基于沉降變異影響下水工隧洞襯砌結構開裂機理研究

【摘要】我國西北地區基本上是干旱和半干旱地區，降水量較少，水資源地區分布極不均勻，因而建設了一批引水供水工程，比如引大入秦工程、引洮供水一期工程等。黃土高原有著其獨特的地形地貌及地質，工程的建設需要考慮諸多因素，特別是隧洞工程，在大型水利工程項目中占有很大的比例。目前陜西地區正在興建的水工隧洞數量眾多，當地的隧洞工程地質多為黃土，因此充分考慮這種地質狀況，認真研究黃土水工隧洞的襯砌結構計算，進而分析其開裂的機理，對水工隧洞的建設與穩定運行有著重要的意義。

【關鍵詞】沉降變異；水工隧洞；襯砌結構；開裂機理

1、前言

由于黃土濕陷性造成的建筑物地基變形，其特點是一大二塊，一般變形都比較強烈，常常是正常壓縮變形的數倍，有時甚至是數十倍；濕陷變形通常是比較迅速的，遠比正常壓密的固結時間快得多，許多工程事故證明，往往地基浸水一、兩天內就能“見效”。濕陷性對工程建筑物有百害而無一利。

2、黃土水工隧洞的特點及結構設計

2.1 黃土隧洞的特點

黃土隧洞破壞變形的形式主要有掉塊、塌方、剝落（“片幫”）、滑塌等，黃土隧洞圍巖的堅固系數f=0.4～0.6，開挖后圍巖有一定的自穩能力，但自穩時間短，此外還存在底板濕陷變形問題。黃土隧洞的地應力大小主要取決于隧洞上覆土層的重量，洞室開挖后，由于圍巖臨空，圍巖應力重分布，洞壁處切向應力達到最大值，從而迫使巖體向洞內松弛變形。如果巖體強度足以抵抗上述應力集中，則洞室就會保持穩定，否則，就會由于松弛位移變形導致破壞。一般在洞室頂部出現拉應力，而使頂部圍巖松動掉塊、塌方，洞室兩壁出現楔形剪切體，產生滑移破壞。

2.2黃土水工隧洞結構設計

（1）斷面形式選擇

黃土隧洞圍巖均為輕、重粉質壤土，部分洞段為飽水土，屬于極軟巖。隧洞洞身圍巖均屬于V類極軟巖。為適應極差的圍巖工程地質條件，承擔較大的山巖荷載，黃土隧洞一般選用三心圓拱曲墻弧底（反拱）類馬蹄型斷面型式—V～VI型。

（2）一、二次支護設計

黃土隧洞極不穩定，隧洞開挖后圍巖有一定的自穩能力，但自穩時間短，如不及時支護，容易出現塌方、冒頂等突發事故。黃土隧洞的變形與否及穩定程度除與其土性、含水量、結構與構造有關外，還與施工方法和支護形式有關，宜采用全斷面襯砌支護型式。

對于這種分一、二次支護的復合式襯砌，其一次支護形式主要采用及時掛網噴混凝土，加設鋼拱架（鋼格柵），必要時加設錨桿及超前鋼管管棚。在引洮供水一期工程黃土隧洞的施工過程中，經變形觀測，一次支護后圍巖沒有發生明顯的變形，洞室穩定，說明一次支護措施得當。二次支護主要采用全斷面現澆鋼筋砼，澆筑段長8～12m，設永久伸縮縫。

由于隧洞襯砌都是超靜定結構，故在開始設計時必須根據經驗設定厚度，再進行靜力分析。分析結果，如認為設定的厚度不適當，則應重行設定厚度，進行分析。根據經驗資料。對于素混凝土的襯砌，以巖體堅固系數為橫坐標，以襯砌厚度與凈跨距的比值為縱坐標，建立相應的曲線。已知凈跨距和堅固系數后，即可求出所需襯砌項拱的厚度。

3、水工隧洞平面有限元模型

3.1分析問題類型

本文根據水工隧洞工程其實際的特點，在平面應變的模型中我們對整個研究范圍均采用實體單元進行模擬計算，在靜力分析過程中，水工隧洞縱向有很長的延伸，而研究的該段其斷面的大小和形狀沿著縱向不變，所以水工隧洞屬于平面應變問題。

3.2材料屬性

在計算前需要對這兩種材料設置物理力學性質，如：材料的彈性模量、粘聚力、泊松比、內摩擦角、容重、抗拉強度、抗壓強度。

3.3單元屬性定義

在網格劃分前，還要對模型中我們使用的單元屬性來進來定義，即把各種材料特性值分別賦予給其模型，使得該模型具有與實際工程一樣的特性。它包含了單元類型定義、實常數定義、材料特性定義、截面定義等。

3.4有限元網格劃分

整個分析步驟當中最為重要一步為網格劃分，其恰當與否直接關系到計算成功與否，它的目的是把水工隧洞模型進行細化處理成節點和單元，因此該步驟對分析的經濟性和準確性起著決定性影響。本文對水工隧洞模型的圍巖、混凝土襯砌均采用四節點平面應變縮減積分單元（CPE4R）進行網格劃分，劃分方法為：在襯砌較近區域內劃分較密集的網格，在離隧洞相對較遠的圍巖區域處劃分相對稀疏的網格，這樣可以較好的分析水工隧洞的應力和應變。

3.5計算荷載

根據水工隧洞設計規范可知，水工隧洞的計算荷載有圍巖壓力、襯砌自重、內水壓力，外水壓力。在運行期水庫截流后蓄水到正常水位時，主要是通過襯砌來承擔外水壓力，按照水工隧洞設計規范和本文的實際工程概況可知，城門洞型水工隧洞一般為無壓隧洞，因為本文是對水工隧洞襯砌做規律性的分析，內水的水頭很小，且內水壓力對本文分析為有利因素荷載，在此我們將設置其最不利的工況，因此不考慮有利因素內水水頭。

3.6邊界條件

該平面模型中的圍巖計算范圍中左右邊界采用水平約束，允許其豎向變位，下邊界采用豎向約束，允許其水平變位，其余部位均為自由節點。

結語：

總而言之，本文以漢村隧洞為依托，采用有限元法對該隧洞的混凝土襯砌進行了結構計算，研究了水工隧洞在不同工況下的應力、位移分布規律，并分析了高跨比對隧洞襯砌工作狀態的影響，對隧洞襯砌結構的開裂機理進行了比較深入的分析研究，對從事隧洞研究的技術人員具有一定的借鑒意義。

參考文獻：

[1]張蕾.關于水工隧洞襯砌結構限裂的分析[J].科技創新與應用，2014（31）：209-209.

[2]李燕波.高地熱條件下水工隧洞襯砌穩定性及早期抗裂性研究[D].烏魯木齊：新疆農業大學，2016.

[3]周月霞.水工隧洞混凝土裂縫分析及加固研究[D].北京：中國水利水電科學研究院，2016.

[4]毛爽.水工隧洞襯砌結構的缺陷檢測及穩定性分析[J].江西建材，2015（01）：128-129.