再生混凝土襯砌輸水隧洞結構動力響應數值分析

宋 濤

(江西省水利水電建設有限公司，江西 南昌 330000)

近年來，我國的基礎設施建設步入新的發展時期，地下工程的數量和規模也日漸增加。這類工程的圍巖和支護結構的穩定性也日漸受到人們的重視[1]。不能有效控制和保證地下洞室結構的安全性和穩定性，就會誘發嚴重的工程事故，并帶來巨大的經濟損失[2]。同時，我國位于環太平洋地震帶上，地震災害頻繁，其對地下工程結構的危害性也是不容忽視的。由于地震作用的復雜性，其對地下洞室結構的破壞機制尚不明確，一旦遭遇地震破壞，不僅修復難度極大，還可能發生坍塌等嚴重的工程事故。

某山洪防治和生態補水工程的主隧洞長30.12km，其主要功能是為下游城區河流進行生態補水以及攔截北部山區的部分山洪，提高城區的防護標準。該工程的設計投資33億元，設計工期為4年。該工程共涉及10個施工支洞，其中東線4個支洞中某支洞總長度約277m，施工周期為8個月。由于該支洞為臨時性工程，如果采用原生混凝土作為襯砌材料勢必會造成資源浪費，因此，采用再生混凝土進行襯砌結構施工，不僅可以節省資源保護環境，還可以大幅降低施工成本[3]。因此，本文利用三維有限元分析軟件，以該支洞為例，研究再生混凝土結構的動力響應特征和變化規律，為相關工程設計提供必要的理論支持和借鑒。

1 有限元計算模型

1.1 有限元模型的構建

本文以該支洞D4標段為工程背景進行有限元計算模型的構建，利用FLAC有限元軟件對該洞段隧洞結構在地震荷載下的動力響應特征進行數值模擬計算[4]。該洞段采用全斷面開挖支護的施工方式，為馬蹄型斷面，斷面尺寸為4.2m×4.0m，襯砌混凝土的強度的C30。由于研究洞段周圍的地層結構相對比較單一，因此假定隧道沿軸線方向的巖土體性質變化不大，因此可以將研究的問題簡化為平面應變問題，故采用平面應變法進行計算[5]。為減小模型的邊界條件對計算結果產生的影響，同時兼顧模型計算的便捷性，結合相關研究理論和實際工程經驗，模型的左右邊界取洞徑的9倍，最終確定模型的計算區域為長寬均為50m[6]。研究洞段的襯砌采用FLAC有限元軟件中的liner單元進行模擬，周邊巖土體單元的最小尺寸為0.2m，最大單元尺寸為1.0m，襯砌單元和土體單元采用直接相連的方式，同時不考慮隧洞結構本身和地基土層之間可能產生的滑移和脫離[7]。整個有限元模型劃分為15675個網格計算單元，16545個計算節點。

圖1 模型網格劃分示意圖

1.2 模型的邊界條件

模型的邊界條件是動力分析中的重要內容，目前在該領域主要有簡單截斷邊界、粘滯邊界、透射邊界以及邊界元和無限元等多種方法，在利用有限差分法進行動力問題求解過程中，系統提供了自由場邊界以及靜態邊界兩種邊界條件[8]。在模型底部考慮垂直入射地震波的實際情況，采用靜態邊界；模型的側面必須要考慮沒有結構情況下的自由場運動，因此采用自由邊界條件[9- 13]。

1.3 地震波的過濾和校正

本次研究中選用的是1840年采集于美國的EL-Centro地震記錄，震級為6.7，震中距為9.3km，最大加速度為3.41m/s2，持續時間為54s，將上述記錄中的加速度時程作為地震荷載輸入。在計算過程中，為了提高計算效率，采用SeimoSignal軟件濾掉地震波中的高頻部分，同時對加速度時程曲線進行必要的基線校正。為了節省計算時間，采用地震波的歷時為6.0s。

1.4 計算工況

為了探討再生混凝土襯砌的動力響應規律，研究中設計了300mm、500mm和600mm三種不同的襯砌厚度以及普通混凝土和再生混凝土兩種不同的混凝土類型，通過相互組合設計出6種不同的計算工況，見表1。為了研究研究洞段的地震動力響應，在截面的不同部位設置了5個觀測點。其中觀測點1位于頂部；觀測點2位于頂腰；觀測點3位于側中；觀測點4位于底腰；觀測點5位于底部[14- 15]。

表1 計算工況設計

2 計算結果與分析

2.1 再生混凝土襯砌結構應變分析

利用上節構建的有限元模型，對使用再生混凝土的工況1至工況3條件下的研究洞段結構在地震波作用下的應變進行模擬計算，從計算結果中提取出5個主要觀測點的應變峰值，結果見表2。由表中的計算結果可以看出，不同厚度的再生混凝土襯砌條件下，研究洞段的頂部附近在地震作用下發生的變形較大，而隧洞的腰部和底板部位的應變峰值則相對較低。從不同厚度襯砌的計算結果對比來看，當襯砌厚度由300mm增加到500mm時，各個監測點的應變峰值均有不同程度的減小；但是，當襯砌的厚度由500mm增加到600mm時，各個監測點位的應變峰值又有十分顯著的增加，并超過襯砌厚度為300mm情況下的應變峰值。由此可見，各個監測點位的應變峰值隨著襯砌厚度的增加呈現出先減小后增加的態勢，也就是說大幅增加襯砌厚度并不能減小隧洞結構應變的響應值，同時還會明顯增加施工成本，并不可取。

表2 再生混凝土襯砌結構應變計算結果

2.2 普通混凝土襯砌結構應變分析

利用上節構建的有限元模型，對使用普通混凝土的工況4至工況6條件下的研究洞段結構在地震波作用下的應變進行模擬計算，從計算結果中提取出5個主要觀測點的應變峰值，結果見表3。普通混凝土襯砌和再生混凝土襯砌在地震波作用下的應變具有類似的變化特征。首先，不同厚度的混凝土襯砌條件下，研究洞段的頂部附近在地震作用下發生的變形較大，而隧洞的腰部和底板部位的應變峰值則相對較低。其次，各個監測點位的應變峰值隨著襯砌厚度的增加呈現出先減小后增加的態勢。

表3 普通混凝土襯砌結構應變計算結果

2.3 兩種混凝土襯砌結構應變對比分析

由表2和表3中的數據對比可以看出，在襯砌厚度相同的條件下，普通混凝土襯砌相對于再生混凝土襯砌的應變峰值較小，但是減小的幅度有限，特別是襯砌厚度為500mm的情況下，減小幅度均在2%至3%左右。由此可見，再生混凝土襯砌的性能雖然較普通混凝土差，但是在減小隧洞結構的應變相應方面仍有明顯的效果，可以用于背景工程襯砌施工。

3 結論

再生混凝土應用于臨時性水利工程施工，不僅具有良好的環保性能，還能大幅降低施工成本。本文以某水利工程的施工支洞為工程背景，利用數值模擬的方法研究了再生混凝土襯砌結構的動力響應特征，并獲得如下結論：

(1)不同厚度、不同種類的混凝土襯砌條件下，研究洞段的頂部附近在地震作用下發生的變形較大，而隧洞的腰部和底板部位的應變峰值則相對較低。

(2)不同厚度、不同種類的混凝土襯砌條件下各個監測點位的應變峰值隨著襯砌厚度的增加呈現出先減小后增加的態勢，襯砌結構的最佳厚度為500mm。

(3)再生混凝土襯砌的性能雖然較普通混凝土差，但是在減小隧洞結構的應變相應方面仍有明顯的效果，可以用于背景工程襯砌施工。