王俊杰
（陕西省土地工程建设集团有限责任公司黄河西岸土地整治分公司 陕西 西安 710000）
摘 要：在水利水电和交通工程建设中，由于地质结构的影响，常会遇见不同类型的高地温现象，尤其是在隧洞开挖过程中，如果出现高地温现象，不仅造成隧洞开挖困难，影响施工进度，还会对施工人员人身安全造成威胁。同时，在高温环境下采取降温措施时，由于围岩内部与洞壁之间会产生明显的温差，在温度应力作用下，造成混凝土支护结构的耐久性和稳定性受到影响。本文以西北地区某工程项目为例，通过高地温引水隧洞的现场监测与数值模拟对比，对高地温引水隧洞支护结构的适应性进行评价并结合施工技术提出优化对策，以此为相关工程建设提供参考。
关键词：支护结构；高地温；引水隧洞；适应性评价
中图分类号：S157.3；文献标识码：A
0 引言
在工程建设过程中，围岩表面温度超出40℃以上就被认定为是超高地温环境，在国内外相关的工程建设和理论研究中，在公路和铁路建设工程方面的研究较为丰富[[]]，而在水利水电工程方面的研究相对不足。通过加强这方面的研究，不仅能够为工程建设提供更为坚实的理论参考，并且能够为相同类型的工程建设提供参照。
1 工程概况
本工程位于西北地区某水电站引水隧洞工程中，项目全长18.6km，圆形开挖断面，在项目建设中，部分段位有高地温现象出现。经现场测定，初始温度最高达1.05℃，在后续测量中，岩体温度多在60-85℃之间。出现高地温洞段埋深为300m，围岩类型为云母石英片间有石墨片岩。本研究选取其中15m为试验段，选择三种不同支护结构，参照组1为5m普通支护洞段，施工方案为10cm钢钎混凝土喷层和50cmC25混凝土衬砌组成；EPS试验组为10cm钢钎混凝土喷层、10cmEPS板和40cmC25混凝土衬砌；参照组2为XPS支护结构，施工方案为10cm钢钎混凝土喷层、10cmXPS板和40cmC25混凝土衬砌。
2 高地温引水隧洞现场监测与数值模拟对比
2.1 复合支护结构现场监测
为确保实验结果的准确性，采用经特殊处理的温度探头，在洞内设置3组温度测点，实验设备选用温度计和手持温度仪，监测范围覆盖整个试验洞。对于支护结构内部的温度测量，主要是以测量衬砌的问题，并根据支护结构特征布置相应的探头[1]。其次是根据三种支护结构的特征，布置6组混凝土应力计，以更为精准的测定衬砌内部的受力状态。应力计的布设需要以每两组为标准布置在同一位置，将其中一组数据作为校对成果数据。
现场监测以施工工期3个月为准，测定内容包括围岩内部温度变化及三组支护结构中衬砌内外两侧的温度变化[2]。根据测定结果显示，在施工前期，受试验风洞通风作用影响，围岩内部温度一直保持明显下降趋势。在完成隔热处理之后，围岩温度开始明显回升，在开始混凝土浇筑流程后，温度再次呈现上升趋势，直至施工结束。在持续通风作用下，围岩温度逐步下降至过水操作，由于水体带来的密闭性影响，使得围岩深处热量难以向外传递，围岩内部温度短暂回升。
通过对不同支护结构衬砌温度变化进行分析，可以发现两种试验支护方案的保温隔热效果具有明显差异。对于EPS复合衬砌架构而言，外侧温度介于35℃和40℃之间进行上下浮动，温差变动幅度小。而XPS复合衬砌结构外侧温度则是在35℃和43℃上下浮动，波动幅度较EPS复合衬砌结构要大。而无隔热层的衬砌结构，外侧温度则是在40℃和45℃上下波动，波动幅度在5℃左右，为温差则是在10℃上下波动。
通过上述监测数据可以看出，隔热材料不会对围岩温度造成直接性影响，在浇筑混凝土时，材料的保温隔热性能有限，围岩依然会出现明显的温度上升现象，但是较之于无隔热措施而言，带有隔热材料的试验段围岩温度上升幅度较小，说明隔热材料能够起到一定的保温和隔热作用，相对而言，EPS材料的隔热效果较为优异。
通过对现场应力测试结果分析，在支护结构中添加隔热材料会对其结构稳定性造成影响，尤其是在温度发生突变的情形下，EPS和XPS两种支护结构的稳定性都直接受到破坏。从分析结果可以看出，隔热材料在过水前的保温效果能够保持良好的稳定状态[3]。对两种复合支护结构进行综合分析，可以看出EPS复合支护结构具有更为明显的稳定性。
2.2 复合支护结构数值模拟
复合支护结构数值模拟采用ABAQUS有限元软件进行，其包括三个基本分析模块，在本试验数值模拟中，其流程主要包括如下步骤：选取设计模型，在本研究中，选择地层-结构模型；建立几何模型；根据模型运行要求选取所需要的参数；界定初始条件和边界条件；根据模拟结果数值设定，实现初始地应力；模拟开挖控制生死单元技术；模拟技术步骤，最后完成图表绘制并进行对比分析。通过仿真模拟分析可以得出如下结果：支护结构中是否布置隔热层对围岩内部温度影响不够明显，但是隔热层对支护结构的温度分布具有一定的影响，相对而言，EPS板的隔热性能更好。通过应力模拟结果可以看出，带有隔热层的复合衬砌中间会出现拉应力现象，而内外两侧则是处于压应力状态；普通衬砌则是整体上处于压应力状况并且呈现从内向外逐步增加的特征。
2.3 现场监测与数值模拟对比分析
将现场监测与软件模拟数据相对比，分别对比三种支护结构的温度分布情况可以看出，隔热支护结构的实施，对围岩内部散热速度具有一定的影响，从而较为明显的降低洞内温度变化对围岩的影响，良好的隔热性能能够有效降低温度对支护结构的影响。在应力监测中，三种试验结构的衬砌径向和环向应力都是明显出现压应力状态，极少会出现拉应力现象，其主要原因是在试验过程中隔热材料被破坏，失去应有的隔热性能，从而使得衬砌两侧的温差过大，衬砌出现明显的受拉情况，综合分析EPS复合支护结构的受力特性较之其他试验结构更为优异。
3 高地温引水隧洞支护结构适应性评价
3.1 复合支护结构施工期瞬态仿真数值模拟
对复合支护结构施工期的瞬态仿真数值模拟是在模型构建及网格划分的基础上，在选定参数及相应的边界条件之后，完成温度、位移、应力和塑性区四个个方面的全过程分析。在温度的全过程分析中，温度变化的实际情况与施工内容具有直接性关系，在通风作业阶段，温差变化幅度不大，但是在混凝土施工等阶段，洞壁温差具有明显变化，因此可以看出，隔热层能够在一定程度上阻隔内部和外界之间产生的对流温差。通过对位移的全过程观察可以看出，在隧洞开挖的初始阶段，在拱顶位置的沉降较为明显，在拱底处的回弹位移量最大。随着施工流程的推进，拱顶下沉位移量逐步增大，而拱底则会在喷层施工之后开始下沉，在施工完成后，两处的位移现象逐渐消失并趋于稳定[4]。通过对应力的全过程分析可以得知，在拱顶、拱腰和拱底等位置，其最小主应力均是以压应力的形式存在，但是这种压应力会随着时间延长而呈下降趋势。根据压应力变化趋势可以看出，采用合理的喷层设计，能够在施工过程中提升临时支撑水平。在施工过程中，围岩塑性区会出现不断增大的趋势，单纯依靠喷层无法限制其变化，因此有必要采用二次衬砌的形式来限制这种扩张，从而有效保障施工安全。
3.2 复合支护结构适应性评价
对于复合支护结构的适应性评价，应当从四个层面入手：首先是对不同施工阶段围岩温度的分布规律进行分析，通过这方面的分析可以看出，在支护结构施工时，不断施工期其所能够产生的作用有所不同，但是在实际应用中具有一定的效果。其次是对不同施工阶段围岩位移的分布规律进行总结，可以看出隧洞不同位置的位移现象具有各自特征，借助喷层和二次衬砌施工，能够有效限制位移现象直至保持整体稳定[5]。再次是对不同施工阶段的围岩应力特性分析可以得知，在隧洞不同位置应力变化程度具有明显差异，通过二次衬砌，能够有效起到支撑作用。最后是对不同施工阶段的围岩塑性区进行分析，可以发现通过喷层和二次衬砌形式，能够将复合支护结构的作用充分发挥出来，从而有效抑制围岩塑性区的扩张。
4 高地温引水隧洞复合支护结构的优化
4.1 厚度优化
合理的优化措施是提升复合支护结构性能的基本方法，基于敏感性分析的结果，可以从厚度优化和排列组合优化两个层面入手，实现整体结构的优化。设计敏感性分析是从设计参数对设计响应的敏感程度出发，基于梯度模式实现对设计行为的理解并提升对设计变化的认识。在本实验中，通过对不同厚度的喷层、EPS板和二次衬砌三个方面，以拱顶、拱腰和拱底三个角度进行分析。通过厚度变量的分析，可以明确在厚度增加的情形下，顶部环向盈利抗拉强度也会逐步增大，直至喷层顶部受拉状态发生改变[6]。厚度变化对拱腰处的环向应压力作用效果不够明显，在拱底应力的敏感度最低。通过分析发现，隔热层的厚度变化对内外侧温差无明显影响，可以在保障施工质量的情形下，选择最为经济的优化方案。二次衬砌的厚度对于改善拱顶处、拱腰处和拱顶处的受压状态能够起到作用，但效果不够明显，可以以经济效益为主要考虑影响因素。
4.2 排列组合优化
排列组合优化是通过喷层、隔热层和混凝土衬砌的不同组合形式对支护结构的性能进行比对，具体优化形式包括夹层式复合支护结构和贴壁式复合支护结构两种。通过相关分析可以发现，贴壁式结构的喷层受力状态较好，但是两种支护结构的应力大小都在结构承受范围之内，因此应力不能作为排列组合优化的首要依据。在位移对比分析中，由于贴壁式结构的喷层结构没有在最佳时间起到良好的支撑作用，因此其位移量相对较大。在塑性区对比中，可以看出贴壁式的围岩最大塑性应变大于夹层式，并且塑变现象分布较为密集。通过这两种优化结构的对比，可以看出，基于夹层式复合支护结构，并选择合适的喷层厚度、隔热层厚度和二次衬砌厚度，能够较好的解决高地温引水隧洞的施工问题。
5 总结
本研究主要是将高地温引水隧洞的现场监测与数值模拟进行对比，并以对比结果对复合支护结构的适应性进行分析，在此基础上提出了相应的优化途径和方法。通过整体分析流程可以看出，在不同的工程建设类型中，选择合适的复合支护结构，通过对喷层厚度、隔热层厚度和二次衬砌厚度的合理设计，能够较好的解决高地温引水隧洞施工环境和技术应用方面的问题。但是在本研究中，由于收集工程地质资料的局限性，模式软件运行的性能要求等，所设定的边界条件较为简单，尤其是大部分引水隧洞的形状与数值模拟中的圆形存在一定差异，使得部分模拟结果存在一定偏差。在未来工程建设中，需要进一步对模拟条件进行优化，以此才能够实现更为精准的模拟结果，为施工活动开展提供科学的指导。
参考文献：
[1] 王凯生. 高地温引水隧洞复合支护结构适应性评价及优化设计[D].石河子大学,2020.
[2] 张梦婷,姜海波.高地温水工隧洞围岩喷层结构承载特性研究[J].水利水电技术,2020,51(02):113-121.
[3] 王凯生,姜海波.高地温引水隧洞隔热支护结构温度及应力特性分析[J].水利水电技术,2019,50(11):43-50.
[4] 孙其臣,王立成,赵亚昆,赵晓露.国内某高埋深、高地温引水发电隧洞新型衬砌结构计算分析[J].水利水电工程设计,2019,38(01):9-10+56.
[5] 王排排,姜海波.高地温引水隧洞衬砌结构温度应力现场监测与数值模拟[J].水力发电,2018,44(01):59-63.
[6] 李松磊,王进城,秦玉龙,刘扬.高地温条件下深埋隧洞围岩温度—应力分析及施工对策[J].水利水电技术,2017,48(10):80-86.
基金项目：陕西地建内部科研项目（DJNY2020-33）
作者简介：王俊杰（1990-），男，硕士研究生，主要从事土地工程和水利工程研究。