高岩温引水隧洞围岩稳定性与支护衬砌设计方法研究

前言

1 高岩温隧洞的工程背景与研究现状 1

1.1 引言 1

1.2 高岩温对地下洞室围岩稳定及支护结构的影响 2

1.2.1 高岩温隧洞（道）现状 2

1.2.2 隧洞温度场研究现状 6

1.2.3 引水隧洞内外温差下混凝土衬砌受力研究 10

1.3 高岩温隧洞工程存在的问题 11

2 高岩温引水隧洞的温度场特性 14

2.1 隧洞温度场基本理论 14

2.2 高岩温隧洞未支护条件下传热解析解及参数影响 17

2.2.1 毛洞温度场的基本假定及控制方程 17

2.2.2 方程求解 18

2.2.3 未支护条件下高温隧洞传热特性及参数影响分析 22

2.3 高岩温隧洞支护措施下传热解析解及参数影响 25

2.3.1 隧洞与支护结构温度场的基本假定及控制方程 26

2.3.2 方程求解 28

2.3.3 支护条件下高温隧洞传热特性及参数影响分析 35

2.4 高岩温隧洞温度场原位试验结果与分析 44

2.4.1 原位试验设计 44

2.4.2 高岩温隧洞温度测试 46

2.4.3 隧洞施工期温度场变化规律分析 52

2.4.4 运行期温度场变化规律 56

2.4.5 检修期温度场变化规律 66

2.5 高岩温引水隧洞温度场解析分析 73

2.5.1 隧洞围岩与支护结构温度场解析 73

2.5.2 复合衬砌模型温度解析与实测对比 82

2.6 小结 87

3 高岩温引水隧洞与支护结构热力学参数与边界条件 92

3.1 数值仿真试验研究思路与方法 92

3.2 高岩温隧洞与支护结构受力的参数影响 94

3.2.1 岩石相关参数随温度变化对支护结构受力的影响 94

3.2.2 支护材料特性随温度变化对支护结构受力的影响 99

3.2.3 围岩及支护结构参数均随温度变化时支护结构受力分析 103

3.3 支护结构与围岩黏结条件对支护结构受力影响分析 105

3.3.1 高温条件下支护结构与围岩间接触条件的影响 105

3.3.2 高温环境中混凝土与围岩黏结强度室内试验 106

3.3.3 接触面不同状态对支护结构受力影响分析 106

4 高岩温引水隧洞的温度应力特性 110

4.1 高温差下隧洞围岩与支护系统温度应力现场试验 110

4.1.1 现场试验布置 110

4.1.2 试验内容 110

4.1.3 不同隔热材料对衬砌应力影响分析 116

4.1.4 不同工况下不同隔热层衬砌环向应力分析 117

4.1.5 不同工况下不同衬砌径向应力分析 124

4.1.6 衬砌裂缝成因分析 130

4.1.7 无衬砌设计时喷层应力测试与分析 131

4.1.8 无衬砌设计时喷层应变测试与分析 153

4.1.9 无衬砌方案隧洞温度-应力耦合规律研究 158

4.2 高温差下衬砌结构热应力模型试验 165

4.2.1 模型试验方案设计 165

4.2.2 温度加载方法及方案 171

4.2.3 数据测量及记录 173

4.2.4 试验结果分析 177

4.2.5 小结 192

4.3 高温差下隧洞与衬砌结构温度应力数值仿真试验 193

4.3.1 数值分析边界条件 194

4.3.2 Ⅲ围岩洞段支护受力分析 197

4.3.3 Ⅳ类围岩高温洞段隧洞与衬砌受力分析 227

4.3.4 Ⅴ类围岩与衬砌结构受力分析 266

4.3.5 喷层结构替代衬砌结构的可行性分析 283

4.3.6 小结 295

5 高岩温引水隧洞在内水压力下支护结构温度-应力耦合机制 297

5.1 隧洞围岩与衬砌TM 准耦合解析解分析 297

5.1.1 隧洞无衬砌支护下温度场、应力场耦合机制分析 297

5.1.2 隧洞衬砌支护下温度场、应力场耦合机制分析 301

5.1.3 隧洞与支护结构温度场、应力场耦合求解的“微步开挖模型” 319

5.1.4 不同荷载对衬砌TM 耦合影响分析 321

5.1.5 现场实验结果 328

5.2 内水及温度荷载作用下的支护结构受力解析解分析 331

5.2.1 内水荷载作用下支护结构解析解 331

5.2.2 内水及温度共同作用下的应力分析 333

5.2.3 算例分析 333

5.3 内水及温度荷载作用下围岩与支护结构有限元分析 336

5.3.1 瞬态温度、应力耦合分析 336

5.3.2 内水荷载下的应力分析 338

5.3.3 温度荷载及内水荷载叠加下应力分析 338

5.4 高岩温引水隧洞支护设计原则 340

5.4.1 基本原则 340

5.4.2 具体设计与施工措施建议 341

5.5 小结 343

6 高岩温引水隧洞的喷层与衬砌混凝土结构抗高温特性 345

6.1 高岩温对混凝土的影响 345

6.1.1 高岩温对纤维混凝土的影响 345

6.1.2 高温下喷层混凝土的抗折强度变化规律及机理 350

6.1.3 不均匀温度场养护条件下喷层混凝土的强度特征 354

6.1.4 不均匀温度梯度下喷层的热应力特征 358

6.1.5 热应力作用下的喷层抗拉强度 367

6.1.6 不均匀温度梯度下混凝土强度劣化机理分析 375

6.2 衬砌混凝土在反复温度梯度与干湿循环条件下的强度特征 377

6.2.1 试验方案 377

6.2.2 试验结果分析 378

7 布仑口—公格尔水电站高岩温引水隧洞设计实例 387

7.1 工程概况 387

7.2 喷层支护方案 388

7.2.1 Ⅱ类花岗岩高温洞段 388

7.2.2 Ⅲ类围岩高温洞段 388

7.3 二次衬砌方案 391

7.3.1 Ⅲ类围岩高温洞段 391

7.3.2 Ⅳ类围岩高温洞段 392

7.4 工程设计 393

7.4.1 基本原则 393

7.4.2 推荐设计方案 393

7.4.3 配筋 396

7.5 高岩温引水隧洞特殊施工措施 398

7.5.1 降温方案确定 398

7.5.2 降温方案优选 399

8 结语 400

参考文献 407 2100433B

本书首先对国内外高岩温隧洞（道）的工程问题及研究现状进行介绍与分析，围绕新疆布仑口—公格尔水电站引水隧洞穿越高岩温地区遇到的设计难题，通过现场试验、室内试验、模拟试验、数值仿真试验的手段对引水隧洞在不同开挖、不同支护阶段的温度场进行系统分析、研究。在此基础上，对不同工况下温度场引发的隧洞围岩与支护、衬砌结构的温度应力特征及其变化规律进行分析、推导与数值求解，并推导出引水隧洞围岩与支护结构在内水荷载下的温度场、应力场耦合求解解析格式与数值求解方法及一种简单方便的半解析方法——微步开挖模拟法。最后对洞室喷层材料、衬砌混凝土在不同养护温度条件、不同工作温差工况下的力学性质进行系统的室内试验研究。综合研究成果，初步提出高岩温引水隧洞与支护衬砌结构的设计原则，并成功在布仑口—公格尔水电站高温隧洞工程中得到应用。

根据加固需要可用半衬砌、有边墙的衬砌或全衬砌。为了更有效地起到加固围岩的作用，一定要使衬砌与硐室紧密接触，使它与围岩形成一个整体。因此，衬砌做成后常需要通过预留的灌浆孔进行回填灌浆，以填塞由于混凝土冷凝收缩而在围岩与衬砌间形成的空隙。衬砌厚度应根据山岩压力来确定。在水工隧道衬砌的设计中，常直接按岩石的f值（岩石坚固系数）来估算需要采用的衬砌厚度。 2100433B