深部高地温层状岩隧道支护系统性能劣化机制的大尺度三维物理模型试验研究

《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Physical model test on deterioration mechanism of supporting system performance for deep high geothermal layered rock tunnels

　　

该研究探讨了高温对深部高应力层状岩体中隧道支护系统变形行为及渐进劣化的影响。研究人员在常温和高温条件下开展了大尺度三维相似模型试验，并通过将温度场与地应力及开挖过程耦合的数值分析对试验观测进行补充。系统监测并比较了不同加载阶段隧道收敛、裂纹演化、衬砌响应和锚杆轴力。与常温条件相比，高温使净收敛增加约10%–30%，并使由近对称闭合向显著非对称收敛的转变提前约一个加载阶段，其主要受拱顶—肩部区域优先向内变形驱动。裂纹起裂和扩展也显著加速，裂纹密度（单位长度数量）和最大裂纹宽度通常分别增加约30%和50%，表明损伤向更快速和局部化发展。衬砌的应变和内力响应出现更早且幅值更大，而锚固系统对温度更敏感，表现为峰值响应更早、波动更强以及反复的粘结–滑移–再粘结（bond–slip–rebond）行为；在高加载水平下，右肩区域成为关键风险区。研究人员提出了支护系统指数（Support System Index, SSI），其结合基于基线统计的阈值确定程序，将支护系统状态划分为三个阶段，从而为监测和预警提供实用依据。数值结果成功重现了温度诱发的位移增加和锚杆轴力的非同步演化，从而支持了试验观测。

该论文由Ronghuan Du、Jiabing Zhang、Wenjun Zhang、Bo Wang、Zhen Huang和Pengtao An完成，发表在《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》。随着地下基础设施向更大深度、更长距离和更大埋深发展，隧道越来越多地穿越高热流和强地热梯度区域；高地温（包括高岩温和高水温）已由“异常情景”转变为深部地下工程常见关键风险。其成因涉及地热梯度、放射性生热、区域构造活动、地热水循环以及开挖卸荷变形产生的附加热量。高地温不仅降低施工人员效率、增加通风冷却负荷，还会在温度–湿度–应力耦合下导致支护结构及其界面服役性能退化、寿命缩短，使以常温条件为假设的常规设计–施工–运行体系面临系统性挑战。既有研究主要集中于施工期热害控制（机械通风、物理降温、隔热层）以及高温对围岩力学性质、锚固界面粘结与剪切能力、喷射混凝土水化与微裂纹、岩–混凝土界面剪切强度的影响；部分研究建立了解析或数值热–力模型，或开展材料与界面试验，指出高温导致强度退化、界面弱化和锚固性能下降。但既有工作多依赖理想化温度场和均质材料假设，偏重材料层面，尚不足以系统揭示层状岩体结构面控制下围岩–支护相互作用、内力重分布、中性轴迁移和破坏阈值，缺乏可实验验证的跨尺度框架，将材料–界面退化与结构尺度响应联系起来。层状岩体具有显著力学各向异性，且因岩基质与弱面矿物热膨胀差异，高温可诱发非均匀热变形并促进沿弱面微裂纹萌生、扩展和贯通。针对上述问题，研究人员以中国大瑞铁路高黎贡山隧道代表性断面为工程案例开展研究；该隧道全长34.5 km、最大埋深1155 m，岩温28 °C–50 °C，高地温段约8.88 km，穿越17个地层单元和19条断层，施工中高地温、节理发育和围岩变形显著。该研究旨在揭示深部高地温层状岩隧道支护系统性能劣化机制，为深部高地温隧道设计施工、热控与支护协同及监测预警提供科学依据。

关键技术方法（≤250字）：研究人员研制大型三维地热–力学模型试验系统，模型箱尺寸2000 mm×800 mm×1500 mm，基于相似理论取几何相似比30、密度相似比1、应力与弹性模量相似比30，并以热应变等效确定温度；模型由基质岩层与缓倾弱面交替叠置形成层状围岩，预设锚杆孔并施加锚杆、衬砌，在50 °C下恒温≥48 h后开展常温与高温对比试验；采用“预加载+等增量分级”加载，监测收敛、围岩压力、衬砌应变与内力、锚杆轴力及裂纹演化；辅以温度场–地应力–开挖间接耦合三维数值模型，围岩采用莫尔–库仑（Mohr–Coulomb, M–C）模型。工程案例来源为中国大瑞铁路高黎贡山隧道代表性断面。

研究结果方面：（1）收敛特征。通过常温和50 °C模型试验的收敛监测发现，收敛曲线均呈快速初始闭合、近似线性增长和后期突增或轻微回弹三阶段；高温使同一加载级净收敛增大10%–30%，并使近对称闭合向显著非对称收敛提前约一个加载级，拱顶–肩部优先向内变形，右肩收敛速率在L=6–8达0.22–0.30 mm/加载级，较常温高20%–35%，速率–时间曲线斜率增大约15%–30%，且各部位“最活跃阶段”趋于同步，出现粘结–滑移–再粘结特征。（2）渐进破坏过程。通过裂纹观测将破坏划分为整体压密与微裂纹、非对称变形起始、显著非对称变形、不规则非对称变形和强烈不规则非对称变形五阶段；高温下裂纹更早、更密集、更长，50 °C时环向裂纹密度ρ_c约增35%，平均间距S_c约减26%，平均裂纹长度约增40%，最大裂纹宽度约增60%，摘要与结论概括为密度约增30%、最大宽度约增50%。（3）力学响应分析。通过衬砌内外表面应变和内力监测发现，高温下应变非线性出现更早、峰值提前约一个加载级且幅值更高，内外表面应变差增大；弯矩范围由约?0.06–0.10扩大至?0.08–0.16，峰谷幅值增大约50%–60%，峰值区向右肩扩展；轴力以压为主，高温下整体增大、峰值更早、梯度更强，右肩及右上象限出现局部峰回弹，反映轴力–弯矩耦合与局部开裂或滑移引起的内力重分布。（4）锚杆轴力变化特征。通过锚杆轴力监测发现，常温下轴力呈稳定增长、平台和后期分化三阶段；高温下峰值更早、更高，平台与回弹更明显，锚固界面反复粘结–滑移–再粘结；高加载水平下右肩成为轴力重分布关键区，因弱面滑移与应力释放，6号锚杆轴力最低，约20 N波动，右肩及以上锚杆增减幅最大。（5）劣化路径定量准则与阶段转换规则。研究人员定义变形非对称系数A_u、衬砌弯压耦合系数C_MN、衬砌损伤系数D_b和应力加载水平η，并以最大值形式构建支护系统指数SSI；基于基线条件下SSI均值μ₀和标准差σ₀确定阈值SSI₁、SSI₂，将系统划分为Level 1协同变形、Level 2非对称重分布和Level 3加速损伤三阶段；50 °C下SSI整体更高且更早越过阈值，表明高温促进劣化阶段提前转换。数值模拟通过20、40、60、80 °C条件下三维计算得出，围岩最大累积位移分别为0.20155、0.30588、0.41730和0.59943 m，80 °C较20 °C增大197.41%，约为2.97倍；位移高值集中于拱顶并偏左肩、沿近垂直层理方向延伸；锚杆峰值轴力分别为30.68、40.19、48.33和55.72 kN，80 °C较20 °C增大81.62%，约为1.82倍，高轴力集中于拱顶和左肩，上半部明显大于下半部，且随温度升高的增量递减；数值结果重现了温度诱发的位移增加和锚杆轴力非同步演化，支持试验观测。

讨论部分总结：研究人员将劣化机制归因于两方面。其一，层状岩体弱面固有缺陷及差异矿物热膨胀：温度变化引起差异变形，低–中应力下隧道临空面附近层理微裂纹累积，削弱左肩局部承载并促发左侧变形集中和左右非对称；持续加热与恒温阶段弱面局部压密和相对位移促进微裂纹沿层理萌生扩展，降低层间黏聚力和剪切刚度，使围岩在髙应力下更易定向软化和顺层剪切滑移。其二，锚固系统热劣化：锚固浆液水化放热，高温加速反应和放热并引起内部应力，促进浆体微裂纹和力学性能退化；层状岩体及高温劣化使深部高地温隧道锚杆在开挖卸荷中承受持续层间剪切和拉拔，可能导致锚固区剪切破坏或杆体拉剪断裂。研究局限在于热边界主要为恒温和局部控热，未显式考虑地热水与渗流热传递及热–水–力（thermo-hydro-mechanical, THM）耦合，结果主要适用于温度主导且地下水影响有限或可经排水防水措施缓解的条件；未来需引入更 representative 的THM边界、开展温度相关参数独立标定与敏感性分析，并探索热激活衬砌等主动热管理及能源隧道策略。

研究结论（译）：（1）在深埋高应力条件下，围岩–支护系统收敛呈快速初始闭合、近似线性增长和后期加速并伴随局部变形调整的三阶段响应；高温使同一加载级净收敛增大约10%–30%，并使近对称闭合向显著非对称收敛提前约一个加载阶段，非对称主要与拱顶–肩部优先向内位移和偏心变形有关。（2）高温加速裂纹起裂扩展并促进层理滑移更早参与变形，裂纹主要集中于内拱顶和拱顶–肩部过渡带；与常温相比，裂纹密度（单位长度数量）和最大裂纹宽度分别增大约30%和50%，表明损伤更快和更局部化。（3）高温使衬砌应变和环向内力响应更早、更显著，拱顶和肩部更早出现非线性；锚固系统温度敏感性更强，表现为锚杆轴力峰值更早、波动更强、界面反复退化倾向更大；高加载水平下右肩因不利局部几何和非对称变形成为关键风险区。（4）研究人员提出SSI量化支护系统劣化关键特征，并建立基于参考状态统计特征的阈值确定方法，将系统划分为协同变形、非对称诱发重分布和加速损伤三阶段；高温下SSI总体更高且更早超过阈值，显示其用于定量监测预警的潜力。（5）考虑温度场与地应力场耦合的数值模拟重现开挖过程，表明高温增加围岩位移，尤其是隧道上部区域；锚杆轴力总体随温度升高而增加，但不同位置呈非同步演化，与试验观测一致。