引水隧道內水壓力對隧洞襯砌穩定性影響

李國玉

(臨沂市水利局，山東 臨沂 276000)

0 引 言

近年來，隨著水電工程的蓬勃發展，大量水工隧道建設出現在高山峽谷地帶。由于在該地質環境下隧道埋深大、承受內外水壓大，這對隧道的施工以及結構設計提出了新的要求。針對水工隧道襯砌問題，已有大量學者對此展開相關研究。Pan[1]基于開爾文模型和麥克斯韋模型，對圍巖-襯砌間的相互作用進行研究分析，獲得襯砌剛度的變化規律。Galli[2]等通過數值分析方法，研究分析了隧洞掘進過程中圍巖與襯砌間的相互作用。趙子龍[3]等采用現場試驗的方法對襯砌的圍巖壓力進行研究分析發現，其壓力分布規律是根據襯砌剛度分配的。姚俊峰[4]利用有限元數值分析軟件，建立了隧道模型，研究分析在不同工況下隧道襯砌的水壓力分布。高新強[5]通過ABAQUS有限元模擬軟件建立模型，改變水壓力來研究襯砌與圍巖的變化規律。王志杰[6]針對不同的注漿參數，通過等效方法對隧道襯砌的穩定性進行了研究分析。Arjnoi[7]與Nam[8]通過數值模擬方法和理論推導，建立數值模型，深入分析內外水壓力與襯砌-圍巖相互作用間的影響關系。崔戈[9]從實地監測、數值模擬以及模型試驗等多方面，綜合考慮隧道中溶洞位置、溶洞規模和內外水壓等因素，研究分析了不同工況下隧道襯砌的結構特性和穩定性。

綜合上述研究，本文結合某實際工程項目，利用ABAQUS有限元數值分析軟件，建立隧道襯砌模型，考慮襯砌管片間的相互作用，研究分析引水隧道內水壓力對隧洞襯砌穩定性影響。

1 工程概況

本研究結合某地區供水工程隧道，其隧洞全長30 km，隧洞開挖完成后，進行回填豆礫石和C50襯砌管片施工作業。本研究視施工后的材料強度已基本穩定，并且約有為200 m的水頭施加在襯砌內表面，其圍巖材料特性和其他材料參數見表1和表2。

表1 圍巖材料參數

表2 襯砌材料參數

2 模型建立

為了研究內水壓作用下隧道襯砌穩定性的變化規律，本研究選取隧道中某一標準段三環作為研究對象，采用ABAQUS有限元軟件建立模型(圖1中，CQ-1、CQ-2和CQ-3為三環管片襯砌，J1-J6為接縫處，A-F為管片)，其中襯砌、豆礫石設為線彈性材料，而螺栓、圍巖分別設為理想線彈性材料和彈塑性材料，螺栓采用桿單元進行模擬，其余材料均采用八節點等參單元。本研究施加的內水壓力作用在襯砌管片的內表面，見圖2。

圖1 標準洞模型圖

圖2 內水壓力作用在襯砌內表面示意圖

3 模擬結果分析

3.1 管片變形與應力分析

由圖3可知，在內水壓力作用下，整體上管片變形呈現出由上至下逐步遞減的趨勢。徑向上的管片由于受到內水壓力的作用導致向外部產生變形，其中可以明顯發現其頂部變形顯著，達到0.732 mm。而變形最小的是底部管片兩側的接縫處，其值約為0.466 mm。

圖3 管片徑向位移圖

由圖4可知，整體上管片承受壓應力為主，其徑向應力分布均勻，應力集中現象主要發生在接縫處，其最大壓應力值約-3.62 MPa，見圖4(a)。

圖4 管片應力分布圖

隨著管片逐步向外部產生變形，其環向應力以拉應力為主，管片中部應力集中，分布對稱，管片中部應力較大，兩側較為均勻，其中拉應力最大可達2.52 MPa(已超過混凝土抗拉強度1.89 MPa)，位于管片底部。根據圖4(b)可以發現，襯砌外側拉應力要小于內側，進而取其CQ-2環中部為觀察點，以內表面環向路徑的頂部作為起點，旋轉一周達到終點，并將其環向應力呈現為圖5。其中，由于襯砌底部存在凹槽，導致出現圖中紅色框的部分，該部分與其他管片相比差異較大，忽略該部分影響可以發現，各個管片的環向應力均呈現出頂部最小并逐漸向中部增大，其最值可達1.41 MPa。

圖5 環向路徑環向應力圖

由圖6和圖7可知，管片襯砌受到內水壓力的作用，位于管片底部的凹槽，其拉應力最大可達2.52 MPa(大于混凝土的抗拉強度1.89 MPa)，存在開裂的可能性，而管片的最大壓應力為-3.66 MPa(小于混凝土的抗壓強度23.2 MPa)。

圖6 管片襯砌第一主應力圖

圖7 管片襯砌第三主應力圖

根據上述位移和應力圖可知，管片襯砌受到內水壓力的作用導致向外變形，而該作用是由襯砌和圍巖共同承擔的，探究襯砌和圍巖的承載比可以進一步說明內水壓作用對襯砌管片穩定性的影響。因此，本研究分別以襯砌頂部和底部作為觀察點，提取其應力數據，見表3。通過計算獲得在內水壓力作用下襯砌與圍巖的承載比分布在3.8%～5.8%，這也表征了圍巖是承擔內水壓力的主要對象，而襯砌管片分擔相對較小。

表3 管片襯砌環向應力與承載比分析

3.2 接縫開度與環向螺栓應力

考慮到襯砌模型兩端位移邊界的影響，本研究選擇CQ-2環作為研究對象，分析環上各處接縫的開度以及環向螺栓應力分布，其接縫和環向螺栓示意圖見圖8。接縫開度變化情況見表4和圖9。

圖8 CQ-2環的接縫和環向螺栓示意圖

表4 CQ-2環接縫平均開度隨水頭變化情況

圖9 接縫平均開度隨內水水頭變化曲線

由圖8和表4可以發現，隨著水頭的增大，CQ-2環的接縫平均開度也在不斷增大。當水頭達到100 m時，其接縫總平均開度達到0.267 mm；當水頭達到200 m時，其接縫總平均開度達到0.525 mm。值得注意的是，通過對比發現，J1、J2和J3分別與J6、J5和J4的接縫平均開度基本對應相等。整體上，在同一水頭下接縫平均開度變化規律表現出J3=J4>J2=J5>J1=J6。將其繪成隨內水壓力變化的接縫平均開度變化曲線(圖9)可以發現，在同一水頭下，水頭與接縫開度呈線性關系，且各接縫開度平均值差異較小，見圖10。

圖10 襯砌CQ-2環接縫開度(單位：mm)

由圖10可以發現，整體上接縫開度變化不盡相同。沿縱軸向襯砌由頂部至底部接縫開度呈不均勻分布規律，在靠近襯砌內側的接縫開度較小，而靠近襯砌外側的接縫開度較大，但兩者相差較小，約為0.48～0.59 mm。

由于環向螺栓對接縫開度具有一定的控制作用，結合CQ-2環向螺栓應力情況(表5)發現，隨著襯砌接縫開度的增大，同一接縫處環向螺栓的拉應力也隨之增大。其中，J3和J4處環向螺栓應力值最大，約為266.441 MPa；而J1和J6處環向螺栓應力最小，約為224.600 MPa。

表5 CQ-2環向螺栓應力情況表

4 結 論

通過ABAQUS數值模擬軟件建立模型，研究分析引水隧道內水壓力對隧洞襯砌穩定性的影響，主要結論如下：

1)在內水壓力作用下，整體上管片變形呈現出由上至下逐步遞減的趨勢，其頂部變形顯著，底部管片兩側的接縫處變形最小。

2)整體上管片承受壓應力為主，其徑向應力分布均勻，應力集中現象主要發生在接縫處。隨著管片逐步向外部產生變形，其環向應力以拉應力為主，管片中部應力集中，分布對稱，管片中部應力較大，兩側較為均勻，位于管片底部凹槽的拉應力最大，存在開裂的可能性。

3)襯砌和圍巖共同承擔內水壓力作用，研究發現襯砌與圍巖的承載比分布在3.8%～5.8%，說明圍巖是承擔內水壓力的主要對象，而襯砌管片分擔相對較小。

4)隨著襯砌接縫開度的增大，環向螺栓的拉應力也隨之增大，其中J3和J4處螺栓應力最大，J1和J6處螺栓應力最小。

5)在同一水頭下，水頭與接縫開度呈線性關系，且各接縫開度平均值差異較小，接縫平均開度變化規律表現出J3=J4>J2=J5>J1=J6。