高地温热害不仅加大了隧洞开挖难度从而影响了施工工期,还对施工人员的生命安全构成了威胁,更主要的是高温环境下通风降温措施使围岩温度骤降,围岩内部与洞壁之间的温差会产生较大的附加温度应力。温度应力不仅影响着混凝土支护结构的耐久性,还影响着支护结构的稳定性,严重情况下会导致支护结构破坏,影响围岩稳定。因此,研究支护结构的力学特性和对支护结构的优化设计显得尤为重要。本文以新疆某水电站为依托,采用现场监测试验、稳态和瞬态数值模拟、单一因素敏感性分析等研究方法,对高地温环境下的围岩和复合支护结构的温度分布、位移变化和力学特性进行系统性的对比研究,对高地温引水隧洞复合支护结构进行适应性评价及优化设计。主要工作与结论如下:(1)采用有限元法对高地温复合支护结构的温度场和应力场进行模拟,与隧洞现场监测试验成果进行对比分析,其结果表明:采用隔热层能减少温度对围岩和支护结构温度分布的影响;EPS板(可发性聚苯乙烯板)两侧温差比XPS板(挤塑聚苯乙烯泡沫板)两侧温差大2.11℃;EPS复合支护结构隔热性能最好;三种衬砌结构拱顶处环向应力均最大,相比之下EPS复合衬砌环向应力最小,其值为0.40MPa,EPS复合支护结构受力特性最好;数值模拟的结果与现场监测的数据存在一定的误差,温度模拟值与实测值相对差最大为6.25%,最小为0.11%,应力模拟值与实测值相对误差较大但应力的大小范围、分布区域是基本吻合的,模拟结果能够反映实际工程施工期温度、应力分布情况。(2)采用有限元法对高地温复合支护结构的施工期进行瞬态数值模拟,分析复合支护结构各部分在施工时对围岩的温度、位移和应力的影响,从而对复合支护结构进行了适应性评价:从温度角度分析,复合支护结构施工时,隔热层的隔热作用最大时间段为二次衬砌施工中;从位移角度分析,喷层施工完成后能及时起到支撑作用,仅能防止洞壁2m范围内位移出现大变化,还需要添加二次衬砌;从应力角度分析,喷层施工完成后,隧洞拱顶、拱腰和拱底三处应力变化程度最明显,拱顶、拱腰受喷层承载影响两处最大主应力从压应力变成拉应力,拱底全程均为变化呈下降趋势的受压状态,拱顶处最大拉应力在隔热层施工完成后变化率最大,其值增大了14.3%,拱腰最大拉应力也在该时间段变化率最大,其值增大了13.5%,拱底压应力在喷层施工完成变化率最大,其值减小了26.1%。二衬施工完成后第10天,衬砌起到的支撑作用较低,第60天,围岩应力大小几乎不再发生变化;从塑性区角度分析,喷层可以限制塑性区变化速度,但支撑能力上是有限的,需二次衬砌加以限制围岩塑性区的扩张,该复合支护结构是渐变性抑制围岩塑性区的扩张。(3)对复合支护结构的厚度及排列组合的进行优化设计,主要结论:喷层厚度范围在10-12cm内,厚度对其环向应力的影响相对较小,故为最佳厚度选取区间;隔热层厚度变化对其内外两侧温度差值影响较小;二次衬砌厚度的大小对其环向应力的影响较小,建议在40-45cm范围内选取二次衬砌设计厚度;对比两种复合支护结构得出,贴壁式结构的围岩位移变化比夹层式位移变化量大,其原因则是喷层结构没有在最佳时间起到临时支撑作用导致的;贴壁式的围岩最大塑性应变大于夹层式,且分布较密,综合考虑夹层式复合支护结构更适用于高地温引水隧洞。