热-力作用下水工隧洞围岩-支护结构耦合力学特性及相互作用机制

来源：水资源与水工程学报杂志2022年第3期北京时间：

作者：张玉洁，李晓哲，姜海波，侍克斌

单位：（1.石河子大学水利建筑工程学院,2.奎屯市农村饮水安全工程服务站,3.新疆农业大学水利与土木工程学院

摘要：在高海拔寒区，围岩与支护结构的相互作用过程是影响水工隧洞结构稳定的重要因素。为了研究热-力作用下水工隧洞围岩-支护结构相互作用的时空演化规律，以新疆某寒区水工隧洞为依托，基于现场监测资料，采用有限元仿真模拟，计算温度效应下围岩-衬砌相互作用的弹塑性解析解，分析热力作用下隧洞耦合结构温度场和应力场的时空分布特征。结果表明：洞内低温对耦合结构的温度场和应力场影响较大，应实施防寒保温措施，保证在极端天气下，结构沿径向2.7 m内温度不低于0 ℃；通风前期，温度应力对耦合结构的应力变化起主导作用，21 d后还要考虑衬砌支反力、围岩被动支反力以及围岩外边界约束的共同耦合作用；对流前48 d结构内侧受拉，结构洞腰内侧出现最大拉应力155 kPa，48 d后结构压应力激增，并且48~60 d内耦合应力增长速率最快。随着温度的降低，-1.95 ℃为洞顶和洞底的拉应力激增点，洞腰前期拉应力急剧增大，于-3.5 ℃开始缓慢减小。本次研究揭示了热-力作用下围岩支护结构相互作用的动态全过程，可为寒区隧洞安全施工提供依据。

关键词：水工隧洞,围岩-支护结构耦合,热-力作用,力学特性,相互作用机制,数值模拟

基金资助：国家自然科学基金项目(51769031)； 兵团区域创新引导计划项目(青年科技骨干人才培养) (2021BB004)