高地热大埋深环境隧道支护结构受力分析

高地热大埋深环境隧道支护结构受力分析

王玉锁;叶跃忠;杨超;唐建辉;陈龙;曾宏飞

【摘要】为了研究高地热大埋深环境下隧道支护结构内力随周围介质温度变化的规律，设计了测试不同温度环境条件下隧道模型结构受力的室内模型试验，并对模型试验进行了数值模拟分析．模型试验测得的轴力比数值模拟结果大20％，两者的轴力分布趋势相同，结构安全系数接近．以某隧道工程为例，用数值模拟方法分析了埋深为1000 m、地热温度为60℃的环境条件下，隔热层设置对隧道支护结构体系受力特征及安全性的影响，结果表明：隔热层的设置对支护结构内力分布形式、初支和混凝土模筑支护结构内力的影响较小，但对二次衬砌受力有显著改善作用，设隔热层后二次衬砌的最小安全系数由2．0提高到4．0．%To study the behavior of stress varying with the ambient temperature in lining structures of high geothermal and deep-buried tunnels,a laboratory model test was designed to measure the structural stress of a tunnel model at various temperatures. Then,a numerical simulation analysis of the model test was conducted. A comparison of the two groups of data revealed that the axial force values obtained by model test were approximately 20% larger than the simulated values,but their distribution trend are similar,and the structural safety factors were approximately equal. Taking a tunneling project as an example,the numerical simulation method was adopted to analyze the effect of insulating layer on the stress characteristics and safety of the tunnel lining structure at 60 ℃ under a buried depth of 1 000 m. The results show that the insulating layer has a small effect on both the internal force distribution pattern of the supporting structure and the

internal force of the primary lining and the cast concrete lining. The insulting layer,however,can remarkably improve the stress state of the secondary lining,and the minimum safety factor of the tunnel's secondary lining structure increases from 2. 0 without a insulting layer to 4. 0 when the insulting layer is set.

【期刊名称】《西南交通大学学报》

【年(卷),期】2014(000)002

【总页数】8页(P260-267)

【关键词】隧道;高地热;热-固耦合;数值模拟

【作者】王玉锁;叶跃忠;杨超;唐建辉;陈龙;曾宏飞

【作者单位】西南交通大学峨眉校区，四川峨眉山614202;西南交通大学土木工程学院，四川成都610031;西南交通大学土木工程学院，四川成都610031;西南交通大学峨眉校区，四川峨眉山614202;西南交通大学土木工程学院，四川成都610031;西南交通大学土木工程学院，四川成都610031

【正文语种】中文

【中图分类】U455

随着我国交通事业的发展，修建的深埋长大隧道越来越多.长大隧道可能穿越各种地层，并产生多种地质灾害.其中高地温在长大隧道施工过程中成为较突出的问题. 例如，瑞士埋深为2 136 m 的辛普伦隧道的地温达到55.4 ℃，日本安房公路隧道最大埋深仅700 m，但地温达到了77.5 ℃［1］.据初步勘测，我国拟建的高黎贡

山隧道地温也会高达60 ℃［2］.隧道地热温度的研究越来越受到重视［3］.

目前对地热温度这种内热源对隧道支护结构力学行为影响的研究相对较少［4］，对隧道工程受温度影响的研究方向主要集中在隧道通风［2］和火灾瞬时高温对隧道的影响［5-6］. 高温热害不仅会影响隧道支护结构的物理力学参数(强度、弹模等)［7］，而且由于温度的不均匀分布，在衬砌结构内会产生温度应力，这些影响会降低隧道衬砌结构体系的承载能力和耐久性［8］. 因此，研究高地热大埋深条件下隧道支护结构的受力特性具有重要意义.

针对以上问题，本文首先采用室内模型试验，研究了不同温度下模型结构受力的特征和变化趋势，并与同条件下数值模拟方法的研究结果进行对照，验证了应用热固耦合的数值模拟方法分析支护结构受力机理的可行性. 最后，以我国拟建的某隧道为工程背景，应用数值模拟方法分析了在埋深为1 000 m，地热温度为60 ℃条件下所设计的支护结构的受力特征和安全性.

1 模型试验

本模型试验只是一般性的试验探索，并不针对具体的隧道工程，因此，本试验不涉及相似原理中的相似比关系.隧道模型周围的介质只是传热的介质，与实际工程的围岩没有力学和物性参数的对应关系.

1.1 试验材料

本次围岩介质材料主要采用细砂、粗砂和重晶石粉等混合配制而成，隧道衬砌模型采用钢丝、石膏、水浇筑成型，钢筋采用间距为1 cm 的Φ2 mm钢丝网模拟.衬砌模型成型后经过充分干燥，并在表面涂上清漆，故可以忽略石膏脱水引起的变化.试验模型结构的物理参数见表1.

表1 衬砌模型的物理参数Tab.1 Parameters of the lining structure in model test名称弹性模量E/GPa 泊松比容重γ/(kN·m -3) 导热系数/(W·(m·K)-1) 线膨胀系数/K-1衬砌模型结构0.409 0.28 8.54 0.48 1.60 ×10-5围岩介质材料 0.250