高壓水工隧洞襯砌承載結構穩(wěn)定性分析

任 睿

(新疆伊犁河流域開發(fā)建設管理局，新疆 伊寧 835000)

0 引 言

隨著中國經濟的迅猛發(fā)展，城市間水電資源供應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。深埋長隧洞作為這些工程建設主要的水工構筑物，也促進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)，地質和地形條件復雜。同時，由于襯砌結構與圍巖的相互作用機制不明確，以及高地應力和高水壓的影響，在施工和運營期間，圍巖和襯砌支撐結構的穩(wěn)定性受到嚴重威脅。目前，高壓水工隧道開挖和運營過程中襯砌結構的穩(wěn)定性分析已經成為一個緊迫的工程問題。但是，關于這方面的理論分析和研究主要集中于隧洞開挖階段[1]，而對運營期支護結構特別是襯砌結構的穩(wěn)定性研究并不充分。因此，需要更加重視受內外水壓力、巖體的長期強度和工況變化等各因素影響隧洞襯砌結構的穩(wěn)定性分析研究。

許多學者對襯砌結構進行了研究工作。C.Blom等人利用有限元分析軟件建立了交錯接頭的襯砌模型，并考慮了以圍巖壓力為主的各種載荷，分析了襯砌結構在開挖和支護過程中的應力。胡如軍[2]等人對圍巖厚度、襯砌剛度以及實參數(shù)等影響襯砌計算結果的參數(shù)進行了研究，分析了這些參數(shù)對襯砌結構的影響規(guī)律。張鵬等[3]通過實際工程，結合各主流地下結構的設計方法，研究了應力和滲流耦合作用下襯砌的結構變形及內力變化。蘇凱等[4]對襯砌結構開裂前后圍巖滲透系數(shù)和變形模量等參數(shù)對襯砌和圍巖協(xié)同承載特性的影響進行了研究。李騰等[5]基于隧洞透水襯砌設計的方法，分析襯砌的厚度、配筋率和圍巖滲透特性對襯砌結構安全穩(wěn)定性的影響。曲星等[6]研究了圍巖力學參數(shù)對高壓水工隧洞運營期的襯砌受力影響。操毅[7]通過模態(tài)分析原理和振型分解反應譜法，對襯砌結構的各個影響因素進行分析，找到了應力集中和易損部位，得到了關鍵點的變形趨勢。蔣暉[8]則通過對引水隧洞全過程周期進行有限元模擬，計算分析不同工況不同襯砌結構形式的導流洞和引水隧洞的襯砌結構穩(wěn)定性，得出不同條件對襯砌結構穩(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個角度，結合工程實例，探索對運營期高壓水工隧洞穩(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，設計總裝機容量為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。隧洞總體結構為C25鋼筋混凝土結構，部分區(qū)段圍巖情況較差，需要鋼襯構件支撐加固，其中鋼襯厚26mm，彈性模量210GPa，混凝土與鋼襯之間需預設間隙1.6mm。該高壓引水隧洞在運營期內部水壓力最高可達6.29MPa，是承受內水壓力最大的洞段。因此，研究該洞段的襯砌結構穩(wěn)定性對于整體工程安全至關重要。

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承載的整體，圍巖和襯砌參數(shù)也是計算襯砌受外荷載的變形以及內力的主要影響因素。故對襯砌結構的影響分析主要是對圍巖和襯砌不同參數(shù)下的影響分析。

模型坐標系設置以水工隧洞岔口中心為坐標原點，以隧洞下游指向為X 軸正方向，-125.81-59.78 m之間；以垂直水流方向為Y軸正方向，-67.70-48.00m之間;以垂直大地坐標向上為Z 軸正方向，深度在-28.07-381.00m之間。有限元模型總共剖分395013個等參單元，其中包含襯砌單元12964個，開挖單元5432個。襯砌單元中實際用于計算的包括鋼襯單元154個，混凝土襯砌單元2016個。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)地應力實測結果反演得到初始地應力場，結果顯示隧洞附近最大主應力在-4--9MPa之間，是偏低應力場。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水工隧洞運營期進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，分析水工隧洞運營期復雜的負載過程穩(wěn)定性。計算高壓水工隧洞充水運營階段，滲流場作用下襯砌結構的開裂受損。內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，應力場和滲流場的穩(wěn)定表現(xiàn)為迭代平衡。

3 數(shù)值計算結果與分析

3.1 鋼襯砌單獨承載分析

對鋼襯砌的初始間隙閉合過程進行數(shù)值模擬，鋼襯砌承載系數(shù)，見圖3。根據(jù)計算結果，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因鋼襯自身重量、混凝土和內水壓力坡度分布的影響而由上而下遞減，但鋼襯各點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

進行三維有限元模擬，對鋼襯砌初始間隙閉合后襯砌結構和圍巖共同承擔的過程進行分析。結果表明，襯砌在開裂之前的內部水壓主要由混凝土結構承載，與圍巖處在黏結接觸狀態(tài)，應力情況良好。而襯砌在出現(xiàn)裂隙之后，由于內部水的滲出，圍巖開始承受部分內部壓力，與混凝土襯砌也開始局部出現(xiàn)錯位滑移?；炷烈r砌受損系數(shù)，見圖4，接觸面破壞形式，見圖5。圖4顯示，內部水壓力在<85m的情況下，內部水壓力由鋼筋與混凝土共同分擔，兩者的變形協(xié)調一致，混凝土不會受損。在繼續(xù)施加內部水壓力時，襯砌腰拱處率先發(fā)生破壞并上下繼續(xù)發(fā)展；在內部水壓力>160m的狀態(tài)時，此時襯砌的最大主應力逐漸大于混凝土的拉伸強度，混凝土出現(xiàn)裂隙，襯砌的滲透性因此增強，從而影響應力場和滲流場。圖4顯示了當所有內部水壓被加載且達到迭代平衡時，襯砌結構的破壞系數(shù)分布。從圖4可以看出，襯砌構件的破壞值在腰拱處達到最大值，進入破壞開裂之后逐漸向上下遞減，最后達到彈塑性破壞階段。通過分析可以得出，隨著混凝土襯砌開裂程度的增加，會出現(xiàn)內部滲水，導致圍巖承受較大的內部水頭，引發(fā)局部的滑動和開裂。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，在計算滲流和應力耦合過程中，該部位襯砌的應力狀態(tài)較為不利，容易進入破壞和開裂狀態(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 滲流場計算分析

凝土中裂隙的產生，滲透性明顯變大，滲流場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，為滲流場在假定襯砌滲透性不變的情況下分布。通過比對發(fā)現(xiàn)襯砌內的壓頭差在考慮受損之后明顯降低，水力坡降也相應的減小。這意味著襯砌結構承受的內部水壓力在考慮受損開裂情況后比重會減小，轉由圍巖部位承受更多的內水壓力。由此可知在透水襯砌設計中，圍巖的抗?jié)B防滲能力必須重視，以預防圍巖因內水外滲問題導致滲透破壞。

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

為了了解襯砌結構開裂之后水的滲出對水工隧洞圍巖穩(wěn)定性的影響。應用滲流場計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中假設的不考慮滲透系數(shù)變化的圍巖隧道破壞狀況進行比較。根據(jù)計算結果，襯砌結構破壞開裂后，圍巖的破壞范圍增大，特別是在腰拱部，襯砌開裂程度嚴重、滲水頭高的區(qū)域大大增加，并逐步發(fā)展到兩側。這意味著圍巖在透水襯砌的設計基礎上，會承受更多的內部水壓力，從而其應力狀態(tài)更加不利。在不考慮內水滲流的情況下，水工隧道的穩(wěn)定性計算是比較保守的。因此計算模型選用襯砌受損開裂及內水外滲進行分析對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構的破壞程度，其值可以通過迭代平衡時襯砌單元受損狀態(tài)下應力數(shù)值以及內部鋼筋的變形參數(shù)近似得出。根據(jù)計算結果可知裂隙寬度在考慮黏結滑移的情況下比未考慮黏結滑移的情況小了0.015mm為0.154mm，這說明黏結滑移效用可以阻礙裂隙的進一步發(fā)展，降低對襯砌結構的破壞。通過對混凝土的應變數(shù)值進一步對比，發(fā)現(xiàn)混凝土的拉應變在考慮黏結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，由此表明考慮黏結滑移可以提高裂隙的單元剛度以及降低裂隙間混凝土結構的平均拉應變，使襯砌結構難以產生新的裂隙。這一結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 語

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

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

3) 水頭外滲荷載會導致圍巖的塑性破壞區(qū)進一步增加，且在腰拱襯砌破裂嚴重處尤其明顯，表明內水外滲能夠影響圍巖的穩(wěn)定性。

4) 在透水襯砌設計中，圍巖會因襯砌結構的受損開裂而承受更大的內水壓力，成為襯砌開裂階段的內水壓力主要載體。所以在隧道的建設中要重視巖體的施工質量。

5) 襯砌在考慮黏結滑移時，有張力硬化作用，可以減少裂隙寬度，提高裂隙間構件的剛度，使襯砌結構難以產生新的裂隙，增加結構穩(wěn)定性。