外界壓力作用下引水隧洞圍巖穩定性研究

白 洋

(撫順市水利勘測設計研究院有限公司，遼寧 撫順 113000)

由于水資源的分布不均勻以及城市用水的不斷增大，因而需要修建大量的輸水工程以滿足人們的日常生活及農田水利的灌溉，水工隧道是水利建設中應用較為廣泛的工程，對于水工隧洞結構穩定性的研究是水工隧道正常使用的前提基礎，而襯砌管片結構有直接影響著水工隧道結構的安全性及穩定性。

水工隧洞管片結構主要施工方式為管片拼裝，不僅可以節約工期，還可以提高水工隧道結構的穩定性，目前，已經有大量的專家學者在這方面取得了較為突出的成就：嚴長征等[1]對盾構施工中通縫、錯縫管片建立地層彈簧模型，結合地鐵工程實際案例結構特征進行分析；王美齋等[2]對水工隧洞中較長使用的六邊形管片、平行四邊形管片以及左右通用型管片建立數值分析模型進行對比分析；石怡安等[3]TBM引水隧洞中的不同管片形式建立三維數值計算模型，對比分析了在使用期間內，管片襯砌結構的應力、接縫與螺桿應力；佘成學等[4]對在高內水壓力作用下影響管片張度的因素進行分析得出襯砌管片具有柔性變形特征；王士民等[5]采用相似模型試驗方法分析了襯砌結構在不同拼裝方式下的受力狀況，進而得出錯峰拼接具有較好的效果；朱合華等[6]對盾構隧道施工中的管片接頭位置處的內力-變形狀況建立數值分析模型以及進行了模型試驗，驗證了接頭剛度模型的有效性；趙春榮等[7]等對某擬建TBM水工隧道工程在內水壓力作用下的應力及變形狀況進行分析，并對其進行適用性評價；葉飛等[8- 10]對水工隧道襯砌結構管片在各種作用力作用下建立三位數值分析模型，分析水工隧道襯砌結構管片的受力狀況。

本文以水庫引水工程隧洞工程為研究對象，利用有限元軟件建立三維數值模型，分析了外水壓力和內水壓力作用下引水隧洞的受力變形，并研究了螺栓損壞對隧洞襯砌的影響。

1 工程概況

水庫引水工程隧洞在某水庫右岸支岔處接引水鋼管進洞，距離某水庫大壩約380m，引水隧道采用明挖暗埋、TBM等方式施工。隧洞進口里程樁號K0+000，出口里程樁號K11+824，總長11824m，進口設計高程704.350m，出口設計高程694.108m，縱坡為-0.1%，施工支洞采用圓洞型，隧洞直徑為5m，襯砌管片厚度35cm。由于引水隧洞較長，為了滿足工期、施工通風和運營期間檢修要求，根據地形地貌及地質條件設施工支洞1座，兼做運營期間檢修通道。

2 有限元模型的建立

為了研究內外水壓力下管片襯砌的變形與受力，管片襯砌模型如圖1所示。完成隧道施工后，及時安裝襯砌并回填豆礫。管片襯砌使用強度等級為C50的預制混凝土。圍巖本構選擇摩爾-庫倫模型。材料參數如下：密度為2650kg/m3、彈性模量為10.5GPa、泊松比為0.23、內摩擦角為49°、黏聚力為1.1MPa。選擇八節點等參單元來模擬豆礫石和襯砌，本構模型均選擇彈性模型。用桿單元模擬螺栓、本構為理想彈塑性模型。混凝土C50的軸心抗壓和軸心抗拉分別為23.1MPa和1.89MPa、彈性模量為34.5GPa、泊松比為0.167；灌漿前豆礫石的彈性模量為0.5GPa、泊松比為0.3；灌漿后豆礫石的彈性模量為3GPa、泊松比為0.27；螺栓的彈性模量為206GPa、泊松比為0.3。

圖1 襯砌模型圖

3 數值結果分析

3.1 外水壓力作用下的隧洞襯砌管片響應

3.1.1管片變形與應力

圖2給出了外水壓力作用時隧洞襯砌的徑向位移和環向應力云圖。圖2(a)中可以看出，隧洞襯砌在外水壓力作用下呈收縮變形趨勢，襯砌變形從隧洞拱頂向隧洞拱底逐步變小，隧洞的變形分布較均勻，且接縫的存在基本不影響隧洞管片。進一步觀察可知，隧洞襯砌變形峰值發生在拱頂處，峰值約為3.2mm，襯砌最小變形發生在拱腰下部位置，變形約為0.3mm。圖2(b)中可以看出，隧洞襯砌應力以壓應力為主，管片內側壓應力大于管片外側壓應力，隧洞拱底處襯砌內側的管片接頭處有應力集中的現象，襯砌壓應力的峰值約為25.2MPa。

圖2 隧洞襯砌的徑向位移和環向應力云圖

圖3給出了外水壓力作用時隧洞襯砌的第1主應力和第3主應力云圖。從圖中可以看出，在環CQ- 1和CQ- 3外側接頭位置，襯砌管片拉應力出現峰值，峰值約為2.3MPa。隧洞拱底處襯砌內側的管片接頭位置，襯砌管片壓應力出現峰值，峰值約為25.6MPa。可見，襯砌管片在該部位易被壓碎。

圖3 隧洞襯砌的第1主應力和第3主應力云圖

3.1.2環向螺栓應力

表1列出了襯砌CQ- 2環接縫的壓力。從表中可以看出，各接觸近接襯砌內側部位的壓力比近接襯砌外側部位的壓力更大。隧洞拱頂接觸位置沿著縱向中間部位的壓力小，反之前后端位置壓力更大。進一步觀察可知，環向螺栓壓力主要表現為壓應力，壓應力范圍從-80MPa到-40MPa，接縫JF2和JF5位置的前后環向螺栓壓力基本相等，但是其余接縫的前后螺栓應力相差較大。

表1 襯砌CQ- 2環環向螺栓應力 單位:MPa

3.1.3局部接縫無環向螺栓對襯砌結構受力影響

本節外水壓力作用下研究JF1、JF2、JF3位置處環向螺栓損壞對隧洞襯砌的影響。

表2列出了襯砌管片發生徑向位移峰值的位置和對應的峰值大小。圖4給出了JF1、JF2、JF3位置處環向螺栓損壞和環向螺栓全部正常時的環向應力云圖。從表2可以看出，與環向螺栓全部處于正常狀態相比，JF1、JF2、JF3位置處環向螺栓損壞時，襯砌管片徑向位移峰值與其發生的位置與正常狀態下的情況一致。從圖4可以看出，JF1、JF2、JF3位置處環向螺栓損壞下襯砌管片環向應力分布規律也與正常狀態下的應力分布規律基本一致。可見，JF1、JF2、JF3位置處環向螺栓的損壞對襯砌管片的影響有限。

表2 襯砌管片徑向位移峰值及對應的位置

圖4 各工況的環向應力云圖

表3給出了不同螺栓損壞時CQ- 2環螺栓應力。從表3中可以看出，任意處螺栓損壞時，CQ- 2環螺栓應力與螺栓正常狀態下的應力一致。可見，外水壓力作用下螺栓損壞對螺栓應力無影響。

表3 CQ- 2環螺栓應力

3.2 內水壓力作用下的隧洞襯砌管片響應

3.2.1管片變形與應力

圖5給出了內水壓力作用時隧洞襯砌的徑向位移和環向應力云圖。如圖5(a)所示，由于管片受到的是內水壓力作用，主要變形表現為沿徑向向外變形，體現為從頂部到底部逐漸遞減的變化趨勢。頂部在內水壓力作用下變形最大，最大值約為0.72mm，底部在內水壓力作用下變形較小，尤其是底部兩側接縫處的變形最小，最小值約為0.46mm，管片整體上在內水壓力作用下接縫對受力的影響較小。如圖5(b)所示，整體環向受到的應力為拉應力，且拉應力沿著環向呈以豎向中軸線為對稱軸的對稱分布，管片中部和底部凹槽位置的應力值最大，最大值為2.45MPa，由于混凝土的標準抗拉強度為1.87MPa，因而，底部凹槽位置的混凝土處于較為不利的情形。

圖5 隧洞襯砌的徑向位移和環向應力云圖

圖6給出了外水壓力作用時隧洞襯砌的第1主應力和第3主應力云圖。從圖中可以看出，管片襯砌結構在內水壓力作用下，最大主應力為2.48MPa，最大主應力位于底部凹槽區域，該應力值超過了混凝土的標準抗拉強度1.87MPa，因而底部凹槽位置在內水壓力作用下有可能會出現拉力作用下的裂縫；而根據第3主應力分布圖，該水工隧洞襯砌結構的最小主應力為-3.65MPa，為壓應力，由于混凝土的標準抗壓強度為23.05MPa，因而該混凝土襯砌結構不會受到壓應力破壞。

圖6 隧洞襯砌的第1主應力和第3主應力云圖

3.2.2環向螺栓應力

表4列出了襯砌CQ- 2環接縫的壓力。從表4可以看出來，JF3和JF4前端所受的作用力最大，作用力大小為266.42MPa，JF1和JF6前端所受的作用力最小，作用力大小為224.66MPa，對于不同接縫，螺栓在縱向上受到應力不均勻程度也有所不同，以頂部、底部和腰部螺栓所受的接縫應力為例，JF1和JF6、JF3和JF4的應力不均勻程度比JF2和JF5的不均勻程度大。

表4 襯砌CQ- 2環環向螺栓應力 單位：MPa

3.2.3局部接縫無環向螺栓對襯砌結構受力影響

本節研究內水壓力作用下JF1、JF2、JF3位置處環向螺栓損壞對隧洞襯砌的影響。表5列出了襯砌管片發生徑向位移峰值的位置和對應的峰值大小。圖5給出了JF1、JF2、JF3位置處環向螺栓損壞和環向螺栓全部正常時的環向應力云圖。從表5可以看出，與環向螺栓全部處于正常狀態相比，內水壓力作用下JF1、JF2、JF3位置處環向螺栓損壞時，襯砌管片徑向位移峰值與其發生的位置與正常狀態下的情況一致。從圖5可以看出，螺栓均處于正常狀態時，管片內部中間位置應力更大。當JF1螺栓損壞時，管片B上半部分的拉應力較大，管片C的環向應力在凹槽位置有較為顯著的提升；當JF2螺栓損壞時，管片B較大拉應力的位置呈向下偏移趨勢，同時管片C較大拉應力的位置呈向上偏移趨勢；當JF3螺栓損壞時管片C較大拉應力的位置呈向下偏移趨勢。綜上所述，不同位置螺栓的損壞均導致管片內部發生較大拉應力的位置從管片中部位置偏移至遠離該接縫位置，但是襯砌管片整體應力狀態變化不大。

表5 襯砌管片徑向位移峰值及對應的位置

表6給出了不同螺栓損壞時CQ- 2環螺栓應力。從表6中可以看出，當JF1螺栓損壞時，JF2螺栓和JF6螺栓的應力均較正常狀態減小20MPa左右，其余3個螺栓應力不變；當JF2螺栓損壞時，JF1螺栓和JF3螺栓的應力均較正常狀態減小20MPa左右，其余3個螺栓應力同樣不變；當JF3螺栓損壞時，JF2螺栓和JF4螺栓的應力均較正常狀態減小20MPa左右，其余3個螺栓應力略有減小。綜上所示，管片某處螺栓損壞導致鄰近接縫處兩個螺栓的應力顯著減小，對其余3個螺栓的應力基本無影響。

圖7 各工況的環向應力云圖

表6 CQ- 2環螺栓應力 單位：MPa

4 結語

以水庫引水工程隧洞工程為研究對象，利用有限元軟件建立三維數值模型，分析了外水和內水壓力作用下引水隧洞的受力變形，螺栓損壞對隧洞襯砌的影響。得到以下結論：

(1)外水壓力作用于引水隧洞時，襯砌管片呈現出向內收縮的變形趨勢，襯砌管片內部環向壓力大于外部環向壓力，拱底處襯砌接頭表現出應力集中的現象。拱底處襯砌內側的管片接頭位置，襯砌管片壓應力出現峰值，易被壓碎。外水壓力作用下螺栓損壞對襯砌管片和螺栓的影響有限。

(2)內水壓力作用于引水隧洞時，管片襯砌結構的變形主要為向外側變形，對于環向應力，主要以環形拉應力為主，不同位置螺栓的損壞導致管片內部較大拉應力的位置從中部偏移至遠離接縫位置，襯砌管片整體應力狀態變化不大。