周富強(qiáng)

(新疆瑞昶設(shè)計(jì)院有限公司，烏魯木齊，830000)

隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，與交通和水利等基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)的地下洞室工程日漸增多，并逐漸向深埋和長距離的方向發(fā)展[1]。大量工程實(shí)踐顯示，深埋長隧洞由于埋深大，同時(shí)還會(huì)穿越多種不同的地質(zhì)單元，因此往往會(huì)遇到高地溫、高地應(yīng)力、涌水等一些特殊的地質(zhì)問題，給工程的施工建設(shè)造成明顯的不利影響[2]。目前，在地下洞室工程施工中關(guān)于涌水、巖爆和坍塌等方面的研究比較深入，成果相對(duì)比較豐富，而在高地溫隧洞開挖支護(hù)方面的研究相對(duì)較少。而且，隨著地下洞室工程埋深的增加，高地溫問題日漸突出，會(huì)明顯影響到地下洞室工程的施工進(jìn)度、施工安全以及工程質(zhì)量[3]。

對(duì)高地溫水工隧洞而言，由于襯砌混凝土一側(cè)接觸的是高溫圍巖，另一側(cè)則是低溫的水或空氣，兩側(cè)會(huì)存在較大的溫差，其產(chǎn)生的溫度應(yīng)力必將會(huì)影響混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量和耐久性[4]。近年來，部分學(xué)者在高地溫背景下地下洞室工程襯砌結(jié)構(gòu)受力特征方面進(jìn)行了深入研究，并取得了一系列重要的研究成果，但是仍有諸多亟待解決的理論和工程問題[5]。另一方面，由于該領(lǐng)域的研究起步較晚，因此大多通過數(shù)值模擬的研究方式展開。當(dāng)然，數(shù)值模擬研究具有其自身的優(yōu)勢，但是也存在一定的缺陷和不足，特別是面對(duì)復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境時(shí)，其模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性仍有待提高[6]?；诖耍舜窝芯恳詫?shí)際工程為依托，利用現(xiàn)場監(jiān)測的方式對(duì)高巖溫對(duì)輸水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)受力特征進(jìn)行分析，力求為相關(guān)工程設(shè)計(jì)和理論研究提供有益的支持和借鑒。

1 計(jì)算模型的構(gòu)建

1.1 工程背景

新疆某水電站工程的引水隧洞巖體整體性較好，巖性為堅(jiān)硬的黑云母花崗巖以及半堅(jiān)硬的各類石英片巖。在該工程施工的前期地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，發(fā)電引水隧洞前段存在明顯的高地溫現(xiàn)象。同時(shí)，由于云母石英片巖中夾雜有石墨片巖，因此巖體的導(dǎo)熱性較好，導(dǎo)致熱量從巖層深部向上傳導(dǎo)，從而形成高地溫。在高地溫試驗(yàn)段內(nèi)，鉆孔監(jiān)測到最高溫度為105℃，在輸水隧洞施工過程中的內(nèi)外壁的溫差會(huì)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力造成顯著影響。

1.2 監(jiān)測方案

在高地溫洞段圍巖的開挖和支護(hù)過程中，布置相應(yīng)的監(jiān)測系統(tǒng)，對(duì)隧洞支護(hù)系統(tǒng)的力學(xué)和變形動(dòng)態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果的分析，可以對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和可靠性分析提供必要的依據(jù)。為了探討背景工程襯砌結(jié)構(gòu)受力特征隨時(shí)間變化的規(guī)律，研究中選擇引水隧洞進(jìn)口開始的前100m作為試驗(yàn)洞段。樁號(hào)為Y0+000～Y0+100。在試驗(yàn)洞段設(shè)置3個(gè)監(jiān)測斷面，分別位于距離引水隧洞入口0m、50m和100m的部位。

為了研究高地溫條件下襯砌結(jié)構(gòu)的受力情況，在三個(gè)監(jiān)測斷面布置應(yīng)力應(yīng)變觀測儀器，對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測。具體而言，在襯砌混凝土施工之前安裝應(yīng)力計(jì)，主要用于監(jiān)測襯砌結(jié)構(gòu)和圍巖之間的接觸壓力，應(yīng)力計(jì)布置在輸水隧洞的拱頂部位。此時(shí)試驗(yàn)中采用的應(yīng)力計(jì)為GPL-2型混凝土噴層應(yīng)力計(jì)，主要由承壓板、傳感頭以及信號(hào)電纜三部分構(gòu)成[7]。

為了全面了解高地溫條件下引水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)塑性應(yīng)變的變化規(guī)律，在襯砌混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部布設(shè)應(yīng)變計(jì)[8]。試驗(yàn)中采用的是GHB型鋼弦式應(yīng)變計(jì)，由鋼弦、敏感膜片、激振線圈、接收線圈、測定儀組成，主要應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)中應(yīng)變量的測量。應(yīng)變計(jì)的埋設(shè)思路和應(yīng)力計(jì)類似，也就是在3個(gè)主要監(jiān)測斷面埋設(shè)三個(gè)應(yīng)變計(jì)，所有應(yīng)變計(jì)的布設(shè)均為徑向布設(shè)方式。其埋設(shè)的原則是當(dāng)混凝土澆筑到高出應(yīng)變計(jì)埋設(shè)位置10cm～20cm時(shí)，挖應(yīng)變計(jì)2倍以上大小的凹槽，按照垂直于洞壁的方向?qū)?yīng)變計(jì)安置在挖好的槽中，然后人工回填混凝土并振搗密實(shí)。

在監(jiān)測過程中隧洞周邊位移的量測需要在開挖洞壁上及時(shí)安置監(jiān)測點(diǎn)，并使用收斂計(jì)對(duì)兩個(gè)測點(diǎn)之間的距離進(jìn)行量測，將兩次量測之間的差值作為該時(shí)段的位移值[9]。所有的監(jiān)測量均在襯砌支護(hù)施工后開始，每5d記錄一次試驗(yàn)數(shù)據(jù)，連續(xù)監(jiān)測100d。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 最大主應(yīng)力

研究中對(duì)距離洞口0m、50m和100m三個(gè)典型監(jiān)測斷面襯砌結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)獲取的最大主應(yīng)力數(shù)據(jù)，繪制出如圖1所示的最大主應(yīng)力的變化規(guī)律。由計(jì)算結(jié)果可知，試驗(yàn)洞段襯砌結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力，其最大值為1.69MPa。在施工過程中，洞口監(jiān)測斷面的最大主應(yīng)力隨著時(shí)間的推移呈現(xiàn)出迅速增大并逐漸趨于穩(wěn)定的變化特點(diǎn)，而其余兩個(gè)監(jiān)測斷面的最大主應(yīng)力隨著時(shí)間的推移均呈現(xiàn)出先迅速增大，之后迅速減小并逐漸趨于穩(wěn)定的特點(diǎn)。同時(shí)，隧洞內(nèi)部襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定之后的最大主應(yīng)力值明顯偏大。從具體的試驗(yàn)結(jié)果來看，隧洞口襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定之后的最大主應(yīng)力值約為0.59MPa，而距離洞口50m和100m部位穩(wěn)定之后的最大主應(yīng)力值分別為0.92MPa和0.83MPa。同時(shí)，在距離洞口50m和100m的兩個(gè)監(jiān)測斷面，其最大主應(yīng)力值還存在明顯的突增現(xiàn)象，最大主應(yīng)力的峰值比穩(wěn)定之后的最大主應(yīng)力明顯偏大。鑒于洞口部位埋深較淺，同時(shí)與周圍環(huán)境的熱交換比較劇烈，襯砌結(jié)構(gòu)受高地溫環(huán)境影響較小，而隧洞深部的襯砌結(jié)構(gòu)受圍巖溫度荷載的影響較大，所以在高地溫條件下，引水隧洞的襯砌結(jié)構(gòu)受圍巖荷載的影響較大，在進(jìn)行襯砌結(jié)構(gòu)施工過程中需要注意結(jié)構(gòu)選取，提高襯砌結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定性。

圖1 襯砌結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力變化曲線

2.2 襯砌位移

與最大主應(yīng)力的研究類似，利用三個(gè)不同監(jiān)測斷面的輸水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制出如圖2所示的監(jiān)測斷面最大位移量隨時(shí)間的變化規(guī)律。由圖可知，隨著時(shí)間的推移，襯砌結(jié)構(gòu)的位移量呈現(xiàn)出先迅速增加后逐漸趨于穩(wěn)定的變化特點(diǎn)。從不同監(jiān)測斷面的監(jiān)測結(jié)果對(duì)比來看，洞口部位的襯砌結(jié)構(gòu)在初期就產(chǎn)生了十分明顯的位移變化，但是之后的增加速率相對(duì)較小，因此穩(wěn)定之后的位移量也相對(duì)較小，為1.61mm左右。隧洞深部距離洞口50m和100m的兩個(gè)典型監(jiān)測斷面的位移量在施工初期較小，然后隨著時(shí)間的推移而小幅增加，但是在第25d和第45d急劇增加，使曲線出現(xiàn)突增拐點(diǎn)，這一變化特征與最大主應(yīng)力的時(shí)間序列變化規(guī)律比較一致。這也進(jìn)一步說明，高溫的圍巖巖體和襯砌結(jié)構(gòu)直接接觸，會(huì)產(chǎn)生比較明顯的相互作用，進(jìn)而影響到襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移變化。由此可見，要保證隧洞圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性可以從襯砌結(jié)構(gòu)入手，通過增加初期結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，減小襯砌結(jié)構(gòu)位移的方式來減小圍巖位移，從而保證隧洞整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。這就需要在實(shí)際工程設(shè)計(jì)施工過程中選擇滿足工程實(shí)際需求的襯砌結(jié)構(gòu)，防止其位移持續(xù)增大而影響水工隧洞的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 襯砌結(jié)構(gòu)最大位移變化曲線

2.3 塑性應(yīng)變

利用試驗(yàn)中的圍巖塑性應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制出如圖3所示的塑性應(yīng)變變化規(guī)律。由圖3可知，隨著時(shí)間的推移，襯砌結(jié)構(gòu)的塑性應(yīng)呈現(xiàn)出迅速增加并逐漸趨于穩(wěn)定的變化特點(diǎn)，其變化的拐點(diǎn)位置與最大主應(yīng)力和位移的變化規(guī)律基本一致。同時(shí)，距離隧洞口0m部位的塑性應(yīng)變值相對(duì)較小，而隧洞深部兩個(gè)監(jiān)測斷面的塑性應(yīng)變值比較接近且相對(duì)較大。由此可見，高地溫會(huì)對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的塑性應(yīng)變產(chǎn)生顯著的影響，因此在工程設(shè)計(jì)施工過程中需要根據(jù)工程實(shí)際，確定最符合要求的襯砌方案，保證施工安全和隧洞圍巖襯砌結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定。

圖3 襯砌結(jié)構(gòu)塑性應(yīng)變變化曲線

3 結(jié)語

本文利用現(xiàn)場監(jiān)測的方法，基于位移、應(yīng)力和應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，獲得高地溫水工隧洞襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移和塑性應(yīng)變的變化規(guī)律。結(jié)果顯示，在高地溫條件下，引水隧洞的應(yīng)力、位移和塑性應(yīng)變變化規(guī)律比較一致，且最大主應(yīng)力、位移和塑性應(yīng)變值相對(duì)較大，容易導(dǎo)致隧洞襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，需要在工程設(shè)計(jì)和施工過程中進(jìn)行多方案設(shè)計(jì)和比選，最終確定符合工程要求的襯砌方案。同時(shí)，研究方法本身也具有一定的工程普適性，可以為相關(guān)類似工程研究提供有益的方法借鑒。當(dāng)然，此次研究中沒有考慮圍巖內(nèi)部可能存在的節(jié)理斷層等復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響，在今后的研究中需要對(duì)此進(jìn)行進(jìn)一步的研究。