外水作用下水工隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力分析

劉登新

(長江水利水電開發(fā)集團(tuán)，武漢 430010)

0 引 言

目前，我國隧道工程建設(shè)發(fā)展迅速，其中在隧道的施工階段和運(yùn)營階段中，外水壓力對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響備受關(guān)注。針對(duì)該問題，已有大量學(xué)者進(jìn)行了研究。如姚俊峰[1]利用有限元數(shù)值模擬方法，建立模型，對(duì)不同工況下隧道襯砌內(nèi)部的水壓力分布進(jìn)行研究分析。Arjnoi[2]等以某地穿河隧道為研究對(duì)象，改變不同排水條件，研究分析外水作用下隧道圍巖襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力與孔隙水壓力的變化規(guī)律。Lee[3]等結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目，基于數(shù)值模擬方法，研究分析滲流力對(duì)水下隧道的襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。王建宇[4]采用模型試驗(yàn)方法，研究發(fā)現(xiàn)圍巖滲透性對(duì)全封堵隧道襯砌施工過程中外水壓力的影響不大，而隧道半徑和地下水位對(duì)其影響較大。高新強(qiáng)[5]通過有限元模擬軟件建立模型，考慮不同外水壓力下隧道襯砌與圍巖的變化規(guī)律。張果[6]考慮均值和非均質(zhì)圍巖的滲透系數(shù)，利用數(shù)值模擬軟件研究分析滲透系數(shù)對(duì)襯砌外水壓力的影響。Arjnoi[7]與Nam[8]通過數(shù)值模擬方法和理論推導(dǎo)，建立數(shù)值模型，研究分析襯砌-圍巖相互作用與內(nèi)外水壓力間的關(guān)系。

綜合上述研究，本文結(jié)合某隧道工程，通過ABAQUS有限元數(shù)值模擬軟件建立模型，考慮襯砌管片間相互作用，分析水工隧道外水壓力對(duì)隧洞襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響。

1 工程概況

本研究以某地區(qū)水工隧道為研究對(duì)象，隧洞全長35 km，完成隧洞開挖后，回填豆礫石并安裝襯砌管片，在襯砌內(nèi)表面施加約200 m的水頭。其圍巖和其他材料參數(shù)見表1和表2。

表1 圍巖材料參數(shù)

表2 襯砌材料參數(shù)

2 模型建立

利用ABAQUS有限元軟件，建立隧道模型，研究外水壓作用下隧道襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的變化規(guī)律。選取水工隧道中某標(biāo)準(zhǔn)段作為研究對(duì)象，見圖1。其中，CQ-1、CQ-2和CQ-3為三環(huán)襯砌管片，A-F為管片，J1-J6為接縫處。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)段模型圖

模型中，襯砌和豆礫石選擇為線彈性材料，螺栓選為理想線彈性材料，而圍巖選為彈塑性材料，用桿單元模擬螺栓，其余選擇八節(jié)點(diǎn)等參單元。本研究施加的外水壓力作用在襯砌管片的表面，見圖2。

圖2 外水壓力作用在襯砌表面示意圖

3 模擬結(jié)果分析

3.1 管片變形與應(yīng)力分析

由圖3可知，在外水壓力作用下，整體上管片襯砌向內(nèi)部收縮變形，呈現(xiàn)出襯砌頂部變形較大并向腰部管片逐漸減小的趨勢(shì)，最大值約-3.23 mm，最小值約-0.3 mm，位移分布均勻，接縫對(duì)其影響較小。

圖3 管片徑向位移圖

由圖3可知，該水工隧道的襯砌環(huán)向應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，其中襯砌管片內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力較大，應(yīng)力集中現(xiàn)象主要出現(xiàn)在底部管片兩端靠近內(nèi)部的地方，其應(yīng)力值最大可達(dá)-25.3 MPa。取標(biāo)準(zhǔn)段環(huán)向路徑上的環(huán)向應(yīng)力進(jìn)行分析，見圖4。由圖4可以發(fā)現(xiàn)，除了襯砌隧道底部凹槽外，在外水壓力的作用下，隧道襯砌的環(huán)向壓應(yīng)力呈現(xiàn)出自隧道底部向頂部逐漸減小的趨勢(shì)，在襯砌接縫處壓應(yīng)力出現(xiàn)一定程度的減小。見圖5。

圖4 管片應(yīng)力分布圖

圖5 環(huán)向路徑環(huán)向應(yīng)力圖

圖6和圖7分別為管片第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力圖。由圖6和圖7可知，管片襯砌最大拉應(yīng)力約2.32 MPa，主要分布在環(huán)CQ-1和CQ-3外側(cè)；而在襯砌底部管片內(nèi)側(cè)出現(xiàn)最大壓應(yīng)力，其值為-25.5 MPa，可見該區(qū)域混凝土在外水壓力作用下極易可能被壓碎。

圖6 管片襯砌第一主應(yīng)力圖

圖7 管片襯砌第三主應(yīng)力圖

3.2 接縫開度與環(huán)向螺栓應(yīng)力

以CQ-2環(huán)作為研究對(duì)象，考慮襯砌模型位移邊界對(duì)結(jié)果的影響，分析CQ-2環(huán)上接縫的開度和環(huán)向螺栓的應(yīng)力分布情況，見圖8。

圖8 CQ-2環(huán)的接縫和環(huán)向螺栓示意圖

CQ-2環(huán)接縫平均開度隨水頭變化情況見表3。由表3可以發(fā)現(xiàn)，隨著襯砌外水頭的逐步增大，襯砌各個(gè)接縫的平均壓力也隨之增大。當(dāng)水頭達(dá)到100 m，對(duì)應(yīng)的接縫開度平均值達(dá)到8.3 MPa；當(dāng)水頭達(dá)到200 m，對(duì)應(yīng)的接縫開度平均值達(dá)到16.38 MPa。整體上，J1、J2和J3的平均開度分別與J6、J5和J4基本對(duì)應(yīng)相等。當(dāng)水頭相同時(shí)，J1和J6的平均開度最大，J2和J5次之，而J3和J4的平均開度最小。結(jié)合圖9，對(duì)比接縫平均應(yīng)力和總平均應(yīng)力可知，接縫平均壓力和總平均壓力與水頭變化基本呈線性關(guān)系。隨著水頭的增加，接縫壓力逐漸增大，在相同水頭下各個(gè)接縫的壓力值保持一致。

表3 CQ-2環(huán)接縫平均開度隨水頭變化情況

觀察CQ-2環(huán)的接縫和環(huán)向螺栓示意圖(圖9)并結(jié)合圖10可以發(fā)現(xiàn)，在外水壓力的作用下，對(duì)比J1、J2、J3和J4、J5、J6的壓力分布情況，其襯砌環(huán)接縫開度具有較顯著的對(duì)稱性；襯砌上各個(gè)接縫在徑向上靠近結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)的部分其壓力值較大，而越遠(yuǎn)離內(nèi)部其值越小，呈現(xiàn)由內(nèi)至外逐漸減小的趨勢(shì)。并且沿著縱軸方向，襯砌頂部處接縫的壓力值呈現(xiàn)出前端、后端區(qū)域較大，而中部區(qū)域較小。襯砌結(jié)構(gòu)中，環(huán)向螺栓主要承受外部壓應(yīng)力，其壓力值范圍為-80～-40 MPa，其中J2和J5處的前后環(huán)向螺栓應(yīng)力值相近，而J1、J3、J4和J6處差異較大。見表4。

圖9 接縫平均開度隨內(nèi)水水頭變化曲線

圖10 襯砌CQ-2環(huán)接縫開度(單位：mm)

表4 CQ-2環(huán)向螺栓應(yīng)力情況表

4 結(jié) 論

通過ABAQUS數(shù)值模擬軟件建立模型，研究分析外水作用下水工隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力分析，主要結(jié)論如下：

1) 在外水壓力作用下，整體上管片襯砌向內(nèi)部收縮變形，呈現(xiàn)出襯砌頂部變形較大并向腰部管片逐漸減小的趨勢(shì)。

2) 襯砌隧道的環(huán)向應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，其中襯砌管片內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力較大，自隧道底部向頂部逐漸減小，應(yīng)力集中現(xiàn)象主要出現(xiàn)在底部管片兩端靠近內(nèi)部的區(qū)域。

3) 管片襯砌最大拉應(yīng)力主要分布外側(cè)，而在內(nèi)側(cè)出現(xiàn)最大壓應(yīng)力，在外水壓力作用下極易可能被壓碎。

4) 隨著襯砌水頭的逐步增大，各個(gè)接縫的平均壓力也隨之增大。當(dāng)水頭相同時(shí)，J1和J6的平均開度最大，J2和J5次之，而J3和J4的平均開度最小。

5) 在外水壓力的作用下，J1、J2、J3和J4、J5、J6的壓力分布具有較顯著的對(duì)稱性，襯砌上各個(gè)接縫在徑向上呈現(xiàn)由內(nèi)至外逐漸減小的趨勢(shì)。