高地温水工隧洞稳定性与复合支护结构工程应用

第1章 绪论 1.1 工程背景与研究意义 随着国家西部大开发的持续推进和“一带一路”倡议的提出 [1]，许多关系国计民生的基础工程 (如水利、电站、交通和采矿等地下工程) 在环境恶劣、地质结构复杂的高山峡谷开展，将不可避免地遇到许多前所未有的工程难题 (如高地温、高地应力、地震和泥石流等)，严重影响工程的顺利施工和安全运行 [2]。“三高一扰动”(高地应力、高地温、高岩溶水压和强烈开采扰动) 是地下工程进入深部岩体必然要面对的复杂恶劣环境，对地下工程的安全生产提出了极具挑战性的研究课题。与常温、静载条件相比，处于高地温复杂环境下的岩石力学性能及破坏损伤机制具有本质的差异。因此，研究高地温复杂环境下地下洞室岩体的时效力学特性及损伤演化机理，提出适应高地温条件的复合支护结构，对深部高地温地下洞室安全运行具有重要的工程意义。 根据《水利水电工程施工组织设计规范》(SL 303—2017)，地下洞室的平均温度不能超过 28℃，超过规定温度则视为高温洞室。高地温问题会随洞室的长度增大、埋深加深变得更加严重。 国内有许多地下工程存在高地温现象，这些高地温环境下的围岩表面温度都在 40℃ 以上，属于超高地温作业环境。例如，位于雅鲁藏布江桑加峡谷的桑珠岭隧道，隧道全长 16449m，*大埋深约 1480m，其 1 号横洞开挖时出现高地温情况，岩温高达 65℃，随着隧道掘进，岩体温度*高可达 86.7℃，岩石表面温度*高可达 74.5℃，采取一般性降温措施后环境温度达 43.6℃，实属超高地温作业环境。齐热哈塔尔水电站引水隧洞 (水工隧洞) 位于喀什塔什库尔干河西侧，有压引水隧洞总长 15.64km，断面主要为圆形，该引水隧洞埋深大，局部地温梯度较高，施工掌子面钻孔温度高达 72℃，属超高地温作业环境。新疆布伦口–公格尔水电站工程发电引水隧洞总长约 17.36 km，有 4.1 km 的高地温洞室段。工程区属暖温带干旱气候，降雨稀少，蒸发强烈，昼夜温差大，2 号、3 号和 4 号施工支洞也出现高地温问题，掌子面处*高环境温度 67℃，钻孔内*高温度 105℃，实属超高地温作业环境。高黎贡山隧道在勘察选项期间，被发现有 123 个温泉群，其中60～ 95℃ 的高温泉就有 12 处，95℃ 以上的沸泉 1 处，线路论证和隧道设计方案的比选花了近 10 年之久，*终选择了位于黄草坝断裂东南盘相对较低温的隧道线路，全长 34.5km。即使比选出相对低温地带，但施工时隧洞洞身仍受到循环地下热水影响，其中*高水温为 50℃，属超高地温作业环境。娘拥水电站位于四川省甘孜州西南部的硕曲河乡城县河段上的沙贡乡，是硕曲河干流乡城段“一库五级”中的第二个梯级电站，上接古瓦水电站，下游为乡城水电站。四川娘拥水电站引水隧洞全长 15.406km。根据开挖时的数据统计，娘拥水电站引水隧洞开挖过程中掌子面出露的地下水温实测*高达 82℃，爆破后环境温度实测为 48℃，岩石表面温度实测为 52℃。7 条支洞中 1 号支洞洞内环境温度达 43℃，洞内围岩表面温度达 58℃。其涌水水温达 82℃，洞壁 16m 深围岩处*高实测温度高达 78℃。 通过查阅大量文献 [3.15] 发现，在全球范围内部分铁路、公路和引水隧洞在建设过程中均存在高地温问题，表 1.1 为国内外存在高地温问题隧洞工程的相关信息。从表 1.1 中可以看出，大部分地下工程所遇到的地温较高，所涉及的高地温问题很复杂，隧洞围岩稳定及其支护结构设计多为高地温多场耦合问题。 表1.1 国内外存在高地温问题隧洞工程的相关信息表 高地温热害不仅加大了隧洞开挖难度从而影响了施工工期，还对施工人员的生命安全构成了威胁，更重要的是高温环境下通风降温措施使围岩温度骤降，围岩内部与洞壁之间的温差会产生较大的附加温度应力 [3.5]。温度应力不仅影响着混凝土支护结构的耐久性，还影响着支护结构的稳定性，严重情况下会导致支护结构破坏，影响围岩稳定。因此，研究支护结构的力学特性和支护结构的优化设计方案显得尤为重要，本书通过现场实测和数值模拟研究支护结构在高地温复杂环境下的温度分布规律和力学特性，对支护结构在围岩中的适应性进行评价，通过对比分析择优选取*佳支护方案，为存在高地温问题的工程提供具有参考价值的依据和较为可行的技术方案。 虽然国内外学者对高地温条件下岩石的各种性质和理论研究方面做了一些探索，但针对高地温地下洞室设计与施工的研究却颇为少见，特别是高地温复杂环境下地下洞室的关键施工技术和高地温条件下岩体的时效力学特性、支护结构设计、不同运行工况下围岩及其支护结构的力学特性等方面更是鲜有涉及。本书结合新疆典型的高地温引水隧洞工程 (布伦口–公格尔水电站引水隧洞工程、齐热哈塔尔水电站引水隧洞、托尕依水电站引水隧洞工程) 存在的高地温问题开展研究，揭示工程高地温的成因和温度演变机制，研究高地温复杂环境下隧洞施工的关键技术和高地温环境下岩体的时效力学特性；探究高地温复杂环境下水工隧洞岩体的短期、长期力学特性；研究高地温复杂环境下地下洞室岩体锚固机制与力学性能演化机制，为高地温区水工隧洞的设计、施工及运行管理提供一定的理论依据，也为高地温区水工隧洞锚固衬砌技术的发展提供一定的理论基础。 1.2 研究现状 高地温对洞室围岩、锚固支护结构的力学、热力学参数有较大影响，岩体的稳定性又受到节理面、层理面等微观结构的影响，进一步影响地下洞室锚固衬砌结构的稳定。有关高地温区地下洞室岩体的物理力学性质及其围岩稳定、支护结构设计等相关理论的研究主要集中在以下几个方面。 1. 高温作用下岩石物理力学特性 高地温隧洞与地下工程的施工、地热系统的开发建设，以及核废料地下储存库的设计等都会涉及高温作用下的岩石物理力学特性、损伤力学特性及其支护衬砌结构的研究。因此，高地温地质环境下多场耦合作用岩体力学特性及其损伤破坏机制的研究引起了国内外学者的广泛关注。 Chen 等 [6] 通过声发射试验确定了花岗岩加热过程中的温度阈值。1985 年，Alm 等 [7] 对花岗岩在不同温度处理后的热破裂过程进行了研究。Trice 等 [8] 对不同高温处理后的花岗闪长岩进行波速和渗透率测试，得到温度与波速、温度与渗透率之间的关系。苏承东等 [9] 对经历 400～1000℃ 细砂岩试样进行了 X 射线衍射、扫描电镜及单轴压缩试验，分析了高温后试样矿物成分、结构特征及力学参数与温度的相关性。张卫强 [16] 开展了灰岩、砂岩和花岗岩三种岩石的孔隙度测试，研究孔隙度在高温作用下的变化，发现三种岩石孔隙度随温度的变化特性相似，孔隙度随着处理温度的增大而增大，孔隙度先缓慢增大，然后快速增大，在此过程中得出岩石热损伤温度阈值。Yang 等 [11] 开展了室温至 800℃ 高温处理的砂岩物理力学特性研究，结果表明砂岩的温度阈值在 400～500℃。砂岩在 300℃时峰值强度和弹性模量*大，泊松比随温度升高的变化曲线在 600℃ 时出现转折，呈现先降低后增加的趋势。苏承东等 [12] 分别对高温 (100～900℃) 作用后粗砂岩和细砂岩进行力学特性测试，结果表明对于粗砂岩来讲，500℃ 处会出现力学参数的突变；在细砂岩力学实验研究中，600℃ 为细砂岩力学性能改变的阈值温度。力学参数是从宏观角度表征岩石破裂情况，而声发射监测以岩石破裂事件数为依据进行统计，二者相辅相成。胡建军 [13] 不仅发现灰岩波速在 100～500℃ 逐渐下降，而且发现波速下降与加热循环次数有关，随着循环次数的增加波速变化率增大。此外，在循环次数相同情况下，随着处理温度的升高波速下降的变化率逐渐增大。Kumari 等 [14] 开展高温、高压共同作用下的花岗岩力学特性测试，二者对岩石力学性质均有影响，并且围压对岩石力学性质的影响要大于温度效应。高温高压条件下，砂岩在围压为 20 MPa、温度为 400 ℃ 时杨氏模量和峰值强度变化特征存在拐点，超过该点杨氏模量和峰值强度会降低 [15]。韩观胜等 [10] 采用自然冷却和遇水冷却的高温砂岩进行物理力学性质试验，通过试验结果对比，发现采用遇水冷却方式的岩石试样应力–应变曲线的压密阶段缩短，峰值应变减小，岩石由脆性向塑性转变。随着处理温度升高，试样单轴抗压强度和弹性模量先降低后增大。喻勇等 [17] 以不同温度遇水冷却后的花岗岩为研究对象，进行了压入硬度试验、摩擦磨损试验和室内微钻试验，结果表明高温后快速冷却可以提高花岗岩的可钻性。姚孟迪 [18] 对大理岩、砂岩和花岗岩在温度作用下的力学特性进行了研究。结果表明，大理岩和花岗岩随着温度的升高，其强度逐渐减弱，而砂岩强度随着温度升高反而降低，大理岩对于热损伤的力学响应*为明显，花岗岩次之，砂岩*弱。 2. 高地温地下洞室围岩温度场及演化规律 存在于地层中未受人类工程扰动的天然温度称为岩层的原始温度，也称为原岩温度 [19.21]。原岩温度场的形成主要与地球的物质组成和动力运动过程等因素有关。对于地下岩石工程，影响其原岩温度场的因素主要是区域背景大地热流值、地层结构和导热性能、地质构造、热水运移，以及放射性元素生热等 [22.24]。 杨德源等 [25] 在一维非稳态导热条件下，求出了导热微分方程的解析解，得到了任意通风时间和洞室围岩深度处的岩温。高平 [26] 对岩石热物性参数及多场热效应耦合模型进行了研究，确定温度场、渗流场及应力场的时空演变规律。吴星辉等 [27] 基于循环水热交换技术提出将深部采矿降温和岩体地热开采相结合的理论，利用数值模拟方法研究增强型和传统型降温系统的单孔换热过程和换热孔群效应，并分析了岩体的温度场分布规律。张源 [28] 的研究表明，地下洞室壁面处的温度梯度和热流密度*大，随着距离壁面深度的增加，温度梯度和热流密度逐渐降低。 王义江 [29] 通过研究发现，地下洞室壁面温度与对流换热系数有很大的关系，风温增大，围岩温度变化幅度减小；风流与围岩温差越大，围岩内部的温度梯度越高。郭清露等 [30] 为研究不同温度作用后大理岩的渐进破坏全过程，对 25℃、200℃、400℃ 和 600℃ 的大理岩进行了单轴压缩试验，分析了高温大理岩的破裂模式，分析了起裂应力和损伤应力的取值范围，并对损伤演化规律及应力–应变模型进行了研究。Yavuz 等 [31] 等通过试验，研究了高温后岩石的物理力学性质。Rudajev 等 [32] 指出单轴受压岩石破坏的前兆特性是声发射累计事件率的突增；Rudajev 等 [33] 研究了分级加载条件下岩石的声发射特性；Eberhardt 等 [34]和 Cai 等 [35] 首次将声发射技术应用于确定岩石的起裂应力和损伤应力。 综合以上的分析，在高地温地下洞室围岩物理力学特性、温度场及其演化规律方面，现有的高地温地下洞室传热模型过于简单。例如，假设地下洞室壁面温度不变，风温在洞室轴向上不变，洞室围岩轴向上不存在温度梯度，甚至假设地下洞室围岩导热是稳态的等等，假设条件越多，结果往往与实际相差越大。在高地温地下洞室围岩温度分布的时空关系方面，目前多是研究均匀介质围岩的温度场，对具有隔热结构的地下洞室复合介质围岩温度场的研究并不多。 因此，有关高地温地下洞室围岩温度场及其演化规律的研究还不是很充分，主要原因是地下洞室所处的边界条件比较复杂。洞室开挖过程中，洞室边界条件受到岩体特性、环境温度、通风条件、导热系数、对流换热系数等影响，温度变化机制复杂，计算分析较为困难。通过现场监测试验能获得比较可靠的数据，对指导洞室围岩施工具有重要的科研价值，但是现场监测试验成本高、周期长，获得长时间的监测数据对洞室设计与施工具有重要的意义。但目前还没有针对高地温地下洞室长时间监测试验的报道。 3. 高地温复杂环境对地下洞室围岩衬砌结构性能的影响 针对高