輸水隧洞襯砌減薄范圍的結構安全性影響數值模擬研究

孜木耐提·爾肯

(烏蘇市興源水務有限公司， 新疆 烏蘇 833000)

在水利工程建設中，地下洞室工程是重要的組成部分[1]。地下洞室工程的地質環境往往比較復雜，因而對建設技術提出了更高的要求[2]。雖然我國的水工隧洞施工技術日漸成熟，但是這些工程在建設和使用期間仍存在襯砌裂縫、開裂、管片結構破損等諸多病害問題[3]。由此可見，預防和治理水工隧洞的病害，是目前水利工程建設中亟待解決的問題。關于水工隧洞病害的研究顯示，施工中的襯砌缺陷是病害產生的主要原因，而襯砌厚度不足又是水工隧洞施工中最常見的缺陷形式[4]。顯然，隧洞襯砌結構的減薄處是隧洞結構的薄弱點，在內水壓力和外力的綜合作用下，極易誘發一系列的結構病害，并對水工隧洞的安全性造成嚴重影響[5]。鑒于襯砌減薄對地下洞室結構安全的重要影響，學者在相關研究領域進行深入探索。王華牢運用有限元模型研究了襯砌厚度不足對不同級別圍巖的襯砌結構內力與安全系數，認為襯砌厚度不足會造成缺陷部位結構安全系數的減小[6]；趙東平以實際工程為背景，研究了隧洞襯砌厚度不足對結構安全系數變化規律的影響及裂縫的分布形式[7]。但是，以往的研究沒有針對不同減薄范圍對結構受力與變形特征的影響?；诖?，本文以數值模擬的方法研究襯砌減薄位置對輸水隧洞結構安全性影響，以期為地下洞室工程襯砌厚度不足的風險評價與管控提供理論和技術支持。

1 數值模擬模型的構建

1.1 模擬方法的選擇

鑒于傳統有限元方法在處理移動邊界問題以及靜態不連續問題方面的能力有一定的欠缺，美國西北大學教授Belytschko于1999年提出了基于最小重構網格的有限元法，以實現對彈性裂紋擴展的有效模擬。在不斷完善的基礎上，Daux等引入了連接函數，最終定義了擴展有限元法[8]。該方法作為非連續體變形計算領域的新方法，在處理和計算各種結構斷裂問題方面具有顯著優勢，因此得到了廣泛的應用[9]。因此，本文利用已經引入擴展有限元分析法的Abaqus軟件進行建模，進行襯砌減薄位置對輸水隧洞結構安全性影響的數值模擬研究。

1.2 模型的建立

研究的工程背景為某輸水工程Ⅴ級圍巖洞段，該段隧洞為馬蹄型斷面，斷面尺寸為4.2m×4.0m。根據相關研究成果，地下洞室工程在施作二襯之后，初支結構承擔的圍巖荷載將大幅減少，并主要由二襯結構承擔襯砌荷載與圍巖壓力[10]。因此，研究中將初支和二襯結構視為一個整體，厚度取0.6m。結合相關研究成果，模型的邊界范圍按照洞徑的5倍跨度計算，水平方向和豎直方向為60m，洞軸線方向為6m。以洞軸線指向下游的方向為Y軸的正方向；以垂直于Y軸指向左側的方向為X軸正方向；以豎直向上的方向為Z軸的正方向。對模型的四周施加水平位移約束，模型的底部施加豎向和水平位移約束，模型的頂部設置為自由邊界條件，同時施加0.85MPa的等效圍巖荷載。模擬計算過程中的圍巖巖體采用M-C本構模型；襯砌混凝土采用線彈性模型。對襯砌結構采用CPE4R線性四邊形單元模擬，圍巖結構采用線CPE4R線性四邊形單元和CPE3線性三角形單元模擬，對襯砌周邊區域進行網格加密處理。整個模型劃分為15603個網格單元，16576個計算節點[11- 15]，網格劃分示意圖如圖1所示。

圖1 模型網格劃分示意圖

圍巖與襯砌的物理力學參數結合相關研究成果和工程現場采樣試驗獲取，具體數值見表1。

表1 材料的物理力學參數

1.3 計算方案

為了獲得隧洞襯砌不同位置上的厚度不足的影響，共設置3組計算方案，各方案的減薄厚度均為0.20m，減薄位置均處于實際工程建設中襯砌厚度不足經常出現的拱頂部位。減薄范圍以角度確定。其中方案1的減薄范圍為15.0°；方案2的減薄范圍為22.5°；方案3的減薄范圍為30.0°。

2 計算結果與分析

2.1 襯砌變形的計算結果與分析

利用上節構建的模型，對不同計算方案下的隧洞襯砌位移進行計算，結果見表2。由表中的數據可知，拱頂的沉降位移變形會隨著減薄范圍的增大而增大，方案3條件下的豎向位移變形量最大，與方案1相比，增加了約13.8%，說明襯砌減薄范圍的增加對拱頂的沉降位移影響比較明顯。不同方案下邊墻的水平位移也隨著減薄范圍的增大而增大，但是差異并不明顯，與方案1相比，方案3的邊墻水平位移量增加了1.03%，變化幅度極為有限，說明襯砌的減薄范圍對邊墻的水平位移影響極為有限。

表2 各方案下襯砌最終變形量 單位：mm

2.2 接觸壓力影響規律

研究在模型計算結果中提取輸水隧洞9個典型部位的接觸壓力，不同方案下的典型部位的接觸壓力值及變化曲線如圖2所示。由圖2可知，不同方案下的襯砌與圍巖的最大接觸壓力均位于輸水隧洞的兩側邊墻部位，接觸壓力最小值均為輸水隧洞中線與仰拱的交叉部位。從不同的計算方案來看，拱頂部位的接觸壓力變化最為明顯，且表現為減薄范圍越大，拱頂部位接觸壓力越小。究其原因，主要是隨著拱頂部位襯砌減薄范圍的增大，該部位的襯砌結構的剛度會不斷降低，因此誘發較大的沉降變形，因此該部位的接觸壓力也隨之減小。

2.3 襯砌內力影響規律

研究中在模擬計算結果中提取3個方案典型位置的襯砌軸力和彎矩值，并繪制出襯砌軸力和彎矩分布圖，如圖3—4所示。隨著輸水隧洞襯砌減薄范圍的增加，隧洞拱頂部位的軸力和彎矩均呈現出不斷減小的態勢，其中彎矩的減小幅度更大。此外，拱肩部位的彎矩也存在不同程度的減小，但是減小的幅度較小。

3 結論

本次研究利用擴展有限元軟件研究了減薄位置對隧洞襯砌結構安全性的影響，獲得的主要結論如下。

(1)拱頂的沉降位移變形會隨著減薄范圍的增大而增大，減薄范圍由15°增加到30°時，拱頂的沉降變形增加約13.8%，說明襯砌減薄范圍的增加對拱頂的沉降位移影響比較明顯；減薄范圍的變化對邊墻的水平位移影響極為有限。

圖2 不同方案壓力分布

圖3 不同方案襯砌軸力分布特征

圖4 不同方案襯砌彎矩分布特征

(2)不同減薄范圍條件下兩側邊墻部位的接觸壓力最大，拱頂的接觸壓力最小；減薄范圍的變化主要影響拱頂部位的接觸壓力，表現為減薄范圍越大，拱頂部位接觸壓力越?。粶p薄范圍的變化對其余部位的接觸壓力影響不大。

(3)隨著輸水隧洞襯砌減薄范圍的增加，隧洞拱頂部位的軸力和彎矩均呈現出不斷減小的態勢，其中彎矩的減小幅度更大。此外，拱肩部位的彎矩也存在不同程度的減小，但是減小的幅度較小。