宋 濤

(江西省水利水電建設(shè)有限公司，江西 南昌 330000)

近年來(lái)，我國(guó)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)步入新的發(fā)展時(shí)期，地下工程的數(shù)量和規(guī)模也日漸增加。這類(lèi)工程的圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也日漸受到人們的重視[1]。不能有效控制和保證地下洞室結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性，就會(huì)誘發(fā)嚴(yán)重的工程事故，并帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失[2]。同時(shí)，我國(guó)位于環(huán)太平洋地震帶上，地震災(zāi)害頻繁，其對(duì)地下工程結(jié)構(gòu)的危害性也是不容忽視的。由于地震作用的復(fù)雜性，其對(duì)地下洞室結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)制尚不明確，一旦遭遇地震破壞，不僅修復(fù)難度極大，還可能發(fā)生坍塌等嚴(yán)重的工程事故。

某山洪防治和生態(tài)補(bǔ)水工程的主隧洞長(zhǎng)30.12km，其主要功能是為下游城區(qū)河流進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水以及攔截北部山區(qū)的部分山洪，提高城區(qū)的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。該工程的設(shè)計(jì)投資33億元，設(shè)計(jì)工期為4年。該工程共涉及10個(gè)施工支洞，其中東線(xiàn)4個(gè)支洞中某支洞總長(zhǎng)度約277m，施工周期為8個(gè)月。由于該支洞為臨時(shí)性工程，如果采用原生混凝土作為襯砌材料勢(shì)必會(huì)造成資源浪費(fèi)，因此，采用再生混凝土進(jìn)行襯砌結(jié)構(gòu)施工，不僅可以節(jié)省資源保護(hù)環(huán)境，還可以大幅降低施工成本[3]。因此，本文利用三維有限元分析軟件，以該支洞為例，研究再生混凝土結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)特征和變化規(guī)律，為相關(guān)工程設(shè)計(jì)提供必要的理論支持和借鑒。

1 有限元計(jì)算模型

1.1 有限元模型的構(gòu)建

本文以該支洞D4標(biāo)段為工程背景進(jìn)行有限元計(jì)算模型的構(gòu)建，利用FLAC有限元軟件對(duì)該洞段隧洞結(jié)構(gòu)在地震荷載下的動(dòng)力響應(yīng)特征進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算[4]。該洞段采用全斷面開(kāi)挖支護(hù)的施工方式，為馬蹄型斷面，斷面尺寸為4.2m×4.0m，襯砌混凝土的強(qiáng)度的C30。由于研究洞段周?chē)牡貙咏Y(jié)構(gòu)相對(duì)比較單一，因此假定隧道沿軸線(xiàn)方向的巖土體性質(zhì)變化不大，因此可以將研究的問(wèn)題簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題，故采用平面應(yīng)變法進(jìn)行計(jì)算[5]。為減小模型的邊界條件對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生的影響，同時(shí)兼顧模型計(jì)算的便捷性，結(jié)合相關(guān)研究理論和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，模型的左右邊界取洞徑的9倍，最終確定模型的計(jì)算區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)寬均為50m[6]。研究洞段的襯砌采用FLAC有限元軟件中的liner單元進(jìn)行模擬，周邊巖土體單元的最小尺寸為0.2m，最大單元尺寸為1.0m，襯砌單元和土體單元采用直接相連的方式，同時(shí)不考慮隧洞結(jié)構(gòu)本身和地基土層之間可能產(chǎn)生的滑移和脫離[7]。整個(gè)有限元模型劃分為15675個(gè)網(wǎng)格計(jì)算單元，16545個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)。

圖1 模型網(wǎng)格劃分示意圖

1.2 模型的邊界條件

模型的邊界條件是動(dòng)力分析中的重要內(nèi)容，目前在該領(lǐng)域主要有簡(jiǎn)單截?cái)噙吔?、粘滯邊界、透射邊界以及邊界元和無(wú)限元等多種方法，在利用有限差分法進(jìn)行動(dòng)力問(wèn)題求解過(guò)程中，系統(tǒng)提供了自由場(chǎng)邊界以及靜態(tài)邊界兩種邊界條件[8]。在模型底部考慮垂直入射地震波的實(shí)際情況，采用靜態(tài)邊界；模型的側(cè)面必須要考慮沒(méi)有結(jié)構(gòu)情況下的自由場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，因此采用自由邊界條件[9- 13]。

1.3 地震波的過(guò)濾和校正

本次研究中選用的是1840年采集于美國(guó)的EL-Centro地震記錄，震級(jí)為6.7，震中距為9.3km，最大加速度為3.41m/s2，持續(xù)時(shí)間為54s，將上述記錄中的加速度時(shí)程作為地震荷載輸入。在計(jì)算過(guò)程中，為了提高計(jì)算效率，采用SeimoSignal軟件濾掉地震波中的高頻部分，同時(shí)對(duì)加速度時(shí)程曲線(xiàn)進(jìn)行必要的基線(xiàn)校正。為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，采用地震波的歷時(shí)為6.0s。

1.4 計(jì)算工況

為了探討再生混凝土襯砌的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，研究中設(shè)計(jì)了300mm、500mm和600mm三種不同的襯砌厚度以及普通混凝土和再生混凝土兩種不同的混凝土類(lèi)型，通過(guò)相互組合設(shè)計(jì)出6種不同的計(jì)算工況，見(jiàn)表1。為了研究研究洞段的地震動(dòng)力響應(yīng)，在截面的不同部位設(shè)置了5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。其中觀測(cè)點(diǎn)1位于頂部；觀測(cè)點(diǎn)2位于頂腰；觀測(cè)點(diǎn)3位于側(cè)中；觀測(cè)點(diǎn)4位于底腰；觀測(cè)點(diǎn)5位于底部[14- 15]。

表1 計(jì)算工況設(shè)計(jì)

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 再生混凝土襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)變分析

利用上節(jié)構(gòu)建的有限元模型，對(duì)使用再生混凝土的工況1至工況3條件下的研究洞段結(jié)構(gòu)在地震波作用下的應(yīng)變進(jìn)行模擬計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果中提取出5個(gè)主要觀測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變峰值，結(jié)果見(jiàn)表2。由表中的計(jì)算結(jié)果可以看出，不同厚度的再生混凝土襯砌條件下，研究洞段的頂部附近在地震作用下發(fā)生的變形較大，而隧洞的腰部和底板部位的應(yīng)變峰值則相對(duì)較低。從不同厚度襯砌的計(jì)算結(jié)果對(duì)比來(lái)看，當(dāng)襯砌厚度由300mm增加到500mm時(shí)，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變峰值均有不同程度的減??；但是，當(dāng)襯砌的厚度由500mm增加到600mm時(shí)，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的應(yīng)變峰值又有十分顯著的增加，并超過(guò)襯砌厚度為300mm情況下的應(yīng)變峰值。由此可見(jiàn)，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的應(yīng)變峰值隨著襯砌厚度的增加呈現(xiàn)出先減小后增加的態(tài)勢(shì)，也就是說(shuō)大幅增加襯砌厚度并不能減小隧洞結(jié)構(gòu)應(yīng)變的響應(yīng)值，同時(shí)還會(huì)明顯增加施工成本，并不可取。

表2 再生混凝土襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)變計(jì)算結(jié)果

2.2 普通混凝土襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)變分析

利用上節(jié)構(gòu)建的有限元模型，對(duì)使用普通混凝土的工況4至工況6條件下的研究洞段結(jié)構(gòu)在地震波作用下的應(yīng)變進(jìn)行模擬計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果中提取出5個(gè)主要觀測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變峰值，結(jié)果見(jiàn)表3。普通混凝土襯砌和再生混凝土襯砌在地震波作用下的應(yīng)變具有類(lèi)似的變化特征。首先，不同厚度的混凝土襯砌條件下，研究洞段的頂部附近在地震作用下發(fā)生的變形較大，而隧洞的腰部和底板部位的應(yīng)變峰值則相對(duì)較低。其次，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的應(yīng)變峰值隨著襯砌厚度的增加呈現(xiàn)出先減小后增加的態(tài)勢(shì)。

表3 普通混凝土襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)變計(jì)算結(jié)果

2.3 兩種混凝土襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)變對(duì)比分析

由表2和表3中的數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，在襯砌厚度相同的條件下，普通混凝土襯砌相對(duì)于再生混凝土襯砌的應(yīng)變峰值較小，但是減小的幅度有限，特別是襯砌厚度為500mm的情況下，減小幅度均在2%至3%左右。由此可見(jiàn)，再生混凝土襯砌的性能雖然較普通混凝土差，但是在減小隧洞結(jié)構(gòu)的應(yīng)變相應(yīng)方面仍有明顯的效果，可以用于背景工程襯砌施工。

3 結(jié)論

再生混凝土應(yīng)用于臨時(shí)性水利工程施工，不僅具有良好的環(huán)保性能，還能大幅降低施工成本。本文以某水利工程的施工支洞為工程背景，利用數(shù)值模擬的方法研究了再生混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)特征，并獲得如下結(jié)論：

(1)不同厚度、不同種類(lèi)的混凝土襯砌條件下，研究洞段的頂部附近在地震作用下發(fā)生的變形較大，而隧洞的腰部和底板部位的應(yīng)變峰值則相對(duì)較低。

(2)不同厚度、不同種類(lèi)的混凝土襯砌條件下各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的應(yīng)變峰值隨著襯砌厚度的增加呈現(xiàn)出先減小后增加的態(tài)勢(shì)，襯砌結(jié)構(gòu)的最佳厚度為500mm。

(3)再生混凝土襯砌的性能雖然較普通混凝土差，但是在減小隧洞結(jié)構(gòu)的應(yīng)變相應(yīng)方面仍有明顯的效果，可以用于背景工程襯砌施工。