高地温水工隧洞节理围岩温度场及塑性区特性研究

宋 刚，姜海波

(1.新疆兵团勘测设计院集团股份有限公司，新疆 乌鲁木齐 832002；2.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 832003)

0 引言

高地温地质环境下，高温效应及其围岩节理结构特征对隧洞稳定性的影响是高地温隧洞设计与运行的关键问题。理论与工程实践证明，水工隧洞围岩的破坏失稳，本质上是由塑性区所引起的，塑性区的特征和范围决定了它的破坏特征和程度[1-3]。高温效应及其围岩节理结构特征耦合影响下的围岩塑性区分析是工程中面临的关键问题[4]。

许多研究者针对完整围岩的塑性区特征开展了研究。王卫军等[5]结合摩尔库伦强度准则，推导了考虑支护力作用下的巷道围岩塑性区边界方程的近似解，得出了支护阻力对围岩塑性区范围和形态的影响。郭晓菲等[6]研究了不同围压条件下均质围岩塑性区形态，并推导出了形态系数的计算公式。Eugie K.等[7]采用收敛约束法(CCM)对隧道收敛性和支护合理性进行了评价，预测了塑性区和隧道收敛范围比常规方法高10%和4%。蒋斌松等[8]采用弹塑性理论推导了均匀应力场下围岩破裂区和塑性区范围的解析式。Hamed Molladavoodi等[9]利用有限差分软件模拟得到了非均匀地应力条件下塑性区膨胀角近似为常数。以上研究成果为认识完整围岩塑性区特征做出了重要贡献。然而，天然岩体往往存在节理裂隙，围岩塑性区的分布规律必然不同于完整围岩[10]。张晋等[11]通过室内试验、现场实测和数值模拟等手段，分析了岩体的抗拉强度与节理倾角的关系，证明了节理倾角对岩体塑性区的发展具有一定影响。此外，深部洞室岩体常处于复杂的热力学环境中，研究多场耦合作用下节理围岩的塑性区特征对实际工程的设计和稳定分析更具有工程价值[12-14]。

本文基于高地温隧洞现场温度及位移数据，分析高地温隧洞节理围岩温度变化特性，研究围岩不同部位、不同深度的位移变化规律。同时采用离散元方法，模拟热力耦合作用下不同高温、不同节理结构特征隧洞围岩温度场、位移场规律及塑性区分布范围，分析不同高温、不同节理结构对高地温隧洞围岩塑性区的影响。研究成果对高地温环境下节理围岩隧洞工程的稳定性分析具有重要参考意义。

1 高地温隧洞节理围岩温度及变形特性分析

1.1 工程概况

某深埋高地温水工隧洞，隧洞全长18.4km，在掘进过程中洞内掌子面最高温度达到105℃。高地温隧洞段岩石坚硬，较完整，块状构造，主要发育有：J1：71°NW∠89°、J2：55°NW∠42°、J3：64°NW∠68°三组节理，节理面多平直、无填充物，个别节理面带有铁锈色，会贯穿洞室。在高地温隧洞稳定分析，高温效应及其节理结构特征对隧洞围岩稳定起着控制性的作用，研究高温效应及其不同节理结构特征对隧洞塑性区和力学特征的影响，对高地温水工隧洞节理围岩稳定分析具有重要工程意义。

1.2 监测方案

在高地温影响下，隧洞节理围岩的位移特性对隧洞稳定分析具有决定性作用。因此，项目组采用温度探头和四点式位移计对围岩不同部位、不同深度的温度、位移进行了长时间连续监测，如图1所示。

图1 高地温隧洞围岩现场监测布置

围岩内部温度监测范围为9.0m，考虑到围岩温度是由下部传导上来，将监测仪器布置于围岩直墙处，探头可监测距洞壁0、3.0、6.0、9.0m位置的围岩温度，共布设8个观测组。围岩位移监测主要借助四点式多点位移计，在拱顶和拱底沿隧洞纵向每3m埋设一套四点式位移计，对距隧洞洞壁0、3.0、6.0、12.0m位置位移变化进行监测，共布设8个观测组。

1.3 监测成果分析

在距洞轴线深度小于8.3m时，节理围岩自洞壁至岩体深处沿径向呈递增的变化趋势，同时越靠近洞壁温度的变化幅度越大，如图2所示。在第10天时，1#探头、2#探头、3#探头与4#探头的温度分别为19.03℃、62.4℃、72.8℃与79.9℃。另外，不同深度的节理围岩均表现为温度同时上升或下降。而在距洞轴线深度11.3m时，节理围岩温度稳定在80℃左右，说明距洞轴线11.3m时处于节理围岩的恒温区。

图2 拱腰处不同围岩深度温度变化过程线

从隧洞位移角度分析，拱顶最大位移量为7.7mm(距洞壁0m处)，最小位移量为6.5mm(距洞壁9m处)，拱底最大位移量为0.94mm(距洞壁0m处)，最小位移量为0.3mm(距洞壁9m处)，说明拱顶处比拱底处的围岩更易发生变形破坏，如图3—4所示。另外，节理围岩的变形位移大小与节理围岩的径向深度有关，节理围岩的变形位移随着围岩径向深度的增大而变大，即节理围岩的变形位移自隧洞壁至岩体深处沿径向呈递增趋势，并且随着时间变化不同深度的节理岩体的变形位移均表现为同时增加并且趋于稳定状态。

图3 拱顶不同深度位移变化

图4 拱底不同深度位移变化

2 隧洞位移及塑性区演化特征

2.1 模型及计算参数

块体离散元计算软件能更有效模拟复杂结构面[15-22]，对节理围岩模拟结果较精确。为了研究节理围岩位移及塑性区演化特征，采用离散元方法建立考虑节理结构面的数值计算模型，如图5所示。由于模型建立存在节理，同时涉及耦合计算，需要运算较长的时间，所以对模型进行简化处理，模型尺寸为4m×60m×60m，洞宽4.6m，高5.3m。模型前、后、左、右和下边界采用固定位移约束，上边界按实际工程埋深800m荷载施加。

图5 隧洞节理三维模型

通过现场资料综合考虑3条遍布整个模型的节理组J1、J2和J3，节理采用摩尔库伦滑动屈服准则，依据勘查设计资料得节理参数见表1。依据现场监测结果得模型中岩体温度设置为90℃，洞内温度设置为20℃。节理岩体力学参数见表2。

表1 节理结构参数

表2 岩体力学力学参数

2.2 节理围岩温度分布

围岩温度变化沿围岩厚度方向呈非线性递增变化，且逐渐趋于稳定，如图6所示。节理围岩温度模拟值、完整围岩温度模拟值、工程实测值在围岩深度11.7、22.8、11.3m时趋于稳定。节理围岩温度变化率高于不含节理结构的围岩温度变化率，说明含节理围岩减少了围岩变温区的面积，增加了围岩恒温区的面积。

图6 围岩高地温变化

当围岩节理参数发生变化时，围岩维度场也存在显著变化。不同节理倾角下(见表3)，围岩的温度变化规律如图6所示。节理倾角dip依次为0°、30°、60°、90°、120°、150°时，变温区半径依次是22.8、12.2、16.5、24.9、13.4、7.2m，说明节理倾角的变化影响变温区半径，变温区半径随着节理倾角度数的增加呈倒N型变化，在节理倾角dip150°时变温区半径最小。

表3 不同节理倾角工况

节理倾角在竖直或者水平时对温度场分布的影响，大于节理倾角在水平或者竖直方向有一定夹角的，并且节理倾角越靠近水平方向或竖直方向对温度场的影响越大，如图7所示。

图7 不同节理倾角下的温度分布云图

2.3 变形位移分析

节理结构特征对围岩位移也有较为显著的影响。在拱顶处，实测值和节理围岩模拟值沿围岩厚度方向呈递减变化，并且实测值大于节理围岩模拟值，基本上实测曲线和节理围岩模拟曲线变化趋势保持一致，而完整围岩模拟值沿围岩厚度方向呈递增变化，且位移值均大于实测值和节理围岩模拟值，如图8—9所示。在拱底处，实测值、节理围岩围岩模拟值和完整围岩模拟值沿围岩厚度方向位移都呈递减变化，完整围岩模拟值大于节理围岩模拟值和实测值。另外，拱顶处的位移量远远大于拱底处的位移量。

图8 拱顶不同深度位移变化曲线

图9 拱底不同深度位移变化曲线

不同节理倾角对围岩位移的影响也较大。围岩位移分布随节理倾角的变化会出现改变，节理倾角分别为0°、30°、60°、90°、120°、150°时，最大位移分别为11.17、8.07、7.56、11.41、6.23、6.90mm，说明水平节理组或者竖直节理组的位移量大于倾斜节理组的位移量，并且最大位移都出现在拱顶正上方位置，如图10所示。

图10 不同倾角的围岩节理组位移分布

2.4 高地温节理岩体塑性区演化特征

水工隧洞围岩的破坏失稳，本质上是由塑性区所引起的，而温度应力又对围岩塑性区得影响极大。在热力作用下塑性区面积分别为22.89、27.02、31.54、38.29、30.5、22.25m2，与仅有地应力作用下塑性区面积的增大率分别为89.7%、89.93%、87.95%、73.6%、107.58%、69.18%，如图11所示。表明在热力共同作用下节理岩体的塑性区更显著，比在仅有地应力作用下塑性区面积增加了近一半。节理倾角与竖直方向夹角越小，节理围岩的塑性区面积越大，当节理倾角dip=90°(竖直节理组)时，节理围岩的塑性区面积最大。

图11 不同节理倾角下围岩的塑性区面积

随着洞内温度的增加或岩体深部温度的增加，围岩的塑性区半径增大，同时洞内温度变化对塑性区半径影响大于岩体深部温度变化，但理论计算值与数值模拟值有较大的偏差，主要是由于数值模拟的建立含有一定的节理结构，使得模拟值大于理论值。

不同节理倾角对围岩塑性区的影响也较大，如图12所示。不同的节理组围岩产生不同的塑性区形态，塑性区沿着节理倾角的方向产生不均匀性扩展，改变围岩塑性区发展的方向，加大围岩塑性区发展范围。而与节理倾角垂直的方向产生变化较小的均匀性扩展，塑性区边界也往往和节理面相重合，相对阻碍围岩塑性区的发展，并且水平或者竖直节理组的塑性区范围最大，说明不同的节理组影响塑性区发展的形态和大小。

图12 不同节理组围岩塑性区分布

3 结论

(1)节理围岩温度场呈圆形分布，离隧洞中心轴距离越远，越靠近围岩深处，节理围岩温度越高；相较于完整围岩，节理围岩减少了隧洞围岩变温区的面积，增加了隧洞围岩恒温区的面积。另外节理倾角在竖直或者水平时对温度场分布的影响大于节理倾角在水平或者竖直方向有一定夹角的，并且节理倾角越靠近水平方向或竖直方向对温度场的影响越大。

(2)节理围岩的变形位移自隧洞壁至岩体深处沿径向呈递增趋势，并且随着时间变化不同深度的节理岩体的变形位移均表现为同时增加并且趋于稳定状态。同时，与完整围岩相比，节理围岩在一定程度上降低变形位移量。另外，水平节理组或者竖直节理组的位移量大于倾斜节理组的位移量，并且最大位移都出现在拱顶正上方位置。

(3)热力共同作用下节理围岩塑性区面积比在仅有地应力作用下塑性区面积增加了近一半，同时，随着岩体温度和洞内温度的增加，塑性区范围也变大，且洞内温度变化对塑性区的敏感程度大于岩体深部温度的变化。另外，节理倾角与竖直方向夹角越小，节理围岩的塑性区面积越大。同时不同倾角的节理组会改变塑性区的形态特征。