高巖溫引水隧洞圍巖穩(wěn)定性與支護(hù)襯砌設(shè)計方法研究

前言

1 高巖溫隧洞的工程背景與研究現(xiàn)狀 1

1.1 引言 1

1.2 高巖溫對地下洞室圍巖穩(wěn)定及支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響 2

1.2.1 高巖溫隧洞（道）現(xiàn)狀 2

1.2.2 隧洞溫度場研究現(xiàn)狀 6

1.2.3 引水隧洞內(nèi)外溫差下混凝土襯砌受力研究 10

1.3 高巖溫隧洞工程存在的問題 11

2 高巖溫引水隧洞的溫度場特性 14

2.1 隧洞溫度場基本理論 14

2.2 高巖溫隧洞未支護(hù)條件下傳熱解析解及參數(shù)影響 17

2.2.1 毛洞溫度場的基本假定及控制方程 17

2.2.2 方程求解 18

2.2.3 未支護(hù)條件下高溫隧洞傳熱特性及參數(shù)影響分析 22

2.3 高巖溫隧洞支護(hù)措施下傳熱解析解及參數(shù)影響 25

2.3.1 隧洞與支護(hù)結(jié)構(gòu)溫度場的基本假定及控制方程 26

2.3.2 方程求解 28

2.3.3 支護(hù)條件下高溫隧洞傳熱特性及參數(shù)影響分析 35

2.4 高巖溫隧洞溫度場原位試驗結(jié)果與分析 44

2.4.1 原位試驗設(shè)計 44

2.4.2 高巖溫隧洞溫度測試 46

2.4.3 隧洞施工期溫度場變化規(guī)律分析 52

2.4.4 運(yùn)行期溫度場變化規(guī)律 56

2.4.5 檢修期溫度場變化規(guī)律 66

2.5 高巖溫引水隧洞溫度場解析分析 73

2.5.1 隧洞圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)溫度場解析 73

2.5.2 復(fù)合襯砌模型溫度解析與實測對比 82

2.6 小結(jié) 87

3 高巖溫引水隧洞與支護(hù)結(jié)構(gòu)熱力學(xué)參數(shù)與邊界條件 92

3.1 數(shù)值仿真試驗研究思路與方法 92

3.2 高巖溫隧洞與支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的參數(shù)影響 94

3.2.1 巖石相關(guān)參數(shù)隨溫度變化對支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的影響 94

3.2.2 支護(hù)材料特性隨溫度變化對支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的影響 99

3.2.3 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)均隨溫度變化時支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析 103

3.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖黏結(jié)條件對支護(hù)結(jié)構(gòu)受力影響分析 105

3.3.1 高溫條件下支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖間接觸條件的影響 105

3.3.2 高溫環(huán)境中混凝土與圍巖黏結(jié)強(qiáng)度室內(nèi)試驗 106

3.3.3 接觸面不同狀態(tài)對支護(hù)結(jié)構(gòu)受力影響分析 106

4 高巖溫引水隧洞的溫度應(yīng)力特性 110

4.1 高溫差下隧洞圍巖與支護(hù)系統(tǒng)溫度應(yīng)力現(xiàn)場試驗 110

4.1.1 現(xiàn)場試驗布置 110

4.1.2 試驗內(nèi)容 110

4.1.3 不同隔熱材料對襯砌應(yīng)力影響分析 116

4.1.4 不同工況下不同隔熱層襯砌環(huán)向應(yīng)力分析 117

4.1.5 不同工況下不同襯砌徑向應(yīng)力分析 124

4.1.6 襯砌裂縫成因分析 130

4.1.7 無襯砌設(shè)計時噴層應(yīng)力測試與分析 131

4.1.8 無襯砌設(shè)計時噴層應(yīng)變測試與分析 153

4.1.9 無襯砌方案隧洞溫度-應(yīng)力耦合規(guī)律研究 158

4.2 高溫差下襯砌結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力模型試驗 165

4.2.1 模型試驗方案設(shè)計 165

4.2.2 溫度加載方法及方案 171

4.2.3 數(shù)據(jù)測量及記錄 173

4.2.4 試驗結(jié)果分析 177

4.2.5 小結(jié) 192

4.3 高溫差下隧洞與襯砌結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力數(shù)值仿真試驗 193

4.3.1 數(shù)值分析邊界條件 194

4.3.2 Ⅲ圍巖洞段支護(hù)受力分析 197

4.3.3 Ⅳ類圍巖高溫洞段隧洞與襯砌受力分析 227

4.3.4 Ⅴ類圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)受力分析 266

4.3.5 噴層結(jié)構(gòu)替代襯砌結(jié)構(gòu)的可行性分析 283

4.3.6 小結(jié) 295

5 高巖溫引水隧洞在內(nèi)水壓力下支護(hù)結(jié)構(gòu)溫度-應(yīng)力耦合機(jī)制 297

5.1 隧洞圍巖與襯砌TM 準(zhǔn)耦合解析解分析 297

5.1.1 隧洞無襯砌支護(hù)下溫度場、應(yīng)力場耦合機(jī)制分析 297

5.1.2 隧洞襯砌支護(hù)下溫度場、應(yīng)力場耦合機(jī)制分析 301

5.1.3 隧洞與支護(hù)結(jié)構(gòu)溫度場、應(yīng)力場耦合求解的“微步開挖模型” 319

5.1.4 不同荷載對襯砌TM 耦合影響分析 321

5.1.5 現(xiàn)場實驗結(jié)果 328

5.2 內(nèi)水及溫度荷載作用下的支護(hù)結(jié)構(gòu)受力解析解分析 331

5.2.1 內(nèi)水荷載作用下支護(hù)結(jié)構(gòu)解析解 331

5.2.2 內(nèi)水及溫度共同作用下的應(yīng)力分析 333

5.2.3 算例分析 333

5.3 內(nèi)水及溫度荷載作用下圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)有限元分析 336

5.3.1 瞬態(tài)溫度、應(yīng)力耦合分析 336

5.3.2 內(nèi)水荷載下的應(yīng)力分析 338

5.3.3 溫度荷載及內(nèi)水荷載疊加下應(yīng)力分析 338

5.4 高巖溫引水隧洞支護(hù)設(shè)計原則 340

5.4.1 基本原則 340

5.4.2 具體設(shè)計與施工措施建議 341

5.5 小結(jié) 343

6 高巖溫引水隧洞的噴層與襯砌混凝土結(jié)構(gòu)抗高溫特性 345

6.1 高巖溫對混凝土的影響 345

6.1.1 高巖溫對纖維混凝土的影響 345

6.1.2 高溫下噴層混凝土的抗折強(qiáng)度變化規(guī)律及機(jī)理 350

6.1.3 不均勻溫度場養(yǎng)護(hù)條件下噴層混凝土的強(qiáng)度特征 354

6.1.4 不均勻溫度梯度下噴層的熱應(yīng)力特征 358

6.1.5 熱應(yīng)力作用下的噴層抗拉強(qiáng)度 367

6.1.6 不均勻溫度梯度下混凝土強(qiáng)度劣化機(jī)理分析 375

6.2 襯砌混凝土在反復(fù)溫度梯度與干濕循環(huán)條件下的強(qiáng)度特征 377

6.2.1 試驗方案 377

6.2.2 試驗結(jié)果分析 378

7 布侖口—公格爾水電站高巖溫引水隧洞設(shè)計實例 387

7.1 工程概況 387

7.2 噴層支護(hù)方案 388

7.2.1 Ⅱ類花崗巖高溫洞段 388

7.2.2 Ⅲ類圍巖高溫洞段 388

7.3 二次襯砌方案 391

7.3.1 Ⅲ類圍巖高溫洞段 391

7.3.2 Ⅳ類圍巖高溫洞段 392

7.4 工程設(shè)計 393

7.4.1 基本原則 393

7.4.2 推薦設(shè)計方案 393

7.4.3 配筋 396

7.5 高巖溫引水隧洞特殊施工措施 398

7.5.1 降溫方案確定 398

7.5.2 降溫方案優(yōu)選 399

8 結(jié)語 400

參考文獻(xiàn) 407 2100433B

本書首先對國內(nèi)外高巖溫隧洞（道）的工程問題及研究現(xiàn)狀進(jìn)行介紹與分析，圍繞新疆布侖口—公格爾水電站引水隧洞穿越高巖溫地區(qū)遇到的設(shè)計難題，通過現(xiàn)場試驗、室內(nèi)試驗、模擬試驗、數(shù)值仿真試驗的手段對引水隧洞在不同開挖、不同支護(hù)階段的溫度場進(jìn)行系統(tǒng)分析、研究。在此基礎(chǔ)上，對不同工況下溫度場引發(fā)的隧洞圍巖與支護(hù)、襯砌結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力特征及其變化規(guī)律進(jìn)行分析、推導(dǎo)與數(shù)值求解，并推導(dǎo)出引水隧洞圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)在內(nèi)水荷載下的溫度場、應(yīng)力場耦合求解解析格式與數(shù)值求解方法及一種簡單方便的半解析方法——微步開挖模擬法。最后對洞室噴層材料、襯砌混凝土在不同養(yǎng)護(hù)溫度條件、不同工作溫差工況下的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)的室內(nèi)試驗研究。綜合研究成果，初步提出高巖溫引水隧洞與支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則，并成功在布侖口—公格爾水電站高溫隧洞工程中得到應(yīng)用。

根據(jù)加固需要可用半襯砌、有邊墻的襯砌或全襯砌。為了更有效地起到加固圍巖的作用，一定要使襯砌與硐室緊密接觸，使它與圍巖形成一個整體。因此，襯砌做成后常需要通過預(yù)留的灌漿孔進(jìn)行回填灌漿，以填塞由于混凝土冷凝收縮而在圍巖與襯砌間形成的空隙。襯砌厚度應(yīng)根據(jù)山巖壓力來確定。在水工隧道襯砌的設(shè)計中，常直接按巖石的f值（巖石堅固系數(shù)）來估算需要采用的襯砌厚度。 2100433B