鄭澤平

揭陽(yáng)市引水工程有限公司 廣東 揭陽(yáng) 522000

一直以來(lái)我國(guó)都十分重視水利工程建設(shè)，水工隧道工程也隨之增多。通常水工隧道工程都建在地勢(shì)險(xiǎn)要的高山峽谷地帶，會(huì)受到周?chē)刭|(zhì)條件、水文環(huán)境的影響，埋深比較大，會(huì)承受來(lái)自隧道工程內(nèi)外部的水壓，影響到襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[1,2]。針對(duì)這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者都展開(kāi)了相應(yīng)的研究，從不同的角度及影響襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的各個(gè)方面探索其中的規(guī)律，并在不同領(lǐng)域取得了相應(yīng)進(jìn)展。比如我國(guó)研究人員通過(guò)實(shí)地監(jiān)測(cè)、數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)等方法，對(duì)隧洞內(nèi)溶洞的位置、溶洞的大小、內(nèi)外水壓變化等方面進(jìn)行系統(tǒng)性的計(jì)算分析，研究不同工況下對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響[3,4]。

本文結(jié)合韓江粵東灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造工程半洋隧洞引水工程（楓江- 半洋段）的施工情況，利用ABAQUS 有限元數(shù)據(jù)分析，建立隧洞襯砌結(jié)構(gòu)模型，分析內(nèi)水壓力對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。

1 工程簡(jiǎn)介

韓江粵東灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造工程半洋隧洞引水工程（楓江- 半洋段）是對(duì)原韓江粵東灌區(qū)主要灌溉渠道系統(tǒng)的改造工程，在工程改造完成后灌溉面積可達(dá)69.41 萬(wàn)畝。該引水工程全長(zhǎng)9034m，引水設(shè)計(jì)流量16.52m3/ s，主要建設(shè)內(nèi)容包括西山溪～古巷進(jìn)洞口段（盾構(gòu)法隧洞）、古巷～半洋段(鉆爆法隧洞)及半洋隧洞出口～八支渠埋管段。工程主要建筑物級(jí)別為2 級(jí)；次要建筑物包括管道沿線(xiàn)附屬建筑物等級(jí)別為3 級(jí)。該引水工程采用基礎(chǔ)防滲結(jié)構(gòu)形式的工程包括盾構(gòu)工作井和頂管工作井進(jìn)出洞口范圍高壓旋噴樁灌漿防滲體(簡(jiǎn)稱(chēng)旋噴樁墻)、盾構(gòu)管線(xiàn)穿越現(xiàn)有建筑物時(shí)采用高壓旋噴樁灌漿防滲體對(duì)地層進(jìn)行加固及防滲，確保地表建筑物安全。該引水工程在完成施工后各方面情況穩(wěn)定，圍巖材料的特性與各種材料的相關(guān)指標(biāo)見(jiàn)表1 和表2。

表1 圍巖材料性能指標(biāo)

表2 襯砌結(jié)構(gòu)材料性能指標(biāo)

2 研究方法

本次研究的對(duì)象為引水隧洞內(nèi)襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，探索當(dāng)水壓發(fā)生變化時(shí)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性變化情況[7]。國(guó)內(nèi)外許多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)內(nèi)水壓作用下隧道襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行了深入的研究，通過(guò)建立數(shù)字化模型，模擬襯砌結(jié)構(gòu)的受力情況，分析在內(nèi)外水壓力作用下襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖結(jié)構(gòu)之間存在的關(guān)系。例如崔戈[8]通過(guò)實(shí)地監(jiān)測(cè)、建立數(shù)字化模型并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，詳細(xì)調(diào)查了隧洞的位置、規(guī)模與內(nèi)外水壓的相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)不同工況隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響因素進(jìn)行了研究。本文結(jié)合前人的經(jīng)驗(yàn)，在半洋隧洞內(nèi)選取某處標(biāo)準(zhǔn)段三環(huán)，使用ABAQUS 有限元建立數(shù)字模型（如圖1 所示），在圖1（a）中CQ- 1、CQ- 2、CQ- 3 分別是三環(huán)管片襯砌；J1- J6 分別為六個(gè)接縫位置；A- F 分別表示管片。在引水隧洞設(shè)計(jì)中，襯砌、豆礫石采用線(xiàn)彈性材料，而螺栓、圍巖分別采用理想線(xiàn)彈性材料和彈塑性材料，利用桿單元對(duì)螺栓進(jìn)行模擬計(jì)算，另外其他的材料都采用八節(jié)點(diǎn)的方式。圖1（b）為施加在隧洞襯砌結(jié)構(gòu)上的水壓力作用示意圖[9]。

圖1 引水隧洞標(biāo)準(zhǔn)段數(shù)字模型

3 有限元模型計(jì)算分析

3.1 管片襯砌變形與應(yīng)力變化

在圖2（a）中，受到內(nèi)水壓力的作用影響，管片襯砌出現(xiàn)變形情況，并且從上部開(kāi)始逐漸向下部遞減，徑向上的管片在內(nèi)水壓力的作用下，產(chǎn)生向外的應(yīng)力，造成管片襯砌出現(xiàn)變形。變形情況由上到下情況不一，以頂部變形最為明顯，測(cè)量結(jié)果為0.732mm，以底部管片兩側(cè)接縫處的變形最為輕微，測(cè)量結(jié)果為0.466mm。

圖2（b）顯示，在整個(gè)管片模型中主要承受的是壓應(yīng)力，整體來(lái)看徑向應(yīng)力分布比較均勻，只是在接縫位置表現(xiàn)出比較集中的情況，經(jīng)測(cè)量最大壓應(yīng)力為- 3.62MPa。

在管片襯砌出現(xiàn)變形的過(guò)程中，產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力主要表現(xiàn)為拉應(yīng)力，主要作用于管片的中部，呈對(duì)稱(chēng)分布，應(yīng)力最大的部位在管片中部，而兩側(cè)呈均勻狀態(tài)分布[10]。經(jīng)測(cè)量拉應(yīng)力最大位置在管片的底部，達(dá)到了2.52MPa，而這個(gè)數(shù)值已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了混凝土的抗拉強(qiáng)度極限值1.89MPa。圖2（c）中顯示，管片襯砌內(nèi)部拉應(yīng)力明顯大于外部的拉應(yīng)力，根據(jù)這一現(xiàn)象，我們選擇CQ- 2 環(huán)中部作為研究對(duì)象，將環(huán)徑內(nèi)側(cè)頂部作為起始位置，經(jīng)過(guò)一周后旋轉(zhuǎn)后到達(dá)終點(diǎn)位置，所承受環(huán)向應(yīng)力曲線(xiàn)見(jiàn)圖2（d）。

因?yàn)橐r砌結(jié)構(gòu)底部有凹槽的緣故，造成圖2（d）中虛框部分曲線(xiàn)波動(dòng)，和其他部位的曲線(xiàn)相比變化較大，如果不考慮這一部分的變化，能夠看出管片襯砌結(jié)構(gòu)中的環(huán)向應(yīng)力的變化趨勢(shì)，在頂部時(shí)應(yīng)力最小，中部時(shí)應(yīng)力最大，最大值達(dá)到1.41MPa。

通過(guò)圖2（e）和（f）可以看出，管片襯砌結(jié)構(gòu)在內(nèi)水壓力的持續(xù)作用下，處在管片底部的凹槽位置，所承受拉應(yīng)力的最大值為2.52MPa，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了混凝土的抗拉強(qiáng)度1.89MPa，在內(nèi)水壓力的持續(xù)作用下易出現(xiàn)開(kāi)裂問(wèn)題。同時(shí)管片的最大壓應(yīng)力數(shù)值為3.66MPa，而混凝土的抗壓強(qiáng)度為23.2MPa，遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到極限。

圖2 管片位移與應(yīng)力變化

綜合圖2（a）～（f），管片襯砌結(jié)構(gòu)在內(nèi)水壓力的持續(xù)作用下，受到壓應(yīng)力的影響會(huì)出現(xiàn)向外變形的問(wèn)題，此時(shí)所產(chǎn)生的壓應(yīng)力會(huì)被襯砌結(jié)構(gòu)和圍巖結(jié)構(gòu)一起來(lái)承擔(dān)。進(jìn)一步對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖結(jié)構(gòu)內(nèi)水壓力的承載比進(jìn)行分析，能夠了解到內(nèi)水壓力對(duì)襯砌管片的穩(wěn)定性造成的影響?；谶@方面考慮，在本次研究中以管片襯砌結(jié)構(gòu)的頂部與底部?jī)蓚€(gè)位置為觀(guān)測(cè)點(diǎn)，詳細(xì)記錄在內(nèi)水壓力作用的數(shù)據(jù)，見(jiàn)表3。

表3 管片襯砌環(huán)向應(yīng)力與承載比分析

根據(jù)表3 可知，當(dāng)襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖結(jié)構(gòu)受到內(nèi)水壓力的作用時(shí)，兩者所的承載比在3.80%～5.80%之間，通過(guò)這一對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在承擔(dān)內(nèi)水壓力作用時(shí)圍巖結(jié)構(gòu)分擔(dān)的壓力占大部分，襯砌結(jié)構(gòu)分擔(dān)的壓力占小部分。

3.2 接縫開(kāi)度與環(huán)向螺栓應(yīng)力分析

由于管片襯砌模型的兩端可能會(huì)受到位移邊界的影響，因此我們選擇居于中部的CQ- 2 環(huán)進(jìn)行分析，繪制接縫與環(huán)向螺栓示意圖，見(jiàn)圖3。詳細(xì)記錄接縫開(kāi)度變化情況，見(jiàn)表4。

通過(guò)對(duì)圖3 和表4 進(jìn)行分析，CQ- 2 環(huán)接縫平均開(kāi)度會(huì)隨著水頭壓力大小出現(xiàn)變化，總體情況是水壓變大則平均開(kāi)度隨之增大。

圖3 接縫與環(huán)向螺栓示意圖

從表4 中可以看出，當(dāng)水頭達(dá)到100m，此時(shí)接縫總平均開(kāi)度值為0.267mm，當(dāng)水頭繼續(xù)增加到200m，總平均開(kāi)度值為0.525mm。我們還發(fā)現(xiàn)，J1、J2、J3 與對(duì)側(cè)的J6、J5、J4 分別處在相對(duì)應(yīng)的位置，而它們的接縫開(kāi)度也相差無(wú)幾，因此這6 處接縫位置的接縫開(kāi)度存在以下規(guī)律：J1=J6＜J2=J5＜J3=J4。通過(guò)圖3（b）中可以看出，當(dāng)處于同一水頭條件時(shí)，水頭與接縫開(kāi)度之間存在著線(xiàn)性關(guān)系，且兩側(cè)對(duì)應(yīng)接縫開(kāi)度平均值變化較小。

表4 CQ- 2 環(huán)接縫開(kāi)度變化情況

在襯砌結(jié)構(gòu)中一向螺栓對(duì)接縫開(kāi)度起到了一定的控制作用，再以CQ- 2 環(huán)向螺栓應(yīng)力進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。當(dāng)管片襯砌接縫開(kāi)度逐漸變大時(shí)，處于同一接縫環(huán)向螺栓的拉應(yīng)力也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)變化，隨之而變大。通過(guò)表5 可以看出，處于J3 和J4 位置所受到的應(yīng)力值最大，處于J1 和J6 位置所受到的應(yīng)力值最小。

表5 CQ- 2 環(huán)向螺栓各部位應(yīng)力值

4 增強(qiáng)管片襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的技術(shù)措施

在內(nèi)水壓力的作用下，管片襯砌結(jié)構(gòu)會(huì)逐步發(fā)生變形，環(huán)接縫也會(huì)發(fā)生變化，隧洞逐漸進(jìn)入塑性帶裂縫工作狀態(tài)。如果地層越軟，則隧洞的失穩(wěn)狀態(tài)越嚴(yán)重，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，如不遇到突發(fā)的水位漲落、地震等情況，中硬粘土地層、軟粘土地層中盾構(gòu)隧道比較穩(wěn)定的，如果是極軟粘土地層，則發(fā)生隧洞失穩(wěn)的概率要高的多。針對(duì)這種情況，建議更換土體或者對(duì)土體進(jìn)行改良，對(duì)管片襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固處理，以增強(qiáng)隧洞的穩(wěn)定性。

在內(nèi)水壓力作用下，管片接縫開(kāi)度會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，隧道的穩(wěn)定性也受到很大影響。因此，在探明管片接頭抗彎性能后，可以考慮使用非恒定接頭抗彎剛度的雙重非線(xiàn)性有限元分析方法來(lái)計(jì)算管片襯砌的失穩(wěn)性，計(jì)算結(jié)果更加精確。

5 結(jié)論

本文運(yùn)用ABAQUS 有限元分析，建立數(shù)字化模型，用來(lái)研究引水隧洞內(nèi)水壓力對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)造成的影響，通過(guò)本次研究發(fā)現(xiàn)：

（1）當(dāng)管片襯砌結(jié)構(gòu)受到內(nèi)水壓力的作用時(shí)，整體會(huì)發(fā)生一定的變形，變形狀態(tài)是頂部最為明顯，從上到下呈遞減狀態(tài)，以底部管片兩側(cè)接縫位置變形最??；

（2）通過(guò)研究對(duì)比發(fā)現(xiàn)，管片襯砌結(jié)構(gòu)受到的壓應(yīng)力較為明顯，而拉應(yīng)力不明顯，壓應(yīng)力的分布情況是徑向均勻，在管片接縫處受到的應(yīng)力作用較為集中。在壓應(yīng)力作用下管片襯砌結(jié)構(gòu)開(kāi)始向外部出現(xiàn)變形，此時(shí)環(huán)向拉應(yīng)力較為明顯，呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)分布的狀態(tài)，應(yīng)力主要集中在管片的中部位置，中部應(yīng)力較大，兩側(cè)呈現(xiàn)均勻分布狀態(tài)。此時(shí)管片底部凹槽位置所受到的拉應(yīng)力最大，在持續(xù)受力的情況下會(huì)發(fā)生開(kāi)裂問(wèn)題。

（3）襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖結(jié)構(gòu)共同承擔(dān)來(lái)自隧洞內(nèi)水壓力的作用，在經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比分析后得出結(jié)果，兩者對(duì)內(nèi)水壓力的承載比在3.8%～5.8%，圍巖結(jié)構(gòu)承擔(dān)了更多來(lái)自于內(nèi)水壓力的作用，而襯砌結(jié)構(gòu)所承擔(dān)的相對(duì)要小一些。

（4）針對(duì)襯砌接縫開(kāi)度的研究，當(dāng)接縫開(kāi)度逐漸變大時(shí)，環(huán)向螺栓所受到的拉應(yīng)力隨之而變大，在兩側(cè)相對(duì)應(yīng)的位置應(yīng)力大小相差較小。研究中發(fā)現(xiàn)，處于J3 和J4 位置的應(yīng)力最大，而處于J1 和J6 位置的應(yīng)力最小。

（5）當(dāng)處于同一水頭條件時(shí)，水頭與接縫開(kāi)度之間存在著線(xiàn)性關(guān)系，且兩側(cè)對(duì)應(yīng)接縫開(kāi)度平均值變化較小，平均開(kāi)度變化規(guī)律為J1=J6＜J2=J5＜J3=J4。