探討引水隧道內水壓力對隧洞襯砌結構穩定性的影響

鄭澤平

揭陽市引水工程有限公司 廣東 揭陽 522000

一直以來我國都十分重視水利工程建設，水工隧道工程也隨之增多。通常水工隧道工程都建在地勢險要的高山峽谷地帶，會受到周圍地質條件、水文環境的影響，埋深比較大，會承受來自隧道工程內外部的水壓，影響到襯砌結構的穩定性[1,2]。針對這一問題，國內外很多學者都展開了相應的研究，從不同的角度及影響襯砌結構穩定性的各個方面探索其中的規律，并在不同領域取得了相應進展。比如我國研究人員通過實地監測、數值模擬、模型試驗等方法，對隧洞內溶洞的位置、溶洞的大小、內外水壓變化等方面進行系統性的計算分析，研究不同工況下對襯砌結構產生的影響[3,4]。

本文結合韓江粵東灌區續建配套與節水改造工程半洋隧洞引水工程（楓江- 半洋段）的施工情況，利用ABAQUS 有限元數據分析，建立隧洞襯砌結構模型，分析內水壓力對襯砌結構穩定性的影響。

1 工程簡介

韓江粵東灌區續建配套與節水改造工程半洋隧洞引水工程（楓江- 半洋段）是對原韓江粵東灌區主要灌溉渠道系統的改造工程，在工程改造完成后灌溉面積可達69.41 萬畝。該引水工程全長9034m，引水設計流量16.52m3/ s，主要建設內容包括西山溪～古巷進洞口段（盾構法隧洞）、古巷～半洋段(鉆爆法隧洞)及半洋隧洞出口～八支渠埋管段。工程主要建筑物級別為2 級；次要建筑物包括管道沿線附屬建筑物等級別為3 級。該引水工程采用基礎防滲結構形式的工程包括盾構工作井和頂管工作井進出洞口范圍高壓旋噴樁灌漿防滲體(簡稱旋噴樁墻)、盾構管線穿越現有建筑物時采用高壓旋噴樁灌漿防滲體對地層進行加固及防滲，確保地表建筑物安全。該引水工程在完成施工后各方面情況穩定，圍巖材料的特性與各種材料的相關指標見表1 和表2。

表1 圍巖材料性能指標

表2 襯砌結構材料性能指標

2 研究方法

本次研究的對象為引水隧洞內襯砌結構的穩定性，探索當水壓發生變化時結構的穩定性變化情況[7]。國內外許多專家學者對內水壓作用下隧道襯砌結構的穩定性進行了深入的研究，通過建立數字化模型，模擬襯砌結構的受力情況，分析在內外水壓力作用下襯砌結構與圍巖結構之間存在的關系。例如崔戈[8]通過實地監測、建立數字化模型并進行了相關試驗，詳細調查了隧洞的位置、規模與內外水壓的相關數據，對不同工況隧洞襯砌結構的穩定性影響因素進行了研究。本文結合前人的經驗，在半洋隧洞內選取某處標準段三環，使用ABAQUS 有限元建立數字模型（如圖1 所示），在圖1（a）中CQ- 1、CQ- 2、CQ- 3 分別是三環管片襯砌；J1- J6 分別為六個接縫位置；A- F 分別表示管片。在引水隧洞設計中，襯砌、豆礫石采用線彈性材料，而螺栓、圍巖分別采用理想線彈性材料和彈塑性材料，利用桿單元對螺栓進行模擬計算，另外其他的材料都采用八節點的方式。圖1（b）為施加在隧洞襯砌結構上的水壓力作用示意圖[9]。

圖1 引水隧洞標準段數字模型

3 有限元模型計算分析

3.1 管片襯砌變形與應力變化

在圖2（a）中，受到內水壓力的作用影響，管片襯砌出現變形情況，并且從上部開始逐漸向下部遞減，徑向上的管片在內水壓力的作用下，產生向外的應力，造成管片襯砌出現變形。變形情況由上到下情況不一，以頂部變形最為明顯，測量結果為0.732mm，以底部管片兩側接縫處的變形最為輕微，測量結果為0.466mm。

圖2（b）顯示，在整個管片模型中主要承受的是壓應力，整體來看徑向應力分布比較均勻，只是在接縫位置表現出比較集中的情況，經測量最大壓應力為- 3.62MPa。

在管片襯砌出現變形的過程中，產生的環向應力主要表現為拉應力，主要作用于管片的中部，呈對稱分布，應力最大的部位在管片中部，而兩側呈均勻狀態分布[10]。經測量拉應力最大位置在管片的底部，達到了2.52MPa，而這個數值已經遠遠超出了混凝土的抗拉強度極限值1.89MPa。圖2（c）中顯示，管片襯砌內部拉應力明顯大于外部的拉應力，根據這一現象，我們選擇CQ- 2 環中部作為研究對象，將環徑內側頂部作為起始位置，經過一周后旋轉后到達終點位置，所承受環向應力曲線見圖2（d）。

因為襯砌結構底部有凹槽的緣故，造成圖2（d）中虛框部分曲線波動，和其他部位的曲線相比變化較大，如果不考慮這一部分的變化，能夠看出管片襯砌結構中的環向應力的變化趨勢，在頂部時應力最小，中部時應力最大，最大值達到1.41MPa。

通過圖2（e）和（f）可以看出，管片襯砌結構在內水壓力的持續作用下，處在管片底部的凹槽位置，所承受拉應力的最大值為2.52MPa，已經遠遠超出了混凝土的抗拉強度1.89MPa，在內水壓力的持續作用下易出現開裂問題。同時管片的最大壓應力數值為3.66MPa，而混凝土的抗壓強度為23.2MPa，遠沒有達到極限。

圖2 管片位移與應力變化

綜合圖2（a）～（f），管片襯砌結構在內水壓力的持續作用下，受到壓應力的影響會出現向外變形的問題，此時所產生的壓應力會被襯砌結構和圍巖結構一起來承擔。進一步對襯砌結構與圍巖結構內水壓力的承載比進行分析，能夠了解到內水壓力對襯砌管片的穩定性造成的影響。基于這方面考慮，在本次研究中以管片襯砌結構的頂部與底部兩個位置為觀測點，詳細記錄在內水壓力作用的數據，見表3。

表3 管片襯砌環向應力與承載比分析

根據表3 可知，當襯砌結構與圍巖結構受到內水壓力的作用時，兩者所的承載比在3.80%～5.80%之間，通過這一對比可以發現，在承擔內水壓力作用時圍巖結構分擔的壓力占大部分，襯砌結構分擔的壓力占小部分。

3.2 接縫開度與環向螺栓應力分析

由于管片襯砌模型的兩端可能會受到位移邊界的影響，因此我們選擇居于中部的CQ- 2 環進行分析，繪制接縫與環向螺栓示意圖，見圖3。詳細記錄接縫開度變化情況，見表4。

通過對圖3 和表4 進行分析，CQ- 2 環接縫平均開度會隨著水頭壓力大小出現變化，總體情況是水壓變大則平均開度隨之增大。

圖3 接縫與環向螺栓示意圖

從表4 中可以看出，當水頭達到100m，此時接縫總平均開度值為0.267mm，當水頭繼續增加到200m，總平均開度值為0.525mm。我們還發現，J1、J2、J3 與對側的J6、J5、J4 分別處在相對應的位置，而它們的接縫開度也相差無幾，因此這6 處接縫位置的接縫開度存在以下規律：J1=J6＜J2=J5＜J3=J4。通過圖3（b）中可以看出，當處于同一水頭條件時，水頭與接縫開度之間存在著線性關系，且兩側對應接縫開度平均值變化較小。

表4 CQ- 2 環接縫開度變化情況

在襯砌結構中一向螺栓對接縫開度起到了一定的控制作用，再以CQ- 2 環向螺栓應力進行分析，實驗結果見表5。當管片襯砌接縫開度逐漸變大時，處于同一接縫環向螺栓的拉應力也會出現相應變化，隨之而變大。通過表5 可以看出，處于J3 和J4 位置所受到的應力值最大，處于J1 和J6 位置所受到的應力值最小。

表5 CQ- 2 環向螺栓各部位應力值

4 增強管片襯砌結構穩定性的技術措施

在內水壓力的作用下，管片襯砌結構會逐步發生變形，環接縫也會發生變化，隧洞逐漸進入塑性帶裂縫工作狀態。如果地層越軟，則隧洞的失穩狀態越嚴重，根據以往經驗，如不遇到突發的水位漲落、地震等情況，中硬粘土地層、軟粘土地層中盾構隧道比較穩定的，如果是極軟粘土地層，則發生隧洞失穩的概率要高的多。針對這種情況，建議更換土體或者對土體進行改良，對管片襯砌結構進行加固處理，以增強隧洞的穩定性。

在內水壓力作用下，管片接縫開度會發生相應的變化，隧道的穩定性也受到很大影響。因此，在探明管片接頭抗彎性能后，可以考慮使用非恒定接頭抗彎剛度的雙重非線性有限元分析方法來計算管片襯砌的失穩性，計算結果更加精確。

5 結論

本文運用ABAQUS 有限元分析，建立數字化模型，用來研究引水隧洞內水壓力對襯砌結構造成的影響，通過本次研究發現：

（1）當管片襯砌結構受到內水壓力的作用時，整體會發生一定的變形，變形狀態是頂部最為明顯，從上到下呈遞減狀態，以底部管片兩側接縫位置變形最小；

（2）通過研究對比發現，管片襯砌結構受到的壓應力較為明顯，而拉應力不明顯，壓應力的分布情況是徑向均勻，在管片接縫處受到的應力作用較為集中。在壓應力作用下管片襯砌結構開始向外部出現變形，此時環向拉應力較為明顯，呈現對稱分布的狀態，應力主要集中在管片的中部位置，中部應力較大，兩側呈現均勻分布狀態。此時管片底部凹槽位置所受到的拉應力最大，在持續受力的情況下會發生開裂問題。

（3）襯砌結構與圍巖結構共同承擔來自隧洞內水壓力的作用，在經過數據對比分析后得出結果，兩者對內水壓力的承載比在3.8%～5.8%，圍巖結構承擔了更多來自于內水壓力的作用，而襯砌結構所承擔的相對要小一些。

（4）針對襯砌接縫開度的研究，當接縫開度逐漸變大時，環向螺栓所受到的拉應力隨之而變大，在兩側相對應的位置應力大小相差較小。研究中發現，處于J3 和J4 位置的應力最大，而處于J1 和J6 位置的應力最小。

（5）當處于同一水頭條件時，水頭與接縫開度之間存在著線性關系，且兩側對應接縫開度平均值變化較小，平均開度變化規律為J1=J6＜J2=J5＜J3=J4。