水工隧洞砌襯厚度不足的承力影響有限元分析

鐘樂毅，楊選富

(江西省水利水電建設有限公司，南昌 330025)

隧洞砌襯筑澆因混凝土的重力降沉聚縮特性，時常于拱肩或拱頂部位發生程度不同的脫空瑕疵，是該類工程技術設計和安全標準施建必須充分重視的重點技術問題。本文參考工程案例實用數據，借助MIDASGTS有限元模擬計算分析系統，基于流固耦合理論，對水工隧洞砌襯厚度不足的承力影響進行有限元分析，探討砌襯厚度不足瑕疵在寬度橫向和高程縱向上對砌襯承力狀態的影響規律，以期為同類工程應用提供參考與借鑒。

1 隧洞砌襯厚度不足數值模型的建立

參照隧洞砌襯厚度不足的某工程案例，其圍巖體為Ⅲ類，洞徑為6 m，埋深在80 m。參考該工程實用數據，以MIDASGTS系統，基于流固耦合理論，對砌襯厚度不足的承力影響開展建模分析。其三維數值模型、瑕疵砌襯網略模型以及5個重點瑕疵分析部位具體見圖1。

圖1 網略模型以及5個重點瑕疵分析部位

模型長寬高規格50 m×50 m×50 m，砌襯網絡同樣剖分6層，隧洞周邊網絡實施網絡細分，砌襯網絡劃分以拱頂瑕疵位置1 m寬度值、h/2砌襯高程為例。厚度瑕疵指巖側砌襯高程瑕疵，其中h為砌襯設計厚度，其他瑕疵工況類推。砌襯厚度瑕疵僅取縱向厚度不足1 m長度值，瑕疵部位處于模型中部。本文提取存在著厚度不足部位截面的拱腳、左拱底、左拱腰、左拱肩和拱頂5個部位實施分析。

2 砌襯厚度不足計算工況擬定

重點考慮以下幾個方面水工隧洞砌襯厚度不足瑕疵：①從厚度不足瑕疵部位考慮，即假定指定部位厚度不足瑕疵程度一定(瑕疵位置寬度值1 m、高程h/2)，厚度不足部位分別位處拱頂、左拱肩、拱頂和左拱肩、拱頂和左右拱肩；②假定砌襯厚度不足瑕疵僅位處拱頂。基于兩類情況考慮，即瑕疵位置高程h/2、寬度按無瑕疵、0.5 m，1 m，2 m演變；拱頂瑕疵位置寬度1 m、高程按無瑕疵、2h/3，h/2，h/3演變。這兩個方向實施考慮；砌襯厚度不足瑕疵的部位和大小固定，假定厚度不足瑕疵僅位處拱頂并且瑕疵位置砌襯高程為h/2/、寬度值1m，內水分別是0,0.8,1.2,1.6和2 MPa。具體數值模擬方案見表1和表2。

3 隧洞砌襯厚度不足的有限元計算分析

3.1 砌襯瑕疵寬度演變對砌襯承力影響分析

3.1.1 砌襯后水壓分布

見圖2。

表1 寬度瑕疵演變模擬工況

注：h為砌襯設計厚度值50 cm。

表2 高程瑕疵演變模擬工況

注：h為砌襯設計厚度值50 cm。

圖2 基于寬度瑕疵演變的砌襯后水壓分布

圖2數據揭示砌襯厚度不足寬度對砌襯后水壓分布的影響呈現為：①無內水時，相較工況一，厚度不足將大幅降低其附近砌襯后水壓，而遠離瑕疵部位的砌襯后水壓較小，并且隨厚度不足寬度加大，砌襯后水壓下降越顯著，工況四拱頂位置砌襯后水壓僅29.14 kPa，為該區域工況一水壓的7.3%左右。②隧洞充水后，每種工況下砌襯后水壓均加大，工況一下砌襯后水壓接近靜水壓力，而其他工況相較靜水壓力較小，厚度不足不同寬度對砌襯后水壓影響與充水前相同，砌襯后水壓下降程度與厚度不足寬度有關，隨厚度不足寬度加大，其下降程度越明顯，工況四拱頂砌襯后水壓361.49 kPa，是該位置工況一時的55.7%左右。

3.1.2 圍巖體滲流場

見圖3。

圖3 基于厚度瑕疵演變的圍巖體滲流場

由圖3可以看到，砌襯厚度不足寬度演變對圍巖體滲流場的影響呈現為：①隧洞周邊圍巖體孔隙水壓力相較靜水壓力有所下降，并且隧洞周邊構成相近似漏斗形狀的圍巖體滲流走勢線。②砌襯厚度不足寬度大小對圍巖體滲流場總體走勢有較小影響，但隨厚度不足寬度加大，厚度不足瑕疵附近孔隙水壓下降愈發明顯。③隧洞充水后，隧洞周邊圍巖體滲流等值線提升明顯，其漏斗狀滲流走勢開口加寬，只是厚度不足的瑕疵寬度對其影響相對有限。

3.1.3 砌襯應力受瑕疵寬度演變的影響規律

見圖4-圖8。

圖4 每種工況下拱頂砌襯應力

由圖4可知，厚度不足寬度對拱頂砌襯承力特點的影響呈現為：①隧洞充水前，工況一砌襯靠圍巖體側承壓，靠洞內側承拉；工況二下，該區域由局部承拉變成全斷面承拉；工況三和工況四下，該區域為全斷面承壓，只是應力值相對較小，說明砌襯厚度瑕疵對該區域砌襯承力有較大影響，改變整個斷面的承力狀態；另外該區域應力隨瑕疵寬度改變而演變，工況二為拉應力34.1 kPa，工況四下該區域外側應力為-10.3 kPa。②隧洞充水后，該區域砌襯承力演變規律隨厚度不足寬度的改變而演變，工況二、工況三砌襯為全斷面承壓；而工況四下，該區域承力變成內側承壓、外側承拉，空洞的存在著使該區域承力由內拉外壓向內壓外拉態勢轉化，說明砌襯后瑕疵寬度對該區域承力有較大影響，改變整個斷面承力狀態。

圖5 每種工況下左拱肩砌襯應力

由圖5可知，厚度不足寬度對左拱肩砌襯承力特點的影響呈現為：①隧洞充水前，工況一砌襯靠圍巖體側承壓，靠洞內側承拉，當存在著砌襯厚度不足時幾乎全斷面承壓，說明砌襯厚度不足對該區域砌襯承力有較大影響，改變斷面的承力狀態，由局部承壓變成全斷面承壓。②相較充水前，隧洞充水后，砌襯應力有較大程度增強，該區域應力受厚度不足寬度影響的演變規律與充水前相近似，由外側承壓、內側承拉變成全斷面承壓，并且也隨著厚度不足寬度改變而演變，只是應力值更大，從安全角度來看更不利于砌襯安全。

由圖6可知，厚度不足寬度對左拱腰砌襯承力特點的影響呈現為：①隧洞充水前，工況一砌襯外側(靠圍巖體側)承壓，內側(靠洞內側)承拉，其他工況承力基本與之相同，不過內側拉應力有所降低。②隧洞充水后，相較充水前，除工況三外，砌襯應力有程度不同增強。另外該區域應力受厚度不足寬度影響的演變規律與充水前相近似，均呈現為外側承壓、內側承拉，并且也隨著厚度不足寬度的改變而演變；工況三下，由外側承壓、內側承拉變成全斷面承壓。

圖6 每種工況下左拱腰砌襯應力

圖7 每種工況下左拱腳砌襯應力

圖8 每種工況下拱底砌襯應力

圖7和圖8可知，在隧洞充水前后，每種工況下左拱底和拱腳等處砌襯應力分布基本不變，呈現為外側承壓、內側承拉，并且數值演變亦不大，說明無論隧洞是否充水，砌襯厚度不足寬度對這兩部位的應力影響均較小。

綜上所述，隧洞充水前后，砌襯厚度不足存在著均使該區域由內拉外壓向內壓外拉態勢轉化，說明砌襯后厚度不足寬度大小對該區域承力有較大影響，改變整個斷面承力狀態。砌襯厚度不足寬度大小對該區域砌襯承力有較大影響，寬度越大其影響就越大，其他部位則有較小影響。

3.2 砌襯瑕疵高程演變對砌襯承力影響分析

3.2.1 砌襯后水壓分布

見圖9。

圖9 襯砌厚度瑕疵高程演變的砌襯后水壓分布

由圖9可看到，砌襯厚度不足高程演變對砌襯后水壓分布的影響呈現為：①無內水時，相較工況一，砌襯厚度不足將大幅降低其附近砌襯后水壓，遠離瑕疵部位的砌襯后水壓較小，并且隨厚度減薄，砌襯后水壓下降越顯著，工況四拱頂砌襯后水壓35.55 kPa，是該區域工況一水壓的8.9%。②隧洞充水后，每種工況下砌襯后水壓均加大，工況一下砌襯后水壓接近靜水壓力，而其他工況相較靜水壓力較小，厚度不足不同高度對砌襯后水壓影響規律同充水前，砌襯后水壓下降程度與砌襯厚度減薄程度有關，隨砌襯厚度減薄，其下降程度愈發明顯，工況四下拱頂砌襯后水壓380.12 kPa，為工況一時的58.5%。

3.2.2 圍巖體滲流場

見圖10。

圖10 厚度瑕疵高程演變的圍巖體滲流場

由圖10可以看到，砌襯厚度不足高程演變對圍巖體滲流場的影響呈現為：①隧洞周邊圍巖體孔隙水壓力相較靜水壓力有所下降，并且隧洞周邊構成相近似漏斗形狀的圍巖體滲流走勢線。②砌襯厚度不足高程演變對圍巖體滲流場總體走勢有較小影響，但隨砌襯厚度減薄，厚度不足瑕疵附近孔隙水壓下降愈發明顯。③隧洞充水后，隧洞周邊圍巖體滲流等值線上抬，孔壓等值線加密，并且厚度不足高程大小對其有不明顯影響。

3.2.3 砌襯應力受厚度瑕疵高程演變影響規律

見圖11-圖15。

圖11 每種工況下拱頂砌襯應力

圖12 每種工況下左拱肩砌襯應力

由圖11可知，厚度不足高程演變對拱頂砌襯承力特點的影響呈現為：①隧洞充水前，工況一砌襯外側(靠圍巖體側)承壓、內側(靠洞內側)承拉，其他工況下砌襯為全斷面承壓，并且應力值較小，意味砌襯厚度減薄對該區域砌襯承力有較大影響，改變整個斷面的承力狀態，由外側承壓內側承拉變成全斷面承壓。②隧洞充水后，該區域砌襯應力受厚度不足影響的演變規律同充水前相近似，由外側承壓、內側承拉變成全斷面承壓，并且也隨厚度減薄而演變，只是應力值稍有加大。

由圖12可知，厚度不足高程演變對左拱肩砌襯承力特點的影響呈現為：①隧洞充水前，工況一砌襯靠圍巖體側承壓，內側(靠洞內側)承拉，其他工況下砌襯為全斷面承壓，砌襯外側應力深度一般較大，意味砌襯厚度減薄對該區域砌襯承力有較大影響，改變了斷面的承力狀態。②隧洞充水后，該區域砌襯應力受厚度不足影響的演變規律同充水前相近似，由外側承壓、內側承拉變成全斷面承壓。

圖13 每種工況下左拱腰砌襯應力

圖14 每種工況下左拱腳砌襯應力

圖15 每種工況下拱底砌襯應力

圖13和圖15可知，在隧洞充水前后，每種工況下左拱腰、左拱底和拱腳等處砌襯應力分布基本不變，呈現為外側承壓、內側承拉，并且數值演變亦不大，意味砌襯厚度的減薄對這三部位的應力影響均較小。

綜上所述，隧洞充水前后，砌襯厚度不足存在著均使該區域有內拉外壓，向內壓外拉態勢轉化，意味砌襯后厚度不足程度對該區域承力有較大影響，改變整個斷面承力狀態。砌襯厚度不足高程大小對該區域砌襯承力有較大影響，程度越深其影響就越大，其他部位則有較小影響。

4 結 語

本文基于流固耦合理論，建立砌襯厚度不足的水工隧洞三維數值模型，選擇砌襯后水壓分布、圍巖體滲流場和砌襯應力3個指標實施分析：①砌襯拱頂位厚度不足寬度演變對砌襯承力特點影響呈現為：隧洞充水前后，砌襯厚度不足存在著均使該區域由內拉外壓、向內壓外拉態勢轉化，意味砌襯后厚度不足寬度大小對該區域承力有較大影響，改變整個斷面承力狀態。砌襯厚度不足寬度大小對該區域砌襯承力有較大影響，寬度越大其影響就越大，其他部位則有較小影響。②砌襯厚度不足高程演變(拱頂位例)對砌襯承力特點影響呈現為：隧洞充水前后，砌襯厚度不足存在著均使該區域有內拉外壓、向內壓外拉態勢轉化，意味砌襯后厚度不足程度對該區域承力有較大影響，改變整個斷面承力狀態。砌襯厚度不足高程大小對該區域砌襯承力有較大影響，程度越深其影響就越大，其他部位則有較小影響。