大尺寸水工隧洞襯砌物理模型試驗系統研制與應用

凌永玉，劉立鵬，汪小剛，傅睿智，孫興松

（中國水利水電科學研究院 流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038）

1 研究背景

水工隧洞是大型水利水電工程的重要組成部分，其安全性關系整個工程的成敗。襯砌作為水工隧洞的最終支護方式，考慮主要賦存環境的結構型式選擇、針對多變荷載因素的參數設計合理性等對于襯砌穩定安全尤為重要。此外，開挖建設過程中巖體荷載變化、充水期隧洞內水作用、長期運行時圍巖蠕變荷載、外水壓力以及巖體地溫與隧洞過水溫度荷載等，均對襯砌的穩定安全產生一定的影響。對于這些復雜的問題，一方面要借助理論分析［1-2］、計算機模擬仿真進行研究［3-4］；另一方面，則需要借助大型物理模型試驗的手段來解決［5］。目前，國內外已經建造并開展試驗的隧洞（道）物理模型試驗系統多集中于研究分析地下洞室開挖過程中災害模擬、圍巖穩定、支護安全以及圍巖與支護協同作用的影響等方面。蘇海健［6］、李浪等［7］、張慶松等［8］和李術才等［9］研制了深長隧道突水突泥災害演化模型試驗系統，研究隧洞建造過程中突水突泥災害；陳陸望［10］、張強勇等［11］、姜耀東等［12］和楊立云等［13］研制了深部巷道建設模型試驗系統，研究深埋地下隧洞建設期圍巖穩定性；朱合華等［14］和齊春等［15］等研制了盾構開挖模型試驗系統，研究盾構開挖泥膜形成及土壓平衡過程等，此外還有為了其他研究目的所設計研制的物理模型試驗系統［16-18］。

與常規地下隧洞（道）工程相比，水工隧洞特別是有壓隧洞在充水期及運行期將承受高壓內水作用或高壓外水作用，對襯砌的整體穩定與安全形成顯著影響。現有的水工隧洞物理模型多集中于考慮施工期圍巖穩定及支護結構安全方面，對于運行期襯砌安全的模型試驗也多為研究復合襯砌對于外水壓力的影響上［19-21］，且受限于模型的尺寸，采用大比尺試驗時相似材料的選擇異常困難，同時還對結果的影響很大。設計并研制相關物理模型試驗系統，對水工有壓隧洞承受高內、外水作用下襯砌受力變化，以及承壓過程中圍巖與襯砌聯合受力變化、內水外滲時襯砌與圍巖接觸關系演變等研究有迫切需求，上述變化的影響對于有壓隧洞襯砌與穩定安全尤為重要，是襯砌類型選擇、參數設計與優化中必須考慮的關鍵問題。

基于此，本文考慮水工隧洞襯砌受力特點，設計開發了一種新的大尺寸水工隧洞襯砌物理模型試驗系統，可進行高內水荷載、高外水荷載的大尺寸水工襯砌試驗，降低按相似原則選擇模型試驗材料對試驗結果的影響，同時還可以進一步研究圍巖與襯砌聯合承載及襯砌內外溫度變化等因素對襯砌結構安全的影響。

2 大尺寸水工隧洞襯砌物理模型試驗系統研制及試驗流程

2.1 設計目的水工有壓隧洞與常規交通隧道、采礦隧洞等不同，其運載主體為水體。在充水期及運行期，根據過水需求、水頭變化等，通常襯砌上會具有一定的內水壓力作用，同時在放空檢修期又由于巖體中地下水作用而需要承受較高的外水作用。在這一過程中，圍巖與襯砌間的接觸關系及聯合承載作用會發生變化，進而影響襯砌受力變形及安全。基于此，所設計的大尺寸水工隧洞襯砌物理模型試驗系統主要可用于研究在不同比尺下水工隧洞在變化的內外水作用時襯砌受力變形及安全，同時可進一步研究圍巖與襯砌聯合承載及襯砌內外溫度變化等因素對襯砌結構安全的影響。

2.2 主要結構及組成大尺寸水工隧洞襯砌物理模型試驗系統主要由壓力筒體、加載系統、測量系統、封水結構組成。壓力筒體由厚22 mm的Q245R鋼板制作，尺寸為?3000 mm×L4000 mm，用以提供襯砌反向荷載（圖1），最大可承受內、外壓荷載為1.2 MPa。壓力筒體兩端為厚65 mm的Q245R鋼板制作的法蘭盤，主要是用于封堵襯砌內外水體，防止隧洞內、外水體發生連通。

圖1 水工隧洞襯砌物理模型試驗系統中的壓力筒體

為便于混凝土襯砌澆筑、襯砌外水壓力測量、內水加載、外水加載、監測設備線纜進出以及試驗后排水等，壓力筒體上布置有2個混凝土灌注口（?300 mm）、內水壓力表、外水壓力表、內水加載接頭、外水加載接頭等（圖1）。

2.3 加載系統目前隧洞（道）工程物理模型中主要有剛性加載（位移加載）和柔性加載（應力加載）兩種邊界條件實現方式，加載動力來源則主要有：重力加載、電機加載、液壓加載、氣壓加載和復合加載等［22］。考慮水工隧洞主要受力情況及試驗需求，大尺寸水工隧洞襯砌物理模型試驗系統采用應力加載邊界條件實現方式，根據試驗時襯砌與壓力筒體間水體的封堵需求，外水壓力試驗時可選擇襯砌外橡膠囊柔性加載方式或襯砌與壓力筒體間高壓水體直接加載方式（襯砌與筒體間鋪設土工布作為水體通道），內水壓力試驗時直接采用隧洞內腔高壓水體直接加載方式。動力來源則由自主設計的伺服控制高壓水泵與穩壓筒體實現（圖2）。

單個加壓橡膠囊尺寸為100 cm×92 cm，主體橡膠材料性能參數如表1所示。

圖2 水工隧洞襯砌物理模型試驗系統中的水壓力加載系統

表1 加載腔主體橡膠材料主要性能參數

2.4 測量系統物理模型試驗中根據試驗目的，一般分為應力與應變量測、位移與變形量測以及滲壓量測等。所設計的水工隧洞襯砌物理模型不進行地下洞室開挖圍巖位移與屈服模擬，故而整個量測系統主要為襯砌應力與應變量測以及襯砌內外作用水壓力量測。由于物理模型試驗系統尺寸較大的優勢，可采用常規的監測儀器，如鋼筋計、應變計、壓力盒等，同時考慮該物理模型系統主要為內、外水作用下的襯砌安全與穩定試驗，所涉及的測量系統需具有一定耐滲能力。

2.5 封水結構由于水工隧洞與交通隧洞、采礦巷道等不同，充水試驗過程中防止襯砌內外水通過襯砌兩端發生內外水體連通、高外水壓力作用下襯砌穩定安全試驗中防止高外水通過襯砌兩端外滲等是整個模型試驗關鍵，所設計的大尺寸水工隧洞襯砌模型試驗系統為防止上述問題，主要采用兩種方式進行封水設計（圖3）。

圖3 水工隧洞襯砌物理模型試驗系統中的封水結構

具體通過以下措施防止襯砌外水體與隧洞內水體連通以及襯砌外水體沿襯砌兩端發生外滲：（1）在澆筑好的混凝土襯砌兩個端頭涂刷防水膠堵水（圖3（a））；（2）法蘭盤與壓力艙體間設置雙圈橡膠條，內圈與所澆筑的混凝土襯砌端頭接觸，外圈與壓力艙體及混凝土襯砌端頭接觸（圖3（b））。通過法蘭盤與壓力筒體間所設置的72個φ12 mm高強螺栓的擰壓力作用進行壓實防滲。

2.6 主要試驗流程①根據擬進行的襯砌試驗尺寸、內外水壓力大小、配筋等情況，為保證模型試驗結果能夠準確反映原型結構的應力與變形，確定合適的模型比尺；②按相似原則選擇模型試驗材料，確定襯砌、鋼筋等參數；③選擇外水加載方式，如采用橡膠囊加載方式或考慮為圍巖變形下襯砌受力變化試驗，在襯砌澆筑前于壓力筒體內壁安裝橡膠囊，如采用襯砌與壓力筒體之間直接加載方式，則在壓力筒體內壁鋪設土工布；④采用支架方式安裝應變計、壓力盒等檢測儀器，并澆筑襯砌混凝土；⑤引出檢測儀器纜線，并安裝讀數設備；⑥混凝土襯砌齡期達到后做好堵水，并封裝兩側法蘭盤；⑦根據制定試驗加載方案進行試驗，并記錄相應檢測數據。

3 水工隧洞襯砌高外、內水壓力作用模型試驗

3.1 高外水壓力作用下水工隧洞襯砌試驗襯砌遭遇過高地下水壓力作用時，如襯砌設計參數及防排水不當，勢必會影響襯砌結構安全，在不同外水壓力作用下的襯砌結構安全歷來是設計人員關注的重點。此處，利用所設計的大尺寸水工隧洞襯砌模型試驗系統對不同外水壓力作用下襯砌徑向應力及環向應力大小變化進行模型試驗研究，其中素混凝土襯砌外徑2.998 m，厚0.4 m，標號為C20（E=29.7 GPa，ν=0.21），采用襯砌與壓力筒體間高壓水體直接加載方式加載，外水壓力大小為0.1 ～1.0 MPa，等間隔0.1 MPa 加載，不同壓力下穩壓時間為30 min。在軸線1.5 m處布置一個監測斷面，用于監測試驗過程中混凝土襯砌徑向及環向應變變化，所安裝的應變計位置如圖4所示。

不同外水壓力作用下，襯砌環向及徑向應力大小變化如圖5 所示。由圖5 可知，混凝土襯砌承受外水壓力作用時，襯砌環向與徑向始終保持為受壓狀態。隨著襯砌外水壓力的逐級增加，襯砌不同位置的環向應力及徑向應力相應增加，1.0 MPa 外水壓力作用下襯砌環向壓應力達-3.894 MPa，徑向壓應力達-0.872 MPa；同時，由圖5 可知各級壓力下穩壓過程中監測儀器測值較為平穩，為論證大尺寸水工隧洞襯砌模型試驗系統在加載過程中的穩定性以及試驗結果是否合理，將0.5、1.0 MPa 外水壓力作用下的試驗值與厚壁圓筒承受外壓作用下的Lamé解值［23］進行對比，具體如表2所示。

圖4 襯砌中應變計空間排布

表2 不同外水壓力作用下襯砌應力測值均值及標準差

由表2可知，在襯砌外作用不同外水壓力時，襯砌的徑向應力與環向應力試驗測值均值與理論計算值較為接近，在各級壓力下環向應力及徑向應力測值波動較小，監測儀器所得測值標準差較小，說明大尺寸水工隧洞襯砌模型試驗系統的加載穩壓系統能夠提供較為穩定的水體壓力，監測單元性能可靠，試驗結果合理，能夠滿足大尺寸水工隧洞襯砌模型試驗的需要。

圖5 不同外水壓力作用下襯砌徑向及環向應力

3.2 高內水壓力作用下水工隧洞襯砌試驗在高內水作用下混凝土襯砌一般均會開裂，《水工隧洞設計規范》（SL279-2016）［24］中對于有壓隧洞襯砌裂縫寬度進行了限制，即限裂式設計。對于實際工程則需了解所設計的襯砌是否滿足規范要求，掌握不同內水壓力作用下襯砌開裂的可能性及開裂水頭量值。此處，利用所設計的襯砌模型試驗系統對不同內水壓力作用下襯砌徑向應力及環向應力變化進行模型試驗研究，其中混凝土標號、襯砌厚度、內水壓力大小設置、加載方案以及監測方案均與高外水壓力作用下水工隧洞襯砌試驗一致。不同內水壓力作用下襯砌環向及徑向應力變化如圖6所示。

圖6 不同內水壓力作用下襯砌徑向及環向應力

由圖6 可知，水工隧洞承受內水壓力作用時，襯砌環向始終保持為受拉狀態，且隨著隧洞內水體壓力的逐級增加，襯砌環向及徑向應力逐漸增加。內水壓力為0.5 MPa 時，襯砌環向拉應力達1.298 MPa，徑向壓應力為-0.372 MPa。試驗過程中，當隧洞內水體壓力達到0.55 MPa 時，壓力筒體上安裝的壓力表出現讀數并快速增加至與隧洞內水體壓力一致，表明襯砌開裂（圖7），襯砌內水體由裂縫外滲至襯砌外，即在試驗參數下，襯砌的啟裂水頭為55 m。

襯砌內水壓力為0.3、0.5MPa時，襯砌環向應力與徑向應力測值均值、標準差如表3所示。由表3 可知，在水工隧洞內作用不同的內水壓力時，襯砌徑向應力與環向應力試驗測值均值標準差均較小，說明所研制的模型試驗系統能夠有效的進行高內水作用下的襯砌試驗，滿足水工隧洞襯砌試驗需要。

圖7 高壓內水試驗時襯砌所產生裂紋

表3 不同內水壓力作用下襯砌應力測值均值及標準差

4 結論

（1）所研究開發的大尺寸水工隧洞襯砌物理模型試驗系統，長4.0 m、直徑3.0 m，水體最大壓力為1.2 MPa。該系統能夠較好地模擬水工隧洞襯砌承受內水壓力和外水壓力作用過程，試驗加載系統性能穩定，測量系統可滿足試驗需要，封水結構能有效阻止襯砌內、外水體發生連通對試驗結果產生的影響，可用于研究水工隧洞在運行期及放空檢修期不同工況下的襯砌受力變形及安全。（2）水工隧洞襯砌承受外水壓力作用時，與厚壁圓筒Lamé解較為一致，襯砌環向與徑向始終保持為受壓狀態，且隨著外水壓力增加，襯砌不同位置的環向壓應力及徑向壓應力相應增加，在試驗中1 MPa 外水壓力作用下，襯砌環向應力可達到-3.894 MPa。（3）水工隧洞襯砌承受內水壓力作用時，襯砌環向始終為受拉狀態，且隨著隧洞內水體壓力的增加，襯砌環向應力逐漸增加，在試驗中內水壓力為0.5 MPa 時襯砌環向應力達1.298 MPa，內水水頭達到55 m 時，混凝土襯砌開裂，發生內水外滲現象。