水工隧洞鋼筋混凝土襯砌開裂特性分析

周長旭，管淑濤，宋厚源，左 勇

(平陰縣水務局，濟南 250400)

1 概 述

隨著經(jīng)濟快速發(fā)展和運輸行業(yè)的要求，國內(nèi)的公路、鐵路公里數(shù)和分布越來越發(fā)達，中西部等山區(qū)、高原地帶也逐漸被普及開發(fā)，這種高速發(fā)展離不開隧道工程。然而，由于隧道多存在于地質(zhì)、地貌復雜地區(qū)，研究在復雜條件下隧道的受力特性和穩(wěn)定性分析問題一直是工程中的重點和難點。

李術(shù)才[1]為研究在高風險地區(qū)隧道發(fā)生地質(zhì)災害的情況，針對熔巖地區(qū)的隧道施工，提出了一套具有4種機制復合的隧道預警系統(tǒng)。王夢恕[2]針對我國隧洞工程現(xiàn)狀，分析了不同的設計理論和方法優(yōu)劣性，指出隧洞地下工程的設計和施工更經(jīng)濟、高效的發(fā)展方向。為研究既有隧道工程受鄰近建筑物施工的影響和防治手段，高廣運[3]以上海某臨近隧道的地基工程為背景，利用FLCA有限元軟件建立既有隧道-基坑仿真模型，并利用工程檢測數(shù)據(jù)對該模型進行了證實，結(jié)果表明有效控制臨近既有隧道變形的方法是對地下連續(xù)墻進行逆筑施工和二次加固。楊微[4]研究了鉆爆法技術(shù)在復雜地質(zhì)中的應用，分析在此條件下的重點和難點，優(yōu)化了爆破參數(shù)和爆破工藝。李亞光[5]針對城市軌道交通隧道防水問題進行了研究，并根據(jù)現(xiàn)有方法提出一系列相關(guān)措施，包括管片防水、洞門防水和吊裝孔等防水措施。

數(shù)值模擬也是研究隧道工程受力特征和變形破壞的有效工具。周宴民[6]利用Midas軟件建立了下伏采空區(qū)隧道模型，對隧道與下伏采空區(qū)之間的垂直臨界高度進行了預測。王鐵民[7]利用FLAC軟件針對實際隧道路段進行了數(shù)值仿真試驗，對隧道位移和應力應變關(guān)系進行了詳細研究。

本文為研究周圍裂縫對鋼筋混凝土隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力特征的影響，基于隧道襯砌有限元模型，對拱頂、拱肩、中墻和墻角不同位置處的裂縫類型和深度進行正交數(shù)值試驗，對右拱腰、右中墻、右墻角和仰拱位置處的彎矩、內(nèi)力大小和分布特征進行分析。

2 計算模型

2.1 材料參數(shù)

基于某地工程實例，利用有限元軟件，建立存在區(qū)間裂縫的隧道模型。該工程利用礦山法和盾構(gòu)法復合施工，隧道埋深30 m。根據(jù)勘察報告，該地屬于熔巖地帶，圍巖條件為Ⅴ級，按照實際工程情況查閱相關(guān)規(guī)范和文獻，圍巖彈性系數(shù)取31.5 MPa/m且不承受拉力[8-9]。隧道類型屬于區(qū)間隧道，襯砌厚40 cm的C35素混凝土。混凝土重度為24.8 kN/m3，泊松比為0.2，彈性模量為31.4 GPa。

2.2 圍巖壓力

依據(jù)荷載等效高度、施工方式以及地質(zhì)條件等因素判斷深淺埋隧道的臨界深度。臨界深度可通過下式計算[10]:

Hp=(2.0～2.5)hq

(1)

其中：Hp為深淺埋隧道之間的臨界深度；hq為荷載的等效高度。

hq可通過下式計算：

(2)

式中：q為均布荷載壓力，kN/m2；γ為圍巖重度，kN/m3。

由于該地質(zhì)條件圍巖為Ⅴ級，根據(jù)式(1)、式(2)可計算出圍巖豎向壓力q豎向為138.25 kPa,水平壓力q水平為55.75 kPa。

2.3 模型尺寸

圖1為該隧道支護斷面圖。隧道襯砌半徑為2 600 mm，設置半徑3 975 mm的圓弧模擬仰拱結(jié)構(gòu)，分布角度為42°。此外，隧道墻角分布角度設為27°，圓弧半徑5 150 mm。

圖1 隧道襯砌斷面圖

為了在保證計算精度的前提下兼顧計算效率，有限元隧道襯砌模型采用平面應變模型，四周邊界條件設為法向固定，在拱頂、拱肩、中墻和墻角位置處網(wǎng)格進行局部加密處理，共劃分出15 634個有限元單元，每個單元應力節(jié)點為15應力節(jié)點。

本文基于隧道襯砌有限元模型，對拱頂、拱肩、中墻和墻角不同位置處的裂縫類型和深度進行正交數(shù)值試驗，分析了裂縫寬度對典型襯砌結(jié)構(gòu)受力特征的影響。

3 結(jié)果分析

3.1 拱頂裂縫寬度的影響

圖2為在隧道襯砌結(jié)構(gòu)中內(nèi)力隨拱頂裂縫寬度的變化情況，裂縫寬度設置為5、10、15、20、25和30 mm共6種工況。

圖2 襯砌結(jié)構(gòu)彎矩和剪力隨拱頂裂縫寬度變化

圖2(a)為彎矩在不同裂縫寬度時的變化規(guī)律。從圖2(a)可以看出，彎矩變化主要在拱頂裂縫寬度10 mm以內(nèi)，裂縫寬度為0～10 mm時，單元結(jié)構(gòu)受力最為明顯。其中，仰拱的彎矩數(shù)值最大，且隨著裂縫寬度的增加呈現(xiàn)下降趨勢，右中墻和右拱腰處的彎矩數(shù)值大小變化規(guī)律非常接近，右墻角處彎矩最小，變化趨勢也呈現(xiàn)出先增后穩(wěn)。此外，從彎矩方向而言，隨著裂縫寬度的發(fā)展，4個位置處彎矩均未發(fā)生方向上的改變，而仰拱位置處的彎矩為正，表現(xiàn)為內(nèi)部受拉，與其他3個位置處的彎矩方向相反。

圖2(b)為剪力在不同裂縫寬度時的變化規(guī)律。從圖2(b)中可以看出，隨著拱頂裂縫寬度的逐漸發(fā)展，隧道襯砌結(jié)構(gòu)剪力也隨之改變，且呈現(xiàn)出與彎矩變化相似的規(guī)律。在拱頂裂縫寬度5～10 mm范圍內(nèi)，右拱腰、右中墻、右拱腳和仰拱4個位置處剪力數(shù)值都隨裂縫寬度增大發(fā)生急劇升高，但絕對值變小，由初始的200 kN逐漸演變至0附近，且期間在右拱腳位置處的剪力方向發(fā)生改變。而在裂縫寬度至10 mm之后，剪力數(shù)值趨近平穩(wěn)，并未出現(xiàn)明顯變化。

3.2 拱肩裂縫寬度的影響

圖3為在隧道襯砌結(jié)構(gòu)中內(nèi)力隨拱肩裂縫寬度的變化情況，裂縫寬度設置為5、10、15、20、25和30 mm共6種工況。

圖3(a)為彎矩在不同裂縫寬度時的變化規(guī)律。從圖3(a)中可以看出，右拱腰、右中墻、右墻角和仰拱4個位置處的彎矩隨拱肩裂縫寬度變化并不明顯，呈現(xiàn)直線，數(shù)值大小呈現(xiàn)出上文規(guī)律，仰拱彎矩最大，然后依次是右中墻、右拱腰，彎矩數(shù)值最小的是右墻角。

圖3(b)為剪力在不同裂縫寬度時的變化規(guī)律。從圖3(b)中可以看出，隨著拱頂裂縫寬度的逐漸發(fā)展，與彎矩基本穩(wěn)定不同，隧道襯砌結(jié)構(gòu)剪力也隨之改變，且變化范圍為裂縫寬度5～10 mm區(qū)間，當裂縫寬度大于10 mm之后，剪力數(shù)值基本穩(wěn)定不再發(fā)生變化。此外，觀察剪力穩(wěn)定之后的數(shù)值發(fā)現(xiàn)，右拱腳位置處的剪力數(shù)值遠大于另外3種，且一直較為穩(wěn)定，未發(fā)生突減。

圖3 襯砌結(jié)構(gòu)彎矩和剪力隨拱肩裂縫寬度變化

3.3 中墻裂縫寬度的影響

圖4為在隧道襯砌結(jié)構(gòu)中內(nèi)力隨中墻裂縫寬度的變化情況，裂縫寬度設置為5、10、15、20、25和30 mm共6種工況。

圖4(a)為彎矩在不同裂縫寬度時的變化規(guī)律。從圖4(a)中可以看出，右拱腰、右中墻、右墻角和仰拱4個位置處的彎矩相對于前兩種裂縫而言，受中墻裂縫寬度的影響最為顯著。其中，又以右墻角位置處的彎矩變化最為明顯，中墻裂縫為5 mm時，彎矩為-158.6 kN·m；當裂縫為10 mm時，彎矩為22.3 kN·m，兩者相差170 158.6 kN·m。而其他3個位置處彎矩亦發(fā)生較大改變，從裂縫5 mm對應的-130 kN·m左右變化至0附近，且在裂縫到達10 mm之后趨于穩(wěn)定。這可能是由于中墻裂縫導致了結(jié)構(gòu)應力重新分布，致使彎矩發(fā)生較大改變。

圖4(b)為剪力在不同裂縫寬度時的變化規(guī)律。從圖4(b)中可以看出，4個位置處剪力變化在裂縫深度發(fā)展至10 mm之后逐漸趨于穩(wěn)定，在裂縫10 mm之前出現(xiàn)較大變化，變化幅度為40～60 kN。裂縫5 mm時，最大剪力出現(xiàn)在仰拱位置處；裂縫10 mm時，最大剪力位置發(fā)生轉(zhuǎn)移，出現(xiàn)在右拱腳位置處。并且在這期間，4個位置處的剪力正負號均發(fā)生改變。

圖4 襯砌結(jié)構(gòu)彎矩和剪力隨中墻裂縫寬度變化

3.4 墻角裂縫寬度的影響

圖5為在隧道襯砌結(jié)構(gòu)中內(nèi)力隨墻角裂縫寬度的變化情況，裂縫寬度設置為5、10、15、20、25和30 mm共6種工況。

圖5(a)為彎矩在不同裂縫寬度時的變化規(guī)律。從圖5(a)中可以看出，墻角裂縫的改變對隧洞襯砌結(jié)構(gòu)彎矩并無明顯變化，右拱腰、右中墻、右墻角和仰拱位置處的彎矩隨裂縫寬度變化曲線均為直線，且仰拱位置處彎矩為正，內(nèi)側(cè)受拉，其他3個位置處彎矩為負，內(nèi)側(cè)受壓。

圖5(b)為剪力在不同墻角裂縫寬度時的變化規(guī)律。從圖5(b)中可以看出，墻角裂縫對4個位置處的剪力影響較大，其中右墻角位置處的變化最為明顯。墻角裂縫5 mm時，右墻角剪力為-158.4 kN，其他3個位置處的剪力為-130 kN左右；當墻角裂縫發(fā)展至10 mm時，右墻角剪力變化至25 kN，其他3個位置剪力變化路線和數(shù)值大小仍較為接近，為0附近；當裂縫由10 mm逐漸擴大發(fā)展時，剪力變化不明顯。

圖5 襯砌結(jié)構(gòu)彎矩和剪力隨墻角裂縫寬度變化

4 結(jié) 論

為研究周圍裂縫對隧道結(jié)構(gòu)受力特征的影響，本文基于隧道襯砌有限元模型，對拱頂、拱肩、中墻和墻角不同位置處的裂縫類型和深度進行正交數(shù)值試驗，主要結(jié)論如下：

1)4種裂縫類型對隧洞襯砌結(jié)構(gòu)彎矩和剪力的影響主要發(fā)生在裂縫寬度為10 mm以內(nèi)，裂縫發(fā)展至10 mm以上時，隧洞結(jié)構(gòu)各位置處的彎矩和剪力變化不明顯。

2)4種裂縫類型對隧洞襯砌結(jié)構(gòu)彎矩影響最大的是中墻裂縫，墻角裂縫拱肩裂縫對結(jié)構(gòu)彎矩影響不明顯。

3)對結(jié)構(gòu)剪力影響最大的裂縫類型為拱肩裂縫和墻角裂縫，并且在4種裂縫發(fā)展至10 mm以上時，除右墻角位置處，其他3處剪力都接近于0。