任 睿

(新疆伊犁河流域開發(fā)建設(shè)管理局，新疆 伊寧 835000)

0 引 言

隨著中國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，城市間水電資源供應(yīng)不平衡的矛盾日益突出。為了緩解這一問題，中國各地興建了一大批水電工程。深埋長(zhǎng)隧洞作為這些工程建設(shè)主要的水工構(gòu)筑物，也促進(jìn)了高壓水工隧洞的發(fā)展。這些水工隧洞工程一般規(guī)模較大，其中許多位于山區(qū)，地質(zhì)和地形條件復(fù)雜。同時(shí)，由于襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖的相互作用機(jī)制不明確，以及高地應(yīng)力和高水壓的影響，在施工和運(yùn)營(yíng)期間，圍巖和襯砌支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性受到嚴(yán)重威脅。目前，高壓水工隧道開挖和運(yùn)營(yíng)過程中襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析已經(jīng)成為一個(gè)緊迫的工程問題。但是，關(guān)于這方面的理論分析和研究主要集中于隧洞開挖階段[1]，而對(duì)運(yùn)營(yíng)期支護(hù)結(jié)構(gòu)特別是襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性研究并不充分。因此，需要更加重視受內(nèi)外水壓力、巖體的長(zhǎng)期強(qiáng)度和工況變化等各因素影響隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析研究。

許多學(xué)者對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究工作。C.Blom等人利用有限元分析軟件建立了交錯(cuò)接頭的襯砌模型，并考慮了以圍巖壓力為主的各種載荷，分析了襯砌結(jié)構(gòu)在開挖和支護(hù)過程中的應(yīng)力。胡如軍[2]等人對(duì)圍巖厚度、襯砌剛度以及實(shí)參數(shù)等影響襯砌計(jì)算結(jié)果的參數(shù)進(jìn)行了研究，分析了這些參數(shù)對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。張鵬等[3]通過實(shí)際工程，結(jié)合各主流地下結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，研究了應(yīng)力和滲流耦合作用下襯砌的結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力變化。蘇凱等[4]對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)開裂前后圍巖滲透系數(shù)和變形模量等參數(shù)對(duì)襯砌和圍巖協(xié)同承載特性的影響進(jìn)行了研究。李騰等[5]基于隧洞透水襯砌設(shè)計(jì)的方法，分析襯砌的厚度、配筋率和圍巖滲透特性對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性的影響。曲星等[6]研究了圍巖力學(xué)參數(shù)對(duì)高壓水工隧洞運(yùn)營(yíng)期的襯砌受力影響。操毅[7]通過模態(tài)分析原理和振型分解反應(yīng)譜法，對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的各個(gè)影響因素進(jìn)行分析，找到了應(yīng)力集中和易損部位，得到了關(guān)鍵點(diǎn)的變形趨勢(shì)。蔣暉[8]則通過對(duì)引水隧洞全過程周期進(jìn)行有限元模擬，計(jì)算分析不同工況不同襯砌結(jié)構(gòu)形式的導(dǎo)流洞和引水隧洞的襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，得出不同條件對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。

文章以鋼襯、混凝土襯砌以及圍巖滲透系數(shù)3個(gè)角度，結(jié)合工程實(shí)例，探索對(duì)運(yùn)營(yíng)期高壓水工隧洞穩(wěn)定性的影響，期望能為其他隧洞工程提供思路參考。

1 工程概況

文章依托于某一大型抽水蓄能水電工程，設(shè)計(jì)總裝機(jī)容量為2400MW。高壓引水隧洞是該水電工程輸水管線的重要組成部分。該隧洞段處于A廠的引水系統(tǒng)尾段，洞型為圓型，開挖洞徑約為9.8m，襯砌厚0.8m，過水洞徑約為9.0m，最大水頭為145.37 m。隧洞總體結(jié)構(gòu)為C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，部分區(qū)段圍巖情況較差，需要鋼襯構(gòu)件支撐加固，其中鋼襯厚26mm，彈性模量210GPa，混凝土與鋼襯之間需預(yù)設(shè)間隙1.6mm。該高壓引水隧洞在運(yùn)營(yíng)期內(nèi)部水壓力最高可達(dá)6.29MPa，是承受內(nèi)水壓力最大的洞段。因此，研究該洞段的襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性對(duì)于整體工程安全至關(guān)重要。

2 模型建立

地下工程中一般把隧洞的襯砌和圍巖作為一個(gè)承載的整體，圍巖和襯砌參數(shù)也是計(jì)算襯砌受外荷載的變形以及內(nèi)力的主要影響因素。故對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的影響分析主要是對(duì)圍巖和襯砌不同參數(shù)下的影響分析。

模型坐標(biāo)系設(shè)置以水工隧洞岔口中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，以隧洞下游指向?yàn)閄 軸正方向，-125.81-59.78 m之間；以垂直水流方向?yàn)閅軸正方向，-67.70-48.00m之間;以垂直大地坐標(biāo)向上為Z 軸正方向，深度在-28.07-381.00m之間。有限元模型總共剖分395013個(gè)等參單元，其中包含襯砌單元12964個(gè)，開挖單元5432個(gè)。襯砌單元中實(shí)際用于計(jì)算的包括鋼襯單元154個(gè)，混凝土襯砌單元2016個(gè)。水工隧洞模型，見圖1；襯砌模型，見圖2。

(a)區(qū)域模型 (b)襯砌模型

(a)混凝土襯砌模型 (b)鋼襯砌模型

根據(jù)地應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果反演得到初始地應(yīng)力場(chǎng)，結(jié)果顯示隧洞附近最大主應(yīng)力在-4--9MPa之間，是偏低應(yīng)力場(chǎng)。水工隧洞區(qū)域巖體類別主要為Ⅲ類，部分區(qū)段為Ⅳ類，模型中的材料參數(shù)見表1。

表1 模型中的材料參數(shù)

采用有限元的方法對(duì)水工隧洞運(yùn)營(yíng)期進(jìn)行全過程的三維彈塑性受損數(shù)值模擬，斷面選用Ⅳ類巖層穿過段所在截面，分析水工隧洞運(yùn)營(yíng)期復(fù)雜的負(fù)載過程穩(wěn)定性。計(jì)算高壓水工隧洞充水運(yùn)營(yíng)階段，滲流場(chǎng)作用下襯砌結(jié)構(gòu)的開裂受損。內(nèi)水壓力通過梯形加載的模式施加，以確保非線性問題的收斂性，應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)的穩(wěn)定表現(xiàn)為迭代平衡。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 鋼襯砌單獨(dú)承載分析

對(duì)鋼襯砌的初始間隙閉合過程進(jìn)行數(shù)值模擬，鋼襯砌承載系數(shù)，見圖3。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，鋼襯砌能夠承受18-34%的彈性荷載，具體承受的彈性荷載比值會(huì)因鋼襯自身重量、混凝土和內(nèi)水壓力坡度分布的影響而由上而下遞減，但鋼襯各點(diǎn)承受的水頭基乎不變，約為38m，與分析解基本一致。

圖3 鋼襯砌承載系數(shù)

3.2 混凝土襯砌受力受損分析

進(jìn)行三維有限元模擬，對(duì)鋼襯砌初始間隙閉合后襯砌結(jié)構(gòu)和圍巖共同承擔(dān)的過程進(jìn)行分析。結(jié)果表明，襯砌在開裂之前的內(nèi)部水壓主要由混凝土結(jié)構(gòu)承載，與圍巖處在黏結(jié)接觸狀態(tài)，應(yīng)力情況良好。而襯砌在出現(xiàn)裂隙之后，由于內(nèi)部水的滲出，圍巖開始承受部分內(nèi)部壓力，與混凝土襯砌也開始局部出現(xiàn)錯(cuò)位滑移。混凝土襯砌受損系數(shù)，見圖4，接觸面破壞形式，見圖5。圖4顯示，內(nèi)部水壓力在<85m的情況下，內(nèi)部水壓力由鋼筋與混凝土共同分擔(dān)，兩者的變形協(xié)調(diào)一致，混凝土不會(huì)受損。在繼續(xù)施加內(nèi)部水壓力時(shí)，襯砌腰拱處率先發(fā)生破壞并上下繼續(xù)發(fā)展；在內(nèi)部水壓力>160m的狀態(tài)時(shí)，此時(shí)襯砌的最大主應(yīng)力逐漸大于混凝土的拉伸強(qiáng)度，混凝土出現(xiàn)裂隙，襯砌的滲透性因此增強(qiáng)，從而影響應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)。圖4顯示了當(dāng)所有內(nèi)部水壓被加載且達(dá)到迭代平衡時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)的破壞系數(shù)分布。從圖4可以看出，襯砌構(gòu)件的破壞值在腰拱處達(dá)到最大值，進(jìn)入破壞開裂之后逐漸向上下遞減，最后達(dá)到彈塑性破壞階段。通過分析可以得出，隨著混凝土襯砌開裂程度的增加，會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部滲水，導(dǎo)致圍巖承受較大的內(nèi)部水頭，引發(fā)局部的滑動(dòng)和開裂。然而，在開挖階段，襯砌的腰拱處受到損壞最大，其承載能力較低。因此，在計(jì)算滲流和應(yīng)力耦合過程中，該部位襯砌的應(yīng)力狀態(tài)較為不利，容易進(jìn)入破壞和開裂狀態(tài)，引發(fā)腰拱處拉伸斷裂破壞，并繼續(xù)往兩側(cè)發(fā)展。

圖4 混凝土襯砌受損系數(shù)

圖5 接觸面破壞形式

3.3 滲流場(chǎng)計(jì)算分析

凝土中裂隙的產(chǎn)生，滲透性明顯變大，滲流場(chǎng)分布也因此受到影響。襯砌未考慮受損的壓頭等值線，見圖7，為滲流場(chǎng)在假定襯砌滲透性不變的情況下分布。通過比對(duì)發(fā)現(xiàn)襯砌內(nèi)的壓頭差在考慮受損之后明顯降低，水力坡降也相應(yīng)的減小。這意味著襯砌結(jié)構(gòu)承受的內(nèi)部水壓力在考慮受損開裂情況后比重會(huì)減小，轉(zhuǎn)由圍巖部位承受更多的內(nèi)水壓力。由此可知在透水襯砌設(shè)計(jì)中，圍巖的抗?jié)B防滲能力必須重視，以預(yù)防圍巖因內(nèi)水外滲問題導(dǎo)致滲透破壞。

圖6 襯砌受損階段的壓頭等值線

圖7 襯砌未考慮受損的壓頭等值線

3.4 圍巖破壞區(qū)域分析

為了了解襯砌結(jié)構(gòu)開裂之后水的滲出對(duì)水工隧洞圍巖穩(wěn)定性的影響。應(yīng)用滲流場(chǎng)計(jì)算出的圍巖滲流荷載，圍巖受損傷階段的破壞區(qū)分布，見圖8；可以得到如圖8所示的考慮內(nèi)部滲水破壞和開裂后的圍巖破壞區(qū)分布，圍巖未考慮受損的破壞區(qū)分布，見圖9。與圖9中假設(shè)的不考慮滲透系數(shù)變化的圍巖隧道破壞狀況進(jìn)行比較。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，襯砌結(jié)構(gòu)破壞開裂后，圍巖的破壞范圍增大，特別是在腰拱部，襯砌開裂程度嚴(yán)重、滲水頭高的區(qū)域大大增加，并逐步發(fā)展到兩側(cè)。這意味著圍巖在透水襯砌的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，會(huì)承受更多的內(nèi)部水壓力，從而其應(yīng)力狀態(tài)更加不利。在不考慮內(nèi)水滲流的情況下，水工隧道的穩(wěn)定性計(jì)算是比較保守的。因此計(jì)算模型選用襯砌受損開裂及內(nèi)水外滲進(jìn)行分析對(duì)于工程有更加積極的意義。

圖8 圍巖受損傷階段的破壞區(qū)分布

圖9 圍巖未考慮受損的破壞區(qū)分布

3.5 襯砌裂隙分析

裂隙寬度可以反映襯砌結(jié)構(gòu)的破壞程度，其值可以通過迭代平衡時(shí)襯砌單元受損狀態(tài)下應(yīng)力數(shù)值以及內(nèi)部鋼筋的變形參數(shù)近似得出。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知裂隙寬度在考慮黏結(jié)滑移的情況下比未考慮黏結(jié)滑移的情況小了0.015mm為0.154mm，這說明黏結(jié)滑移效用可以阻礙裂隙的進(jìn)一步發(fā)展，降低對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的破壞。通過對(duì)混凝土的應(yīng)變數(shù)值進(jìn)一步對(duì)比，發(fā)現(xiàn)混凝土的拉應(yīng)變?cè)诳紤]黏結(jié)滑移的情況下比不考慮該作用的情況小了0.12×10-4為0.56×10-4，由此表明考慮黏結(jié)滑移可以提高裂隙的單元?jiǎng)偠纫约敖档土严堕g混凝土結(jié)構(gòu)的平均拉應(yīng)變，使襯砌結(jié)構(gòu)難以產(chǎn)生新的裂隙。這一結(jié)果也與高壓水工隧洞中寬而少的裂隙分布特征相一致。

4 結(jié) 語

1)鋼襯可以承受18%-34%的彈性荷載，各作用點(diǎn)可承受約38m的水頭，表明帶初始縫隙的鋼襯構(gòu)件可大幅降低對(duì)襯砌和圍巖的承載壓力。

2)襯砌結(jié)構(gòu)受高壓作用發(fā)展到開裂階段后，對(duì)腰拱處受損最大，并繼續(xù)向腰拱兩端發(fā)展，致使嚴(yán)重開裂處的局部接觸面出現(xiàn)拉伸破壞。

3) 水頭外滲荷載會(huì)導(dǎo)致圍巖的塑性破壞區(qū)進(jìn)一步增加，且在腰拱襯砌破裂嚴(yán)重處尤其明顯，表明內(nèi)水外滲能夠影響圍巖的穩(wěn)定性。

4) 在透水襯砌設(shè)計(jì)中，圍巖會(huì)因襯砌結(jié)構(gòu)的受損開裂而承受更大的內(nèi)水壓力，成為襯砌開裂階段的內(nèi)水壓力主要載體。所以在隧道的建設(shè)中要重視巖體的施工質(zhì)量。

5) 襯砌在考慮黏結(jié)滑移時(shí)，有張力硬化作用，可以減少裂隙寬度，提高裂隙間構(gòu)件的剛度，使襯砌結(jié)構(gòu)難以產(chǎn)生新的裂隙，增加結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。