高地溫水工隧洞節理圍巖溫度場及塑性區特性研究

宋 剛，姜海波

(1.新疆兵團勘測設計院集團股份有限公司，新疆 烏魯木齊 832002；2.新疆農業大學水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 832003)

0 引言

高地溫地質環境下，高溫效應及其圍巖節理結構特征對隧洞穩定性的影響是高地溫隧洞設計與運行的關鍵問題。理論與工程實踐證明，水工隧洞圍巖的破壞失穩，本質上是由塑性區所引起的，塑性區的特征和范圍決定了它的破壞特征和程度[1-3]。高溫效應及其圍巖節理結構特征耦合影響下的圍巖塑性區分析是工程中面臨的關鍵問題[4]。

許多研究者針對完整圍巖的塑性區特征開展了研究。王衛軍等[5]結合摩爾庫倫強度準則，推導了考慮支護力作用下的巷道圍巖塑性區邊界方程的近似解，得出了支護阻力對圍巖塑性區范圍和形態的影響。郭曉菲等[6]研究了不同圍壓條件下均質圍巖塑性區形態，并推導出了形態系數的計算公式。Eugie K.等[7]采用收斂約束法(CCM)對隧道收斂性和支護合理性進行了評價，預測了塑性區和隧道收斂范圍比常規方法高10%和4%。蔣斌松等[8]采用彈塑性理論推導了均勻應力場下圍巖破裂區和塑性區范圍的解析式。Hamed Molladavoodi等[9]利用有限差分軟件模擬得到了非均勻地應力條件下塑性區膨脹角近似為常數。以上研究成果為認識完整圍巖塑性區特征做出了重要貢獻。然而，天然巖體往往存在節理裂隙，圍巖塑性區的分布規律必然不同于完整圍巖[10]。張晉等[11]通過室內試驗、現場實測和數值模擬等手段，分析了巖體的抗拉強度與節理傾角的關系，證明了節理傾角對巖體塑性區的發展具有一定影響。此外，深部洞室巖體常處于復雜的熱力學環境中，研究多場耦合作用下節理圍巖的塑性區特征對實際工程的設計和穩定分析更具有工程價值[12-14]。

本文基于高地溫隧洞現場溫度及位移數據，分析高地溫隧洞節理圍巖溫度變化特性，研究圍巖不同部位、不同深度的位移變化規律。同時采用離散元方法，模擬熱力耦合作用下不同高溫、不同節理結構特征隧洞圍巖溫度場、位移場規律及塑性區分布范圍，分析不同高溫、不同節理結構對高地溫隧洞圍巖塑性區的影響。研究成果對高地溫環境下節理圍巖隧洞工程的穩定性分析具有重要參考意義。

1 高地溫隧洞節理圍巖溫度及變形特性分析

1.1 工程概況

某深埋高地溫水工隧洞，隧洞全長18.4km，在掘進過程中洞內掌子面最高溫度達到105℃。高地溫隧洞段巖石堅硬，較完整，塊狀構造，主要發育有：J1：71°NW∠89°、J2：55°NW∠42°、J3：64°NW∠68°三組節理，節理面多平直、無填充物，個別節理面帶有鐵銹色，會貫穿洞室。在高地溫隧洞穩定分析，高溫效應及其節理結構特征對隧洞圍巖穩定起著控制性的作用，研究高溫效應及其不同節理結構特征對隧洞塑性區和力學特征的影響，對高地溫水工隧洞節理圍巖穩定分析具有重要工程意義。

1.2 監測方案

在高地溫影響下，隧洞節理圍巖的位移特性對隧洞穩定分析具有決定性作用。因此，項目組采用溫度探頭和四點式位移計對圍巖不同部位、不同深度的溫度、位移進行了長時間連續監測，如圖1所示。

圖1 高地溫隧洞圍巖現場監測布置

圍巖內部溫度監測范圍為9.0m，考慮到圍巖溫度是由下部傳導上來，將監測儀器布置于圍巖直墻處，探頭可監測距洞壁0、3.0、6.0、9.0m位置的圍巖溫度，共布設8個觀測組。圍巖位移監測主要借助四點式多點位移計，在拱頂和拱底沿隧洞縱向每3m埋設一套四點式位移計，對距隧洞洞壁0、3.0、6.0、12.0m位置位移變化進行監測，共布設8個觀測組。

1.3 監測成果分析

在距洞軸線深度小于8.3m時，節理圍巖自洞壁至巖體深處沿徑向呈遞增的變化趨勢，同時越靠近洞壁溫度的變化幅度越大，如圖2所示。在第10天時，1#探頭、2#探頭、3#探頭與4#探頭的溫度分別為19.03℃、62.4℃、72.8℃與79.9℃。另外，不同深度的節理圍巖均表現為溫度同時上升或下降。而在距洞軸線深度11.3m時，節理圍巖溫度穩定在80℃左右，說明距洞軸線11.3m時處于節理圍巖的恒溫區。

圖2 拱腰處不同圍巖深度溫度變化過程線

從隧洞位移角度分析，拱頂最大位移量為7.7mm(距洞壁0m處)，最小位移量為6.5mm(距洞壁9m處)，拱底最大位移量為0.94mm(距洞壁0m處)，最小位移量為0.3mm(距洞壁9m處)，說明拱頂處比拱底處的圍巖更易發生變形破壞，如圖3—4所示。另外，節理圍巖的變形位移大小與節理圍巖的徑向深度有關，節理圍巖的變形位移隨著圍巖徑向深度的增大而變大，即節理圍巖的變形位移自隧洞壁至巖體深處沿徑向呈遞增趨勢，并且隨著時間變化不同深度的節理巖體的變形位移均表現為同時增加并且趨于穩定狀態。

圖3 拱頂不同深度位移變化

圖4 拱底不同深度位移變化

2 隧洞位移及塑性區演化特征

2.1 模型及計算參數

塊體離散元計算軟件能更有效模擬復雜結構面[15-22]，對節理圍巖模擬結果較精確。為了研究節理圍巖位移及塑性區演化特征，采用離散元方法建立考慮節理結構面的數值計算模型，如圖5所示。由于模型建立存在節理，同時涉及耦合計算，需要運算較長的時間，所以對模型進行簡化處理，模型尺寸為4m×60m×60m，洞寬4.6m，高5.3m。模型前、后、左、右和下邊界采用固定位移約束，上邊界按實際工程埋深800m荷載施加。

圖5 隧洞節理三維模型

通過現場資料綜合考慮3條遍布整個模型的節理組J1、J2和J3，節理采用摩爾庫倫滑動屈服準則，依據勘查設計資料得節理參數見表1。依據現場監測結果得模型中巖體溫度設置為90℃，洞內溫度設置為20℃。節理巖體力學參數見表2。

表1 節理結構參數

表2 巖體力學力學參數

2.2 節理圍巖溫度分布

圍巖溫度變化沿圍巖厚度方向呈非線性遞增變化，且逐漸趨于穩定，如圖6所示。節理圍巖溫度模擬值、完整圍巖溫度模擬值、工程實測值在圍巖深度11.7、22.8、11.3m時趨于穩定。節理圍巖溫度變化率高于不含節理結構的圍巖溫度變化率，說明含節理圍巖減少了圍巖變溫區的面積，增加了圍巖恒溫區的面積。

圖6 圍巖高地溫變化

當圍巖節理參數發生變化時，圍巖維度場也存在顯著變化。不同節理傾角下(見表3)，圍巖的溫度變化規律如圖6所示。節理傾角dip依次為0°、30°、60°、90°、120°、150°時，變溫區半徑依次是22.8、12.2、16.5、24.9、13.4、7.2m，說明節理傾角的變化影響變溫區半徑，變溫區半徑隨著節理傾角度數的增加呈倒N型變化，在節理傾角dip150°時變溫區半徑最小。

表3 不同節理傾角工況

節理傾角在豎直或者水平時對溫度場分布的影響，大于節理傾角在水平或者豎直方向有一定夾角的，并且節理傾角越靠近水平方向或豎直方向對溫度場的影響越大，如圖7所示。

圖7 不同節理傾角下的溫度分布云圖

2.3 變形位移分析

節理結構特征對圍巖位移也有較為顯著的影響。在拱頂處，實測值和節理圍巖模擬值沿圍巖厚度方向呈遞減變化，并且實測值大于節理圍巖模擬值，基本上實測曲線和節理圍巖模擬曲線變化趨勢保持一致，而完整圍巖模擬值沿圍巖厚度方向呈遞增變化，且位移值均大于實測值和節理圍巖模擬值，如圖8—9所示。在拱底處，實測值、節理圍巖圍巖模擬值和完整圍巖模擬值沿圍巖厚度方向位移都呈遞減變化，完整圍巖模擬值大于節理圍巖模擬值和實測值。另外，拱頂處的位移量遠遠大于拱底處的位移量。

圖8 拱頂不同深度位移變化曲線

圖9 拱底不同深度位移變化曲線

不同節理傾角對圍巖位移的影響也較大。圍巖位移分布隨節理傾角的變化會出現改變，節理傾角分別為0°、30°、60°、90°、120°、150°時，最大位移分別為11.17、8.07、7.56、11.41、6.23、6.90mm，說明水平節理組或者豎直節理組的位移量大于傾斜節理組的位移量，并且最大位移都出現在拱頂正上方位置，如圖10所示。

圖10 不同傾角的圍巖節理組位移分布

2.4 高地溫節理巖體塑性區演化特征

水工隧洞圍巖的破壞失穩，本質上是由塑性區所引起的，而溫度應力又對圍巖塑性區得影響極大。在熱力作用下塑性區面積分別為22.89、27.02、31.54、38.29、30.5、22.25m2，與僅有地應力作用下塑性區面積的增大率分別為89.7%、89.93%、87.95%、73.6%、107.58%、69.18%，如圖11所示。表明在熱力共同作用下節理巖體的塑性區更顯著，比在僅有地應力作用下塑性區面積增加了近一半。節理傾角與豎直方向夾角越小，節理圍巖的塑性區面積越大，當節理傾角dip=90°(豎直節理組)時，節理圍巖的塑性區面積最大。

圖11 不同節理傾角下圍巖的塑性區面積

隨著洞內溫度的增加或巖體深部溫度的增加，圍巖的塑性區半徑增大，同時洞內溫度變化對塑性區半徑影響大于巖體深部溫度變化，但理論計算值與數值模擬值有較大的偏差，主要是由于數值模擬的建立含有一定的節理結構，使得模擬值大于理論值。

不同節理傾角對圍巖塑性區的影響也較大，如圖12所示。不同的節理組圍巖產生不同的塑性區形態，塑性區沿著節理傾角的方向產生不均勻性擴展，改變圍巖塑性區發展的方向，加大圍巖塑性區發展范圍。而與節理傾角垂直的方向產生變化較小的均勻性擴展，塑性區邊界也往往和節理面相重合，相對阻礙圍巖塑性區的發展，并且水平或者豎直節理組的塑性區范圍最大，說明不同的節理組影響塑性區發展的形態和大小。

圖12 不同節理組圍巖塑性區分布

3 結論

(1)節理圍巖溫度場呈圓形分布，離隧洞中心軸距離越遠，越靠近圍巖深處，節理圍巖溫度越高；相較于完整圍巖，節理圍巖減少了隧洞圍巖變溫區的面積，增加了隧洞圍巖恒溫區的面積。另外節理傾角在豎直或者水平時對溫度場分布的影響大于節理傾角在水平或者豎直方向有一定夾角的，并且節理傾角越靠近水平方向或豎直方向對溫度場的影響越大。

(2)節理圍巖的變形位移自隧洞壁至巖體深處沿徑向呈遞增趨勢，并且隨著時間變化不同深度的節理巖體的變形位移均表現為同時增加并且趨于穩定狀態。同時，與完整圍巖相比，節理圍巖在一定程度上降低變形位移量。另外，水平節理組或者豎直節理組的位移量大于傾斜節理組的位移量，并且最大位移都出現在拱頂正上方位置。

(3)熱力共同作用下節理圍巖塑性區面積比在僅有地應力作用下塑性區面積增加了近一半，同時，隨著巖體溫度和洞內溫度的增加，塑性區范圍也變大，且洞內溫度變化對塑性區的敏感程度大于巖體深部溫度的變化。另外，節理傾角與豎直方向夾角越小，節理圍巖的塑性區面積越大。同時不同傾角的節理組會改變塑性區的形態特征。