摘要：在寒冷地区，围岩与支护结构受低温通风的影响，其温度场及应力场发生剧烈变化，隧洞会出现变形不收敛现象，严重时还会失稳坍塌。围岩与支护结构作为隧洞的共同承载体，两者在温度影响下的耦合力学特性和相互作用机制是关系隧洞安全建设和运行的重要因素。因此，研究低温热应力作用下隧洞耦合结构温度场和应力场的分布规律，对于隧洞安全施工和稳定运行具有重要的实际工程意义。 关键词：水工隧洞;数值模拟;覆盖层;抗剪强度
阴极保护防腐引言
随着我国矿山建设、水利水电和油气开采等行业的蓬勃发展,其工程规模越来越大,但同时也伴随着各种越来越复杂的岩石力学问题,尤其是在高地应力的作用下,岩体力学特性随时间变化发生不同程度的劣化,易产生岩爆等由应力主导作用的破坏,影响水工隧洞的开挖建设及安全运行。但研究岩爆的前提条件还须掌握工程区域的初始地应力场状态。
１引水隧洞工程地质条件
引水隧洞位于河源市源城区西南部，从新丰江水库右岸通过隧洞引水出水库，然后通过输水管线送至源城区自来水厂。引水隧洞地层主要由第四系洪冲积层（Ｑｐａｌ）、坡积层（Ｑｄｌ）及燕山三期黑云母花岗岩（Ｙ５２（３））、侏罗系下统蓝塘粉砂岩（Ｊ１ｌｎｂ）组成。引水隧洞沿线岩体由上而下可划 分为全风化带（Ⅴ）、强风化带（Ⅳ）、弱风化带（Ⅲ）、微风化带（Ⅱ）。进洞口处坡度较缓，约２０°～３０°，附近见基岩出露。进洞口正上方约２２．０～４０．０ｍ高程处发育一危岩体，为弱风化花岗岩，裂隙较发育，前缘底部结构面张开错动，存在变形崩塌危险。
2支护耦合理论模型
为获得热力作用下圆形隧洞围岩－衬砌耦合结构的相互作用机理，本文将围岩和衬砌视为位移边界条件相同的受力体系，根据围岩和衬砌的变形协关系，借助岩石热弹性理论和隧洞有限环模型进行解析解分析，对热力作用下围岩－衬砌耦合结构的应力进行研究。其计算模型，并做以下假设：（１）岩体为弹塑性材料，服从Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕ⁃ｌｏｍｂ准则，衬砌为弹性材料，岩体和衬砌为均质、各向同性介质，深埋隧洞的耦合作用问题可简化为轴对称平面应变问题进行分析，将结构视为２层厚壁圆筒的弹塑性接触；（２）隧洞 内壁面的换热条件不隧洞轴线发生改变；（３）围岩与衬砌间的绑定约束良好，共同承载。
3危岩体结构面特征
岩体结构面以层岩结构面和次生构造结构面为主，其中危岩体底面为控制岩体稳定的主要结构面，延伸长，受自身重力和风化应力的作用，结构面张开，有不同程度的泥、砂质充填，并有植物根系分布，张开最宽处大于１０ｃｍ，平均宽度６ｃｍ，层面较粗糙，贯通性较好，为危岩体变形破坏的主要潜在面。在边坡岩体上共有４５条结构面，结构面多为层面和次生结构面。结构面多为闭合－微张，少数结构面上部为张开。根据结构面产状，绘制倾向玫瑰花图及主要结构面、滑裂面与自然坡面的赤平投影。由边坡主要结构面和开挖、自然坡面的赤平投影图可知，结构面相互之间交切的交点多处于边坡面投影弧的另外一侧，表明各结构面的组合交线倾向坡里。但由于危岩体下缘已存在一张开的滑裂面，呈张开状，贯通性很好，且危岩体自然坡面上的灌木根系已沿结构面组３和滑裂面生长，基本可断定危岩体中部以下部分已与下部基岩部分脱离。滑裂面倾向与自然坡向一致，倾角略大于坡角。因此，结构面与滑裂面在边坡岩体中的组合可能对边坡岩体的稳定性造成不利影响。
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4深埋水工隧洞地应力场分布规律
要准确地对工程进行岩爆预测,获取工程区域的地应力分布状态是必须要考虑因素之一,因岩爆是岩体在高压力条件下,由于外界扰动使得围岩应力重新分布和集中变化,从而引起硬脆性岩体在某特定时间内发生弹射、抛掷等现象。其中根据地应力量值大小可判别岩爆是否发生,并可由其释放的能量大小判定岩爆发生等级,侧压力系数则可以推断出最可能发生的部位及范围。例如:侧压力系数大于1时,圆形隧洞的拱顶和仰拱发生岩爆概率最大;侧压力系数等于1时,全圆环发生岩爆概率一致;侧压力系数小于1时,圆形隧洞的拱脚处发生岩爆概率最大。
4.1围岩－衬砌耦合模式及解耦
sis压片
隧洞支护后，围岩和衬砌共为承载结构，随着热应力的释放不断耦合，最终两者相互作用趋于动态平衡。作用机制如下：（１）隧洞开挖后，围岩受外界低温作用后在平衡自身过程中进行应力释放，产生径向变位而压迫衬砌，衬砌受压产生变形。（２）衬砌通过自身的刚度和强度来抑制岩体的变形和脱落，对围岩提供有效的支护阻力，同时自身也受到被动支护反力。求解策略为：（１）根据实测工程资料，建立三维有限元模型并设置结构参
数，模拟平衡初始地应力并复制模型。（２）结合实测洞内净空温度进行瞬态温度场模拟，计算沿洞轴向不同断面围岩－衬砌的瞬态单元节点温度值。（３）将瞬态温度场作为温载嵌入，改变分析步，计算沿洞轴向不同断面围岩－衬砌的瞬态单元节点热应力值。（４）基于模型单元节点应力与监测点应力变化趋势进行对比分析，求解热力作用下隧洞沿轴向围岩
4.2侧压力系数随隧洞埋深的变化规律
围岩的侧压系数λ是围岩的最大水平主应力σH与自重应力σZ间比值。3个实测钻孔处的侧压力系数均大于1,故可判断出该圆形水工隧洞的拱顶和仰拱处发生岩爆的概率最大。分析可知,侧压力系数随着隧洞埋深的增加呈现出增加速率较为缓慢的趋势。通常,侧压力系数应随埋深的增大而减小,而该隧洞区域的侧压力系数不减反增,主要是受到工程地势差异和地表剥蚀等的影响,这也从侧面反映该区域主要是以水平构造应力场为主导地位。siro 1300
5结论
本文针对有压水工隧洞覆盖层厚度，利用M－C准则和H－B准则进行公式求解，并根据求
解得出的公式，计算出有无衬砌情况下的结果，分析影响因子，结论如下:1)在无衬砌情况下，利用M－C准则计算，黏聚力和内摩擦角都与覆盖层厚度呈负相关，当内摩擦角接近10°时，覆盖层厚度趋于稳定。当m为定值时，GSI与覆盖层厚度呈负相关。2)采用H－B准则计算，扰动值D与覆盖层厚度呈正相关，当扰动值D接近1时，其值呈现指数增长，覆盖层厚度接近250m。3)弹塑性界面位于衬砌内时，黏聚力与内摩擦角均对覆盖层厚度有较大影响。但覆盖层厚度随黏聚力增大而增大，随内摩擦角增大而减小。4)弹塑性界面位于岩体内，混凝土黏聚力始终大于岩体黏聚力，并且与覆盖层厚度呈线性关系。内摩擦角则不太相同，但衬砌内摩擦角与覆盖层厚度呈现负相关。
结束语
本文对圆形隧洞中岩爆的分析目前未考虑围岩中孔隙水、岩体结构面等问题,而是将围岩视为整体弹性围岩考虑。诱发岩爆发生的条件和影响因素很多,不能仅用深埋、高地应力来判别其发生的可能性,而需综合工程实际情况进行调整和考虑,因此,其他类型工程还应针对具体情况开展分析计算。
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