由温度场产生，而且衬砌厚度越大，衬砌应力峰值越小，与图1～2发现的规律相同；在衬砌结构相同的情况下，由于考虑了温度和内水压力的耦合作用，运行工况下的衬砌应力峰值均比检修工况下的应力峰值大，但是相差极小，均在5%以内。对图1和图4进行比较，发现混凝土浇筑时的环境温度与过水温度差值越大，温度应力耦合内水压力产生的应力也越大。

图3 混凝土浇筑环境温度为30OC时检修工况衬砌应力云图（单位：Pa）

图4 混凝土浇筑环境温度为30OC时运行工况衬砌应力云图（单位：Pa）

通过对数值模拟计算结果进行换算可得，在高地温作用下，0.40m厚的衬砌沿结构周长方向的变形为0.54mm；0.60m厚的衬砌沿结构周长方向的变形为0.72mm。据统计，引水隧洞衬砌结构最有可能产生的裂缝，一般分布在边墙与底板交界处或两侧拱脚，估算得到衬砌产生的裂缝开展宽度，0.40m厚的衬砌的单条裂缝开展宽度为0.14mm，0.60m厚的衬砌的单条裂缝开展宽度为0.18mm，满足《水工隧洞设计规范》中对裂缝开展宽度的限制要求。

高地温条件下衬砌产生的拉应力较大，峰值为6MPa左右，故结构需要配大量钢筋，对于超静定钢筋混凝土结构配温度钢筋的目的主要是为了使裂缝的宽度得到控制。根据《水工混凝土结构设计规范》和《水工隧洞设计规范》等相关规范并通过计算，在不考虑高地温影响情况下，0.40m厚的衬砌结构的内、外层需配Φ20螺纹钢5根；0.60m厚的衬砌结构的内层、外层同样需配Φ20螺纹钢5根；而在高地温条件下，0.40m厚的衬砌结构的内、外层需配Φ32螺纹钢7根；0.60m厚的衬砌结构的内层、外层则需配Φ32螺纹钢9根；具体设计详见表4。

表4 有限元计算成果与钢筋配筋设计表

3 施工降温措施

针对娘拥水电站引水隧洞高地温洞段的具体情况，参考相似工程的施工经验［11］，例如新疆的新布伦口公格尔水电站引水隧洞、意大利亚平宁铁路隧道、高黎贡山铁路隧道、云南省黑白水三级电站引水隧洞及日本安房公路隧道等工程，该工程采用了以下几点降温措施。

（1）注入硕曲河冷水

在洞内温泉出露点开挖集水坑，采用水泵抽自硕曲河冷水，通过Φ48mm（壁厚4mm）镀锌管将冷水注入洞内集水坑内，使洞内热水与洞外冷水充分混合，洞内热水的部分热量被冷水吸收，可减少热水散发在洞内空气的热量，降低洞内环境温度。

（2）抽排洞内热水

在距离掌子面一定距离位置挖一集水坑，采用2.2kW、12.5m3/h的水泵通过Φ60mm（壁厚5mm）镀锌管及时的将集水坑内混合水排出洞外，缩短热水在洞内与周围空气进行热交换的时间，以降低洞内环境温度。

（3）加强通风措施

加强通风措施是降低洞内作业环境温度、改善作业条件最重要的手段之一。在洞内高温环境下，采用常规的单管压入式通风难以有效的降低洞内环境温度，特别是随着掌子面的推进，通风效果会愈来愈差。本工程采用2×37 /115kW的通风机代替原来的2×55kW通风机，通过Φ1500mm的风管向工作面送风，起到了良好的降温效果。

（4）喷雾降温措施

在洞外水池接冷水水管至洞内，沿洞顶两侧各架设一根ψ100mm的输送钢管，安装增压泵和闸阀，在钢管上每隔8～10m安设一个喷雾器，在适当时间沿洞线进行喷雾，通过水雾冷却洞内岩面和与洞内热空气混合，可以有效降低洞内气温。同时，高压喷雾还可以吸收洞内粉尘，降低粉尘浓度，改善施工条件。

通过采用以上综合降温措施，经测试，一段时间后，引水隧洞洞内温度由原来的50℃降低至30℃以下，大大改善了施工作业环境，为隧洞顺利施工创造了有利条件。