高岩温引水隧洞现场衬砌温度分布与热应力试验方法与流程

本发明属于水工隧洞工程技术领域，具体涉及一种高岩温引水隧洞现场衬砌温度分布与热应力试验方法。

背景技术

近年来，随着工程建设的进一步深入，特别是水电工程向越来越复杂的环境下发展，复杂的环境给工程的设计、施工、运营带来了很多影响。比如国外的瑞士辛普伦隧道最大埋深2136米，施工期最高地温55.4℃；我国的西康铁路秦岭隧道最大埋深1600米，施工期最高地温40℃；云南高黎贡山铁路隧道最大埋深1155米，最高地温达到了60℃；新疆公格尔-布仑口水电站发电引水隧洞高地温洞段实测掌子面最高环境温度67℃、钻孔内最高温度105℃，为国内罕见的高地温条件下的水工隧洞工程。建设于地热高岩温区域的水工有压隧洞，其衬砌支护除承担传统的山岩压力计水压等荷载外，还需要承受由于高岩温差带来的热应力及变形。为了确保工程的安全，需要进行必要的现场试验，而目前缺少高岩温环境下隧洞不同支护结构受力现场测试试验技术。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种高岩温引水隧洞现场衬砌温度分布与热应力试验方法，能够系统的、高效的得到高岩温隧洞现场衬砌不同高温环境下的热应力分布。

本发明所采用的技术方案是，高岩温引水隧洞现场衬砌温度分布与热应力试验方法，包括以下步骤：

s1、开展高岩温隧洞的工程地质调查与分析，分析热源来源、强度等特性；

s2、根据对于高岩温热源来源、强度、分布位置等特性的分析，在现场高岩温代表性地段开挖一条试验洞；

s3、将试验洞分为四个洞段，在毛洞阶段，在每一洞段处均垂直洞壁设置若干个钻孔，在钻孔内布设变形测试装置及温度测试装置；

s4、将试验洞分成的四个洞段，施做衬砌支护，其中一段为普通钢筋混凝土衬砌，其余三段分别为设置有不同隔热材料的复合衬砌支护结构，形成复合衬砌支护结构；

s5、在衬砌支护结构内埋设应力测试装置、变形测试装置及温度测试装置；

s6、根据布设于钻孔内的变形测试装置、温度测试装置得到的监测相关数据，为开展高岩温隧洞围岩温度场分度及强度变形特征分析，进行初步分析，为高岩温引水隧洞及围岩温度、强度的特征和演化规律提供基础试验数据；

s7、根据埋设于衬砌内的应变、应力、温度测试装置得到的监测数据，进行初步分析，为开展高岩温隧洞温度及力学特性现场分析，得到实际高温隧洞条件下的温度场变化规律、支护结构热应力和变形规律。

本发明的特点还在于，

步骤s2中，试验洞的洞直径为3m，长度为20～30m。

步骤s3中，钻孔的个数为3～5个，每个钻孔深度为3～5m。

步骤s3中，变形测试装置的数量至少为3个，各所述变形测试装置之间的间隔为50～100cm；所述温度测试装置的数量至少为3个，各所述温度测试装置之间的间隔为50～100cm。

步骤s4中，所述隔热材料为泡沫玻璃4、xps保温板5或eps保温板6。

步骤s1中，工程地质调查与分析，分析热源来源、强度等特性包括通过对前期勘察资料、现场施工开挖过程中围岩温度场及开挖后围岩温度场可能的变化进行分析，然后据此确定现场试验洞段，使得所选择的洞段具有代表性。

步骤s5中，所述应力测试装置的数量至少为3个。

步骤s6中，初步分析包括温度场与热应力分析，包括引水隧洞支护结构热力学参数与边界条件分析，对比分析围岩和支护结构参数随着温度变化时的支护结构温度和应力变化规律。

步骤s7中，初步分析包括温度场与热应力分析，包括引水隧洞支护结构热力学参数与边界条件分析，对比分析围岩和支护结构参数随着温度变化时的支护结构温度和应力变化规律。

步骤s3中，温度测试装置包括测温仪、若干根电缆及若干个温度探头，所述电缆外表面上套有套管，所述电缆的一端与测温仪相连，所述电缆的另一端穿过套管的侧壁与温度探头相连，所述电缆与温度探头一一对应；所述温度探头与套管之间设有定位弹簧，所述定位弹簧的一端端部固定在套管上，所述定位弹簧套在电缆上；

电缆为柔性电缆；

测温仪为手持式仪表，电源选用电池供电，采用三位半lcd显示a/d转换器icl7106；

温度探头用于对高岩温隧道围岩内部温度进行监测；

温度探头为ad590型温度传感器。

本发明的有益效果是：

(1)通过改变衬砌支护的隔热材料形成高岩温隧洞的不同类别复合衬砌来改变，并通过对围岩变形、温度、衬砌应力、变形、温度等应力检测得出不同隔热状态下衬砌支护受力变形的比较值应力强度，为后期的分析工作提供依据；

(2)通过本发明方法可以直接获得不同形式高岩温隧道复合衬砌现场的应受力变形力比较值，并对隧洞衬砌支护在高岩温环境下的的发展情况做出科学的预测，有利于指导现场的支护结构的设计、施工及运营维护，保证地下工程的永久稳定。

附图说明

图1是本发明中试验洞的结构示意图；

图2是本发明中钻孔内温度测试装置的结构示意图；

图3是本发明实施例中ad590型温度传感器使用原理图；

图4是本发明实施例中测温仪电路图。

图中，1.试验洞，2.环境温度测试仪，3.普通钢筋混凝土衬砌，4.泡沫玻璃，5.xps保温板，6.eps保温板，7.钻孔，8.测温仪，9.电缆，10.定位弹簧，11.温度探头，12.套管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供一种高岩温引水隧洞现场衬砌温度分布与热应力试验方法，如图1所示，在高岩温围岩现场环境中，开挖有一条试验洞1，将其分为四个洞段，其中一段为普通钢筋混凝土衬砌3，其余三段分别为设置有不同隔热材料的复合衬砌支护结构，隔热材料分别为泡沫玻璃4、xps保温板5和eps保温板6，形成复合衬砌支护结构。在洞段为毛洞阶段，在每一洞段处四段衬砌支护处均垂直洞壁设置钻孔7并在钻孔7其内埋设应力变形、温度测试装置，在衬砌支护结构内埋设应力、变形、温度测试装置；

包括以下步骤：

s1、开展高岩温隧洞的工程地质调查与分析，分析热源来源、强度等特性；

其中，工程地质调查与分析，分析热源来源、强度等特性包括通过对前期勘察资料、现场施工开挖过程中围岩温度场及开挖后围岩温度场可能的变化进行分析，然后据此确定现场试验洞段，使得所选择的洞段具有代表性；

s2、根据对于高岩温热源来源、强度、分布位置等特性的分析，在现场高岩温代表性地段开挖一条试验洞1；

其中，试验洞1的洞直径为3m，长度为20～30m；

s3、将试验洞1分为四个洞段，在毛洞阶段，在每一洞段处均垂直洞壁设置若干个钻孔7，在钻孔7内布设变形测试装置及温度测试装置；

其中，钻孔7的个数为3～5个，每个钻孔7深度为3～5m；变形测试装置的数量至少为3个，各变形测试装置之间的间隔为50～100cm；温度测试装置的数量至少为3个，各所述温度测试装置之间的间隔为50～100cm；

变形测试装置为多点位移计；

如图2所示，温度测试装置包括测温仪8、若干根电缆9及若干个温度探头11，电缆9外表面上套有套管12，电缆9的一端与测温仪8相连，电缆9的另一端穿过套管12的侧壁与温度探头11相连，电缆9与温度探头11一一对应；温度探头11与套管12之间设有定位弹簧10，定位弹簧10的一端端部固定在套管12上，定位弹簧10套在电缆9上；电缆9为柔性电缆；测温仪8为手持式仪表，电源选用电池供电，采用三位半lcd显示a/d转换器icl7106；温度探头11用于对高岩温隧道围岩内部温度进行监测；温度探头11为ad590型温度传感器；

s4、将试验洞1分成的四个洞段，施做衬砌支护，其中一段为普通钢筋混凝土衬砌3，其余三段分别为设置有不同隔热材料的复合衬砌支护结构，形成复合衬砌支护结构；

其中，隔热材料为泡沫玻璃4、xps保温板5或eps保温板6；

s5、在衬砌支护结构内埋设应力测试装置、变形测试装置及温度测试装置；

s6、根据布设于钻孔7内的变形测试装置、温度测试装置得到的监测相关数据，为开展高岩温隧洞围岩温度场分度及强度变形特征分析，进行初步分析，为高岩温引水隧洞及围岩温度、强度的特征和演化规律提供基础试验数据；

其中，初步分析包括温度场与热应力分析，包括引水隧洞支护结构热力学参数与边界条件分析，对比分析围岩和支护结构参数随着温度变化时的支护结构温度和应力变化规律；

s7、根据埋设于衬砌内的应变、应力、温度测试装置得到的监测数据，进行初步分析，为开展高岩温隧洞温度及力学特性现场分析，得到全面、系统的实际高温隧洞条件下的温度场变化规律、支护结构热应力和变形规律；

其中，初步分析包括温度场与热应力分析，包括引水隧洞支护结构热力学参数与边界条件分析，对比分析围岩和支护结构参数随着温度变化时的支护结构温度和应力变化规律；

现场分析包括通过模拟施工通风、喷层支护以及运行期过水多种实际工况，对施工期、运行期和检修期状态下薄衬砌的温度和应力变化进行测试分析。

实验洞四个洞段的洞壁及洞内各段上安装有环境温度测试仪2，用于测试实验洞洞段洞内温度。

根据现场实际情况，实验洞的拱顶部分可不铺设衬砌支护，仅设置所述钻孔和变形测试装置。

实施例

如图1-2所示，本实施例为一种高岩温引水隧洞现场衬砌温度分布与热应力试验技术，通过在同一个试验洞内使用不同隔热材料来对比测试高岩温环境下隧洞不同类型衬砌支护的应力强度受力性态的变化。

本实施例具体实施步骤如下：

1、在高岩温围岩现场环境中，开挖有一条试验洞1。

2、试验洞1分为四个洞段，其中一段为普通钢筋混凝土衬砌3，其余三段分别为设置有不同隔热材料的复合衬砌支护结构，隔热材料分别为泡沫玻璃4、xps保温板5和eps保温板6，形成复合衬砌支护结构。在试验洞1中分为4段布置含有不同隔热材料的衬砌支护，隔热材料分别为衬砌钢筋3、泡沫玻璃4、xps保温板5和eps保温板6。

3、在4段衬砌支护处均设置钻孔7，在洞段为毛洞阶段，在每一洞段处均垂直洞壁设置钻孔并在钻孔其内埋设变形、温度测试装置。

4、实验洞的洞顶面不铺设衬砌支护，并这顶面处设置钻孔7，在4段衬砌支护在衬砌支护结构内埋设应力、应变、温度测试装置。

5、实试验洞洞壁及洞内上安装有若干环境温度测试仪2，用于测试实验洞洞内温度。

6、钻孔7内埋设至少3个变形、温度测试装置，各个测试装置之间间隔50～100cm。

其中，关于温度测试装置，为了保证测量精度、避免测量中的干扰和减少测量误差，信号传输采用电流传输，采用电流传输可避免导线电阻的影响。

常见的温度传感器是将温度转换成电流或者电阻，然后测量这些物理量的变化就间接的测量到温度的变化量。温度转换成电阻最长见的是pt100，即市面常见的温度探头，若采用这种方式，导线长度不能超过1m，在工业现场，长距离传输一般采用变送器，即转换为电流再传送，但这种变送器在洞室围岩内无法安装因此不选用这种探头。

温度转换电流，电流可进行长距离传输，因此采用该方式。温度探头11采用集成芯片ad590温度传感器，它会将温度转换为电流，温度每增加1℃，它会增加1μa输出电流，可量测范围-55℃至200℃。测温探头4采用ad590系列，ad590温度传感器使用原理图如图3所示。

钻孔7内温度传感器分布，见图2。每个钻孔内可根据实际要求布设一定数量的温度传感器，传感器之间的距离可有实际量测温度的要求具体确定，钻孔外电缆采用柔性屏蔽护套电缆。以上电缆均采用高温电缆。为了防水防潮，在电缆接头处做防水处理。

为了方便使用测温仪表采用手持式仪表。电源选用电池供电，所有器件尽可能选用cmos工艺的低功耗器件；测温仪最终显示温度，其精度决定了测量精度，选用三位半的ad转换器；在结构采用抗震动设计，最大程度减小意外跌落对设备的损坏。

测温仪采用三位半lcd显示a/d转换器icl7106，这是一款高性能、低功耗的器件，包含显示译码器、驱动器、参考源和时钟系统。输入电流小于10pa，极性转换误差小于一个字，只要十个左右的无源元件和一个液晶屏即可实现高性能的仪表面板，如图4所示。

根据现场实际情况和工程需要，可重复进行更多次的剥离开挖，并在相应的钻孔深度内进行应力、应变形、温度变和损伤监测，直到获得足够数量的驱动应力比数据来支撑后期的分析工作。

本发明的优点是：

(1)通过改变衬砌支护的隔热材料形成高岩温隧洞的不同类别复合衬砌来改变，并通过对围岩变形、温度、衬砌应力、变形、温度等应力检测得出不同隔热状态下衬砌支护受力变形的比较值应力强度，为后期的分析工作提供依据；

(2)通过本发明方法可以直接获得不同形式高岩温隧道复合衬砌现场的应受力变形力比较值，并对隧洞衬砌支护在高岩温环境下的的发展情况做出科学的预测，有利于指导现场的支护结构的设计、施工及运营维护，保证地下工程的永久稳定；

(3)将测温探头和定位弹簧装置结合起来，形成了可紧贴围岩体的温度测量试验系统，温度探头通过安置在套管上的定位弹簧，使其与围岩体紧密贴合，实现了实时观测不同深度围岩体温度，从而确定围岩体温度场的梯度分布。