地下輸水隧洞加固方案與有限元分析研究

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.武大巨成結構股份有限公司，湖北 武漢 430223；3武漢大學土木建筑工程學院，湖北 武漢 430072)

作為跨流域供水水源工程的常用結構型式，地下引水隧洞具有受外界環(huán)境影響小，水源水質易于保證等優(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構形式。

地下隧洞襯砌[1]多采用混凝土，根據其承載需要，確定是否配置鋼筋。由于內部輸水條件(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，表現為混凝土出現空洞、裂縫等結構性缺陷，嚴重的可能會造成襯砌的局部破壞而使結構失效。

混凝土裂縫是隧洞襯砌的主要病害之一，對于其成因，國內學者做了很多研究。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]對隧洞襯砌出現裂縫后的承載能力進行了分析。也有學者結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。

本文結合運行中的某輸水隧洞洞段的缺陷檢測結果及勘測設計資料，以襯砌為主要研究對象，依據規(guī)范[9]建立隧洞圍巖-結構相互作用的整體計算模型，對混凝土襯砌產生裂縫的原因[10- 11]進行初步分析。在數值計算分析的基礎上，得出了結構受力規(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。襯砌設計厚度為250mm，混凝土強度設計等級為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

隧洞設計時考慮無壓過水要求，又充分利用圍巖的拱效應自穩(wěn)，故采用城門洞型結構。根據新奧法施工原則，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、外水壓力，確保結構圍巖的整體穩(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，混凝土襯砌與圍巖間出現空洞，表明隧洞圍巖與結構存在局部脫空，對于圍巖結構聯合承載帶來不利因素。此外，隧洞襯砌表面出現結構性裂縫，沿裂縫處的滲漏將引起隧洞外側地下水位變化，進而影響作用在襯砌表面的外水壓力，使襯砌結構荷載條件發(fā)生改變，由于混凝土抗拉強度遠低于抗壓強度，故易使混凝土結構出現受拉裂縫或破壞。

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值分析，計算模型按平面應變問題簡化，采用4節(jié)點平面應變單元。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構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]圍巖對襯砌結構的最不利狀況，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(有內水壓作用和無內水壓作用)。圍巖-隧洞計算模型及有限元網格如圖1—2所示。

圖1 整體分析模型

圖2 整體網格圖

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，提取應力值，結果見表1。

圖3 典型應力點的示意圖

根據有限元數值分析結果，可以看出：

(1)邊墻中部內側出現較大拉應力，超過C25混凝土的抗拉強度設計值，與現場裂縫部位較好吻合。

(2)地下水位越高，作用在襯砌結構上外水壓力越大，主拉應力越大。通過增設排水孔，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，有利于結構的安全性。

(3)與檢修工況相比，運行工況的內水壓力對隧洞襯砌形成反壓，使邊墻和底板的主拉應力減少，對結構有利。因此工程擴建后水位增加不會對結構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%，但襯砌的最大拉應力減小了100%～140%，增大襯砌厚度可顯著改善結構的受力性能。

(5)邊墻底部和底板的拉應力明顯超出襯砌混凝土強度設計值，這是由于邊墻與底板的結合部位容易出現應力集中，將結構底板設計成仰拱形式，有利于減少拉應力。

(6)檢修工況(無內水壓力)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構安全，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在襯砌內表面粘貼鋼板，并灌注結構膠使鋼板和原混凝土結構共同工作；③在邊墻和頂拱打入錨桿，施加預應力，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：在隧洞內襯內側表面粘貼10mm厚鋼板；在隧洞內襯的邊墻和頂拱設30kN預應力錨桿，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力，但邊墻中部外側拉應力仍有1.50MPa，超過混凝土抗拉強度設計值；

(2)通過錨桿施加預應力，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計值要求；

(3)采用兩種錨桿布置方式對襯砌拉應力的影響不大，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。一方面是由于應力在邊墻底部集中，同時，應考慮在加固方案中增設排水管，降低地下水滲透壓力。

通過對加固鋼板的應力進行分析，發(fā)現鋼板最大Mises應力為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合作用，顯著改善襯砌受力。此外，襯砌混凝土出現裂縫后，鋼板能有效地轉移釋放的應力，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，得出對結構承載影響和分布規(guī)律如下：

(1)隧洞襯砌采用素混凝土的結構形式，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生較大拉應力而出現微細裂縫。

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

(3)采用圍巖灌漿、粘貼鋼板、預應力錨桿等不同措施對隧洞進行加固處理，對襯砌結構的影響不同。因此在工程實踐中，應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。