曾思遠(yuǎn)，曹生榮，賀 歡，嚴(yán) 鵬

(1. 深圳市東江水源工程管理處，廣東 深圳 518036； 2. 武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072)

近年來(lái)，為解決地區(qū)間水資源分布不均的問(wèn)題，我國(guó)的跨流域輸水工程建設(shè)發(fā)展迅速，越來(lái)越多的輸水隧洞投入運(yùn)營(yíng)使用。同時(shí)，隨著城市化的發(fā)展，各類道路工程建設(shè)也在如火如荼地進(jìn)行。這就可能出現(xiàn)后續(xù)工程對(duì)先前工程產(chǎn)生不利影響的情況，例如在既有隧洞上方新建公路，公路完工投入使用后的車(chē)道荷載會(huì)對(duì)隧洞襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生新的附加應(yīng)力，對(duì)隧洞襯砌造成不利影響。

仇敏玉[1]用數(shù)值模型分析得知行車(chē)荷載在軟土地基的影響深度可達(dá)到18 m；劉明[2]分析了車(chē)振荷載引起的隧道長(zhǎng)期沉降；郭翔宇[3]分析了已建成隧道上方受到修建建筑物荷載的不利影響；何云勇[4]分析了高速公路填方路基及運(yùn)營(yíng)汽車(chē)荷載給既有淺埋引水隧洞帶來(lái)的不利影響；邵珠山[5]分析了行車(chē)荷載對(duì)淺埋黃土隧道穩(wěn)定性的影響。這些研究者主要分析沉降變形規(guī)律，對(duì)隧洞襯砌結(jié)構(gòu)開(kāi)裂的分析較少，故此方面尚需進(jìn)行更深入的研究。這些文獻(xiàn)也表明了新建公路對(duì)既有隧洞襯砌結(jié)構(gòu)確實(shí)會(huì)造成諸多不利影響。針對(duì)既有隧洞襯砌結(jié)構(gòu)已出現(xiàn)病害的情況，新建公路的不利影響更需加以考慮，適時(shí)有必要對(duì)隧洞采取加固措施。

目前關(guān)于水工輸水隧洞襯砌的加固方法主要有：加大截面法、預(yù)應(yīng)力法、內(nèi)套鋼拱架法、粘鋼加固法、粘貼碳纖維布法等，這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)與適用條件。近年來(lái)粘鋼加固與粘碳纖維布加固運(yùn)用較多，單成林[6]和任偉[7]都做過(guò)相應(yīng)的對(duì)比試驗(yàn)。粘鋼加固法工藝簡(jiǎn)單，施工便捷，可預(yù)制鋼板快速粘貼施工，作業(yè)時(shí)間短。薄層鋼板也不會(huì)顯著增加結(jié)構(gòu)自重，還能防止襯砌開(kāi)裂導(dǎo)致的內(nèi)水外滲，加固效果較好。

本文以碧沙北路道路工程跨碧嶺隧洞為例，基于通用有限元分析軟件ANSYS，考慮襯砌混凝土材料非線性特性，分析了新建公路對(duì)隧洞變形和開(kāi)裂造成的不利影響以及粘鋼加固的效果?？蔀樗矶磁c公路、鐵路交叉施工等類似工程的加固方案提供類比參考。

1 有限元模擬計(jì)算

1.1 工程背景

碧嶺隧洞位于東江水源工程供水網(wǎng)絡(luò)干線的東部，全長(zhǎng)17 930 m，為無(wú)壓隧洞。隧洞為城門(mén)洞型，上半部為半圓拱，半徑為2.1 m。下部為直邊墻平底，隧洞斷面凈寬4.2 m，凈高5.3 m。初期支護(hù)為錨噴支護(hù)，沿隧洞正截面左右邊墻各布置4根橫、縱向間距均為1 m的長(zhǎng)2.5 mφ18錨桿，噴15 cm厚C20素混凝土。二次支護(hù)為模筑拱、墻30 cm厚，底25 cm厚的C25混凝土，隧洞襯砌設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

圖1 隧洞襯砌設(shè)計(jì)圖(單位：mm)

隧洞埋深23 m，圍巖類別為Ⅴ類圍巖，巖性較差。該隧洞屬長(zhǎng)期“帶病”運(yùn)行，多年來(lái)還未對(duì)隧洞裂縫進(jìn)行加固處理。故采取加固措施更顯得十分必要。粘鋼加固方案為采用2 mm厚的灌注型親水環(huán)氧類結(jié)構(gòu)膠粘貼10 mm厚Q235B級(jí)鋼板，全斷面粘鋼加固[8]。道路施工開(kāi)挖后將減小隧洞上方覆土埋深6m，即最終隧洞上覆土層厚度僅為17 m。設(shè)計(jì)公路為雙向6車(chē)道，寬24 m。公路和隧洞交叉段示意如圖2所示。

圖2 兩項(xiàng)工程交叉示意圖

1.2 有限元模型

1)模型范圍。建立了圍巖土體、初次襯砌、二次襯砌、錨桿、粘貼鋼板在內(nèi)的整體有限元模型。以隧洞底板中心為原點(diǎn)，采用笛卡爾坐標(biāo)系，上23 m(其中上覆土層17 m，開(kāi)挖土層6 m)，下20 m，左20 m，右20 m。沿水流方向取12 m。

2)單元類型。圍巖土體采用solid45模擬，便于初始地應(yīng)力的平衡；初次襯砌和二次襯砌都用solid65模擬，可以定義材料的非線性特性來(lái)模擬襯砌混凝土的開(kāi)裂；錨桿采用beam188模擬，既能模擬錨桿的軸向拉壓，還能模擬錨桿所受到的剪力和彎矩，通過(guò)節(jié)點(diǎn)耦合將錨桿與土體和初襯建立相互作用關(guān)系；粘貼鋼板用shell181模擬，可通過(guò)定義多層殼的厚度及材料種類模擬鋼板和結(jié)構(gòu)膠的雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)，通過(guò)共節(jié)點(diǎn)與二次襯砌建立相互作用關(guān)系，不考慮粘貼鋼板的滑移。

3)接觸分析。采用Conta174和Targe170單元建立面-面接觸對(duì)模擬初次襯砌和二次襯砌的相互作用關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)剛體-柔體接觸只傳遞法向壓應(yīng)力的作用。

4)位移約束。模型底部施加全約束，左右及前后端部施加法向約束。

整體模型、襯砌錨桿結(jié)構(gòu)模型、模擬粘鋼界面的多層殼單元分別如圖3～圖5所示，計(jì)算模型共有節(jié)點(diǎn)90 792個(gè)，單元87 881個(gè)。

圖5 模擬界面粘鋼的多層殼單元

1.3 材料參數(shù)

二襯混凝土采用William-Warnke五參數(shù)破壞準(zhǔn)則[9]，關(guān)系式表述為：

式中：F為主應(yīng)力狀態(tài)；S為破壞曲面(表示為主應(yīng)力狀態(tài)和5個(gè)參數(shù)ft，fc，fcb，f1，f2的函數(shù))；若應(yīng)力滿足上式，有主拉應(yīng)力將導(dǎo)致混凝土構(gòu)件拉裂，而有主壓應(yīng)力則將導(dǎo)致混凝土構(gòu)件壓碎。各強(qiáng)度參數(shù)的含義如下：

1)單軸抗壓強(qiáng)度f(wàn)c(η=60°，fc>0)；

2)單軸抗拉強(qiáng)度f(wàn)t(η=0°)；

3)雙軸等壓強(qiáng)度f(wàn)cb(η=0°，fcb>0)；

4)靜水壓力值ξ；

5)受拉子午線上較高壓應(yīng)力的實(shí)測(cè)強(qiáng)度坐標(biāo)點(diǎn)(ξ1，f1)；

6)受壓子午線上較高壓應(yīng)力的實(shí)測(cè)強(qiáng)度坐標(biāo)點(diǎn)(ξ2，f2)。

理論分析可知鋼板和錨桿均不會(huì)達(dá)到屈服，初襯不考慮非線性，材料參數(shù)見(jiàn)表1?？紤]隧洞二襯裂縫較多強(qiáng)度不足，故將其強(qiáng)度乘以安全折減系數(shù)0.8，更符合實(shí)際并偏于安全。

表1 材料參數(shù)

1.4 工況荷載組合

計(jì)算考慮的荷載：重力；3.5 m水頭的內(nèi)水壓力；外水壓力0.08 MPa；車(chē)道荷載由道路設(shè)計(jì)單位通過(guò)基底附加應(yīng)力計(jì)算得出為230 kPa。

先施加重力求解，生成初始地應(yīng)力文件，再讀入初始地應(yīng)力文件，激活錨桿、初襯和二襯單元，施加重力求解，模擬隧洞成洞施工。之后計(jì)算如下工況，如表2所示。

表2 工況荷載

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 有限元計(jì)算結(jié)果

根據(jù)圖6所示隧洞變形情況，分別計(jì)算接觸間隙、頂拱、邊墻和底板這四個(gè)特征變形量，用來(lái)表征隧洞的變形趨勢(shì)。根據(jù)混凝土的破壞準(zhǔn)則，用solid65單元模擬二次襯砌混凝土的非線性開(kāi)裂，得到襯砌開(kāi)裂圖，圖中藍(lán)色表示開(kāi)裂，紅色表示未開(kāi)裂，在二次襯砌各部分單元尺寸相同的條件下，統(tǒng)計(jì)開(kāi)裂單元的位置和數(shù)量即可定性分析開(kāi)裂位置并定量分析裂縫擴(kuò)展范圍。

圖6 特征位置變形示意圖

初始正常運(yùn)行、車(chē)道影響以及粘鋼加固這三種工況的對(duì)比計(jì)算結(jié)果如圖7、8所示，變形量與開(kāi)裂情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3、4。

圖7 接觸脫開(kāi)變形對(duì)比圖

圖8 開(kāi)裂對(duì)比圖

表3 變形結(jié)果 mm

表4 開(kāi)裂單元數(shù)量

2.2 新建公路的影響分析

新建公路后開(kāi)挖了6 m覆土，公路隧洞交叉段受車(chē)道荷載的影響更明顯。邊墻最大凹陷變形由1.085 mm增大到1.421 mm，底板最大隆起變形由5.671 mm增大到6.244 mm，接觸最大脫開(kāi)變形間隙由4.981 mm增至5.73 mm，位于底板中部，但頂拱最大沉降變形由3.063 mm減小到2.373 mm，可知上覆土的重力對(duì)頂拱沉降變形影響較大，覆土厚度減小導(dǎo)致頂拱沉降變形減小。邊墻與底板交匯處和底板中部的原有裂縫有逐步擴(kuò)展的趨勢(shì)，底板新增了149個(gè)開(kāi)裂單元。邊墻中部出現(xiàn)了大量新增裂縫，新增了600個(gè)開(kāi)裂單元。頂拱起拱處也出現(xiàn)了小范圍開(kāi)裂，新增96個(gè)開(kāi)裂單元。整體新增開(kāi)裂單元共845個(gè)，占原有開(kāi)裂單元的比例達(dá)46.28%。

故新建公路對(duì)隧洞襯砌確會(huì)造成一定的不利影響，主要表現(xiàn)為底板中部初襯和二襯脫開(kāi)間隙變大，邊墻和底板變形增大并出現(xiàn)大范圍的開(kāi)裂。隧洞開(kāi)裂加劇內(nèi)水外滲，從隧洞的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行考慮，需對(duì)隧洞采取加固措施。

2.3 粘鋼加固效用分析

可知在新建公路前粘鋼加固隧洞，能在一定程度上減少車(chē)道荷載對(duì)隧洞襯砌的不利影響。加固后邊墻最大凹陷變形由1.421 mm減小到1.033 mm，底板最大隆起變形由6.244 mm減小到5.378 mm，接觸脫開(kāi)間隙由5.73 mm減至4.54 mm，但頂拱沉降變形由2.373 mm增大到了3.022 mm?？芍充摷庸毯筮厜偷装逦恢玫牟焕冃问芟蓿冃螠p?。欢敼爸胁课恢玫膲毫?，最大沉降變形略有增大。

由開(kāi)裂情況可知，加固后邊墻中部開(kāi)裂范圍顯著減小，只有右邊墻中部出現(xiàn)了小范圍開(kāi)裂，邊墻開(kāi)裂單元由852個(gè)減小到414個(gè)，頂拱起拱處也未出現(xiàn)開(kāi)裂。但邊墻與底板交匯處和底板中部的裂縫加固效果不好。原因可能是二次襯砌底板在初始運(yùn)行狀態(tài)下裂縫太多，底板本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度顯著降低，再進(jìn)行粘鋼加固處理效用不明顯。建議對(duì)底板原有裂縫進(jìn)行灌漿加固和粘鋼加固聯(lián)合處理，或能取得更好的加固效果。加固后總體上新增開(kāi)裂單元減小了500個(gè)，占原有開(kāi)裂單元的比例降低至18.89%，粘鋼加固對(duì)防止襯砌開(kāi)裂效用較顯著。另一方面，鋼板也可以防止襯砌貫穿裂縫形成滲漏通道而發(fā)生內(nèi)水外滲的現(xiàn)象。因此，粘鋼加固對(duì)提高既有隧洞在新建公路后襯砌結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定性具有較良好的效果。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文以碧沙北路道路工程跨碧嶺隧洞為例，分析了在既有隧洞上方修建公路對(duì)隧洞襯砌結(jié)構(gòu)造成的不利影響與粘鋼加固的效用。結(jié)果表明：

1)新建公路產(chǎn)生的車(chē)道荷載會(huì)導(dǎo)致邊墻凹陷、底板隆起、初襯與二襯脫開(kāi)等不利變形增大，并新增大量裂縫。公路與隧洞交叉施工時(shí)需加以考慮。

2)粘鋼加固能有效減小底板、邊墻、初襯與二襯脫開(kāi)間隙的變形量，防止襯砌原有裂縫擴(kuò)展，減少襯砌新增開(kāi)裂。通過(guò)粘鋼加固處理后新增開(kāi)裂占原有開(kāi)裂的比例由46.28%降至18.89%，加固效果良好。

3)對(duì)于原有裂縫很多的位置，襯砌強(qiáng)度不足，加固效果較差?？煽紤]采用先灌漿加固修補(bǔ)原有裂縫，再粘鋼加固的聯(lián)合處理方法，或能取得更好的加固效果。