接縫傾斜角度對水工隧道襯砌管片受力影響研究

劉登新

（長江水利水電開發集團（湖北）有限公司,湖北 武漢 430010）

0 引言

目前,我國經濟的快速發展伴隨產生了人口劇增、城市交通擁堵等問題,地鐵交通建設由此運營而生并得到了大力推廣。由于地鐵建設條件復雜,在開挖過程中盾構隧道的結構穩定性成了學者重要的研究課題之一。現有研究發現：Lee[1]等人結合實際工程項目,通過數值模擬方法,研究分析滲流力對水下隧道的襯砌結構穩定性的影響。胡志平[2]等人通過分析管片襯砌間、管片與土體間相互作用關系,建立模型,探究隧道開挖過程中襯砌隧道結構穩定性的變化規律。孫文昊[3]等人通過假設推導了隧道管片剛度的計算公式,考慮管片接頭的構造,研究分析不同工況下各個因素對襯砌管片剛度的影響。王建宇[4]采用模型試驗方法,研究分析不同圍巖滲透性對隧道襯砌施工過程中外水壓力的影響。陳俊生[5]等人以某地鐵工程項目為依托,采用有限元數值方法建立模型,以襯砌管片為主要研究對象,研究分析不同偏心距荷載作用下襯砌隧道管片接頭的剛度變化規律。張冬梅[6]等人考慮了襯砌隧道管片接頭的細部特征,建立力學模型,將管片間的作用力離散為近似的彈簧作用力,研究分析襯砌管片接頭剛度的變化規律。王彪[7]對上海某襯砌隧道進行原型加載試驗,以整環管片作為研究對象,研究不同荷載作用下襯砌隧道管片的力學特征。

綜合上述研究,本研究以實際隧道工程項目為依托,利用Abaqus有限元軟件建立襯砌隧道模型,考慮襯砌管片間相互作用,研究分析不同接縫傾斜角度對水工隧道襯砌管片受力的影響。

1 工程概況

襯砌管片的接縫平面與隧道軸線存在夾角形成錯縫,當接縫傾角發生變化時,襯砌管片的結構受力特性隨之改變,為了進一步研究分析接縫傾角對襯砌管片的影響。因此,本研究以浙江某地引水隧道建設工程項目為依托,隧道全長40 km,采用TBM施工方法,隧道開挖后需回填豆礫石,進行襯砌管片安裝作業,襯砌外圍巖和其他材料參數見表1、表2。

表1 圍巖材料參數

表2 襯砌材料參數

2 模型建立

本研究利用Abaqus有限元軟件,建立隧道模型,CQ-1～9指的是各環襯砌管片,見圖1。以CQ-1、CQ-2和CQ-3為例,其中A-F為管片,J1-J6為接縫處（如圖2所示）。模型中襯砌和豆礫石采用線彈性材料,螺栓采用理想線彈性材料,圍巖采用彈塑性材料,螺栓用桿單元模擬,其余材料使用八節點等參單元。考慮總推力為29.80 kN的千斤頂推力作用,在原有管片接縫傾角15°的基礎上分別增加0°、9°和18°作為三個工況,全面分析接縫傾斜角度對水工隧道襯砌管片受力的影響。

圖1 模型管片襯砌示意圖

圖2 模型CQ-1、CQ-2和CQ-3示意圖

3 模擬結果分析

3.1 管片變形與應力分析

由圖3襯砌管片縱應力與軸向位移云圖可知,當接縫傾角為0°時,即未改變傾角時,在軸向上管片位移變化分布均勻,且各個管片間變形獨立；當接縫傾角為9°時,在軸向上管片位移變化開始出現分布不均,在CQ-9環上尤為明顯,究其原因是由于千斤頂推理直接作用于CQ-9環上使得管片端部變形銳角處大于鈍角處；當接縫傾角為18°時,可以明顯發現管片的軸向位移分布不均勻性逐漸擴大。另外,當接縫傾角為0°時,襯砌管片接頭處位移在縱向和軸向上均保持一致,當管片接縫間存在傾角時,管片同時也獲得了一定的變形協調能力。通過觀察圖3 中（a）、（c）、（e）,發現其縱軸向位移最大值分別為-2.33 mm、-2.55 mm和-2.78 mm,隨著接角的增大管片位移最大值呈現出逐漸增大的趨勢。結合圖3（b）、（d）、（f）,可以發現當傾角為0°時,縱軸向上襯砌管片的壓應力大約在-7.0 MPa～-4.9 MPa,未出現明顯的應力集中現象；當傾角為9°時,應力集中現象明顯發生在管片環縱向接頭相交的部位,并且其壓應力最值大約為-12.7 MPa,然而此時管片壓應力主要分布區域與0°傾角的差異較小,其值約為-7.7 MPa～-4.6 MPa；當傾角為18°時,應力集中現象愈發明顯,其壓應力最值也隨之增大并達到-18.8 MPa,壓應力主要分布區域也處于-9.4 MPa～-4.6 MPa。因此,襯砌管片接縫傾角的增大會造成接頭受力不均,不利于整體結構穩定性。

圖3 襯砌管片縱應力與軸向位移云圖

通過觀察表3 可知,襯砌管片的徑向變形隨著接縫傾角的增大,徑向向外變形和向內變形最值逐漸增大,分別出現在底部管片和頂部管片的中央。結合襯砌管片主應力最值表,如表4 所示,可以發現,襯砌管片接縫傾角的增大會導致其主應力最值增大,并且使應力峰值出現位置發生改變,由環間接縫處逐漸向環縱向接頭相交處轉移；當傾角為18°時,管片第一主應力最值達到3.94 MPa,遠遠超過混凝土的抗拉強度（1.89 MPa）,發生局部拉裂破壞的可能性較大。

表3 襯砌管片徑向位移及位置

表4 襯砌管片徑向位移及位置

3.2 環間推力的傳遞規律

通過觀察環間接縫縱向力傳遞曲線圖,可以發現管片環間接縫面縱向力隨著與千斤頂距離的縮短而逐漸增大,而隨著接縫傾角的增大,縱向力的衰減逐漸加快,其中當接縫傾角為0°時縱向力減小最慢,接縫傾角為18°時縱向力減小最快。結合管片變形與應力的變化規律,可知接縫傾角的增大會導致管片襯砌向外變形,直接增加管片與豆礫石的摩擦力,進而導致環間縱向力下降較快。

圖4 環間接縫縱向力傳遞曲線圖

3.3 接縫合力變化規律

襯砌隧道掘進過程中,對于豆礫石已回填部分,隨著傾角的增大接縫面法向合力逐漸增大,以J4、J5、J6為例,當接縫傾角為0°時,其法向合力達到0.2 MN～0.3 MN；當接縫傾角為9°時,其法向合力達到0.25 MN～0.35 MN；當接縫傾角為18°時,其法向合力達到0.35 MN～0.45 MN。而對于未完成回填豆礫石作業的襯砌管片,接縫面法向合力變化規律同上,但其法向合力數值相對較小。對比同一環上各個法向合力,可以發現管片底部接縫法向合力最大,腰部次之,頂部接縫最小,見圖5～圖7。

圖5 環間接縫縱向力傳遞曲線圖

圖7 環間接縫縱向力傳遞曲線圖

圖6 環間接縫縱向力傳遞曲線圖

由圖5～圖7 中（b）也可以發現,尚未進行回填豆礫石的襯砌管片,對應的接縫切向合力浮動略大,而完成回填豆礫石作業的管片其接縫面切向合力與接縫傾角呈正相關關系,當接縫傾角增大時對應的接縫面切向合力逐漸增大,且隨著與千斤頂距離的增大而減小。當接縫傾角為0°時,管片的底部接縫面切向合力最小,而管片頂部和腰部接縫處的切向合力相對較大；當接縫傾角為9°和18°時,管片腰部接縫切向合力最小,而管片頂部和底部接縫處的切向合力相對較大。

4 結論

通過Abaqus有限元數值模擬軟件建立盾構隧道模型,研究分析接縫傾斜角度對水工隧道襯砌管片受力的影響,主要得到以下幾條結論：

（1）當接縫傾角為0°時,管片軸向位移變化均勻,當接縫傾角為9°和18°時,管片軸向位移變化開始不均勻,且接縫傾角越大,不均勻性尤為明顯；

（2）隨著接角的增大管片位移最大值呈現出逐漸增大的趨勢,傾角較小時未出現明顯的應力集中,當傾角為9°和18°時,應力集中現象出現在管片環縱向接頭相交的部位,不利于整體結構穩定性；

（3）襯砌管片的徑向變形隨著接縫傾角的增大,徑向向外變形和向內變形最值逐漸增大,當傾角為18°時,管片第一主應力最值遠遠超過混凝土的抗拉強度,發生局部拉裂破壞的可能性較大；

（4）管片環間接縫面縱向力隨著與千斤頂距離的縮短而逐漸增大,而隨著接縫傾角的增大,縱向力的衰減逐漸加快,其中當接縫傾角為0°時縱向力減小最慢,接縫傾角為18°時縱向力減小最快；

（5）接縫面的法向合力和切向合力與接縫傾角均呈正相關,當接縫傾角增大時對應的合力逐漸增大,且隨著與千斤頂距離的增大而減小。