曹小武，譚星舟，周劍波

(1.深圳市東江水源工程管理處，廣東 深圳 518035；2.武大巨成結(jié)構(gòu)股份有限公司，湖北 武漢 430223；3武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，湖北 武漢 430072)

作為跨流域供水水源工程的常用結(jié)構(gòu)型式，地下引水隧洞具有受外界環(huán)境影響小，水源水質(zhì)易于保證等優(yōu)點。這類工程的供水保障涉及城市用水安全和社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展，往往被譽為城市生命線工程。深圳市東江水源工程自東江惠州段取水，途徑約100km，將水源輸送進自來水廠，然后通過管網(wǎng)送進千家萬戶。沿途除部分管道、暗涵之外，絕大部分采用地下隧洞的結(jié)構(gòu)形式。

地下隧洞襯砌[1]多采用混凝土，根據(jù)其承載需要，確定是否配置鋼筋。由于內(nèi)部輸水條件(如工程擴建)以及圍巖地下水環(huán)境的變化，對襯砌受力會有不同程度的影響，表現(xiàn)為混凝土出現(xiàn)空洞、裂縫等結(jié)構(gòu)性缺陷，嚴(yán)重的可能會造成襯砌的局部破壞而使結(jié)構(gòu)失效。

混凝土裂縫是隧洞襯砌的主要病害之一，對于其成因，國內(nèi)學(xué)者做了很多研究。黃宏偉[2]在對公路隧洞襯砌裂縫統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，利用基于擴展有限元法分析裂縫的主要影響因素；蒲春平等[3]研究了襯砌溫度應(yīng)力規(guī)律及其溫度裂縫計算公式；鐘建文等[4]對隧洞襯砌出現(xiàn)裂縫后的承載能力進行了分析。也有學(xué)者結(jié)合襯砌的開裂原因和裂縫分布規(guī)律，對襯砌的加固進行了研究。王華牢等[5]驗算了噴射混凝土加鋼拱架的方法；高峰等[6]進行了隧洞注漿加固模型的試驗研究；徐建明[7]、侯發(fā)亮[8]分析了各種加固補強措施的效果。

本文結(jié)合運行中的某輸水隧洞洞段的缺陷檢測結(jié)果及勘測設(shè)計資料，以襯砌為主要研究對象，依據(jù)規(guī)范[9]建立隧洞圍巖-結(jié)構(gòu)相互作用的整體計算模型，對混凝土襯砌產(chǎn)生裂縫的原因[10- 11]進行初步分析。在數(shù)值計算分析的基礎(chǔ)上，得出了結(jié)構(gòu)受力規(guī)律，提出合理可行的加固措施[12]，并通過加固后的隧洞模型對比驗證加固效果，對后續(xù)洞段的裂縫處理具有一定指導(dǎo)意義。

1 工程概況

本次加固及分析選取的典型洞段斷面為城門洞型，頂拱直徑為4.2m，邊墻高2.7m，凈寬4.2m，斷面凈總高度4.8m。襯砌設(shè)計厚度為250mm，混凝土強度設(shè)計等級為C25。

隧洞采用新奧法進行施工，進出口段圍巖分別為V類和III類，中間段主要為IV類和III類圍巖。對于V類圍巖采用超前支護爆破，臺階法開挖，并對襯砌斷面壁厚加強為350mm。

2 隧洞缺陷及原因分析

2.1 局部脫空與隧洞裂縫

隧洞設(shè)計時考慮無壓過水要求，又充分利用圍巖的拱效應(yīng)自穩(wěn)，故采用城門洞型結(jié)構(gòu)。根據(jù)新奧法施工原則，及時噴錨支護，有效地控制圍巖變形，然后用鋼模板澆筑素混凝土襯砌，部分承受圍巖壓力和內(nèi)、外水壓力，確保結(jié)構(gòu)圍巖的整體穩(wěn)定和承載。

隧洞已正常輸水十余年，但每年定期停水檢查發(fā)現(xiàn)，混凝土襯砌與圍巖間出現(xiàn)空洞，表明隧洞圍巖與結(jié)構(gòu)存在局部脫空，對于圍巖結(jié)構(gòu)聯(lián)合承載帶來不利因素。此外，隧洞襯砌表面出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫，沿裂縫處的滲漏將引起隧洞外側(cè)地下水位變化，進而影響作用在襯砌表面的外水壓力，使襯砌結(jié)構(gòu)荷載條件發(fā)生改變，由于混凝土抗拉強度遠低于抗壓強度，故易使混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)受拉裂縫或破壞。

2.2 有限元分析

為驗證以上分析并得出受拉破壞區(qū)規(guī)律，本文采用ABAQUS有限元軟件對該洞段進行數(shù)值分析，計算模型按平面應(yīng)變問題簡化，采用4節(jié)點平面應(yīng)變單元。選用兩個斷面進行計算，斷面一為典型洞段，斷面二為加強洞段。對應(yīng)的混凝土襯砌壁厚分別為0.25m和0.35m。

襯砌材料為C25素混凝土，彈性模量28.0GPa，泊松比0.167，密度2200kg/m3。襯砌與圍巖之間相互作用采用接觸單元模擬圍巖對襯砌結(jié)構(gòu)的彈性抗力和庫倫摩擦。圍巖材料屬性為15.0GPa，泊松比為0.15?？紤]圍巖對襯砌結(jié)構(gòu)的最不利狀況，豎向壓力31.8kN/m2，水平壓力17.6kN/m2。對于地下水位的影響，模型考慮10m和20m兩種地下水位，并分別考慮運行與檢修兩種工況(有內(nèi)水壓作用和無內(nèi)水壓作用)。圍巖-隧洞計算模型及有限元網(wǎng)格如圖1—2所示。

圖1 整體分析模型

圖2 整體網(wǎng)格圖

為分析受力規(guī)律，得出襯砌承載的最不利位置，對有限元計算結(jié)果進行整理，選取襯砌9組典型位置截面的節(jié)點，如圖3所示，提取應(yīng)力值，結(jié)果見表1。

圖3 典型應(yīng)力點的示意圖

根據(jù)有限元數(shù)值分析結(jié)果，可以看出：

(1)邊墻中部內(nèi)側(cè)出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，超過C25混凝土的抗拉強度設(shè)計值，與現(xiàn)場裂縫部位較好吻合。

(2)地下水位越高，作用在襯砌結(jié)構(gòu)上外水壓力越大，主拉應(yīng)力越大。通過增設(shè)排水孔，有組織的排除外水壓力，可大大減輕作用在襯砌上的水壓力荷載，有利于結(jié)構(gòu)的安全性。

(3)與檢修工況相比，運行工況的內(nèi)水壓力對隧洞襯砌形成反壓，使邊墻和底板的主拉應(yīng)力減少，對結(jié)構(gòu)有利。因此工程擴建后水位增加不會對結(jié)構(gòu)造成直接的不利影響。

(4)斷面二與斷面一相比較，壁厚增加了29%，但襯砌的最大拉應(yīng)力減小了100%～140%，增大襯砌厚度可顯著改善結(jié)構(gòu)的受力性能。

(5)邊墻底部和底板的拉應(yīng)力明顯超出襯砌混凝土強度設(shè)計值，這是由于邊墻與底板的結(jié)合部位容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，將結(jié)構(gòu)底板設(shè)計成仰拱形式，有利于減少拉應(yīng)力。

(6)檢修工況(無內(nèi)水壓力)也是隧洞襯砌的危險工況，為此需確保在停水檢修前，排水孔等措施能有效排除外水壓力，對外水壓力進行在線監(jiān)測。

表1 襯砌典型位置最大主拉應(yīng)力表 單位：MPa

3 隧洞加固有限元分析

針對本工程隧洞存在的缺陷和安全隱患，為保證隧洞正常運行和結(jié)構(gòu)安全，對隧洞進行加固處理。

通過對上述承載計算分析及對承載薄弱點，提出采用：①對圍巖空洞進行灌漿，封堵地下水通道，有效降低作用在襯砌上的滲透水壓；②在襯砌內(nèi)表面粘貼鋼板，并灌注結(jié)構(gòu)膠使鋼板和原混凝土結(jié)構(gòu)共同工作；③在邊墻和頂拱打入錨桿，施加預(yù)應(yīng)力，進一步增強襯砌承載外荷載的能力。

為分析加固的效果，采用有限元方法模擬：在隧洞內(nèi)襯內(nèi)側(cè)表面粘貼10mm厚鋼板；在隧洞內(nèi)襯的邊墻和頂拱設(shè)30kN預(yù)應(yīng)力錨桿，錨桿沿隧洞橫斷面的邊墻和頂拱布置4根。錨桿布置方式有兩種，如圖4(方式1)、圖5(方式2)所示。錨桿沿隧洞縱向間隔1.5m布置一組，每一組采用其中的一種布置方式，兩種布置方式穿插進行，形成梅花布置方式。計算結(jié)果見表2。

圖4 錨桿布置方式1

圖5 錨桿布置方式2

表2 加固后襯砌典型位置最大主拉應(yīng)力表單位：MPa

對隧洞最不利工況進行分析可得到：

(1)對隧洞采用鋼板加固，可顯著減少襯砌邊墻所受拉應(yīng)力，但邊墻中部外側(cè)拉應(yīng)力仍有1.50MPa，超過混凝土抗拉強度設(shè)計值；

(2)通過錨桿施加預(yù)應(yīng)力，有助于進一步改善襯砌的受拉狀態(tài)，滿足混凝土抗拉強度設(shè)計值要求；

(3)采用兩種錨桿布置方式對襯砌拉應(yīng)力的影響不大，但對于整個隧洞，錯開布置錨桿有利于減弱應(yīng)力集中，加強整體的加固效果；

(4)加固后邊墻底部和底板中部仍未能滿足襯砌混凝土的抗拉強度要求。一方面是由于應(yīng)力在邊墻底部集中，同時，應(yīng)考慮在加固方案中增設(shè)排水管，降低地下水滲透壓力。

通過對加固鋼板的應(yīng)力進行分析，發(fā)現(xiàn)鋼板最大Mises應(yīng)力為36MPa，強度沒有充分發(fā)揮，但通過粘貼鋼板使得兩種不同材料聯(lián)合作用，顯著改善襯砌受力。此外，襯砌混凝土出現(xiàn)裂縫后，鋼板能有效地轉(zhuǎn)移釋放的應(yīng)力，使得隧洞具有較大的承載安全裕度，對工程安全運行非常必要。

4 結(jié)論

通過對隧洞加固前后的承載分析及不同加固方式的對比計算，得出對結(jié)構(gòu)承載影響和分布規(guī)律如下：

(1)隧洞襯砌采用素混凝土的結(jié)構(gòu)形式，其抗拉強度遠小于抗壓強度，在圍巖壓力和地下水壓力作用下，易在邊墻中下部和底板中部產(chǎn)生較大拉應(yīng)力而出現(xiàn)微細(xì)裂縫。

(2)通過錨桿、鋼板和混凝土共同作用可使襯砌從抗拉轉(zhuǎn)變?yōu)槭軌?，有利于提高襯砌結(jié)構(gòu)的承載能力，提高結(jié)構(gòu)的安全性能。

(3)采用圍巖灌漿、粘貼鋼板、預(yù)應(yīng)力錨桿等不同措施對隧洞進行加固處理，對襯砌結(jié)構(gòu)的影響不同。因此在工程實踐中，應(yīng)采用合理的計算模型，充分考慮其影響，采用多種措施綜合加固處理。