水位變化對隧洞襯砌管片變形影響研究

趙玉軍

（酒泉市水利綜合事務中心,甘肅 酒泉 735000）

1 引言

隨著我國城市建設的快速發展,隧洞建設規模和里程也越來越長,隧洞形狀、地質條件也越來越復雜。實際工程中出現許多由于隧洞設計及施工不當導致的變形及開裂問題,帶來了嚴重的社會影響。其中隧洞在開挖過程中需要進行襯砌支護,但受多種因素的影響,襯砌管片容易發生變形和開裂,因此關于襯砌開裂的影響因素是目前國內外研究重點和難點。艾國平等[1]基于數值模擬研究了富水地層管片上浮計算方法。結果表明,較低的地下水壓力對抑制管片上浮具有積極影響,開挖過程中應合理控制管片注漿比。張志華等[2]基于離散元數值模擬研究了水位波動下地鐵行車荷載對越江隧洞管片變形的影響。結果表明,洪水位下管片的拉壓應力比正常水位下大4 倍,實際工程中應加強管片監測和維護。鄭中剛[3]采用數值模擬研究了富水地層泥水盾構管片上浮效應,給出了注漿參數對管片上浮的影響規律。方勇等[4]基于物理模型試驗研究了下穿黃河盾構隧洞管片襯砌結構受力特征,研究了水壓及土壓力對襯砌變形的影響,結果表明,正常水壓下,管片結構的軸力隨側壓力系數的增大而增大,彎矩減小。黃清飛[5]基于理論解析法研究了水位對盾構隧洞管片結構內力影響,推導了不同上覆條件下水位變化對襯砌管片的內力計算方法。本文基于現場監測數據和數值模擬詳細的分析水位變化對隧洞襯砌管片的變形影響。

2 工程概況及現場監測

2.1 工程概況

工程為城市內隧洞工程,隧洞位于軟土地層,隧洞區間穿越的巖層由上至下分別為素填土、淤泥質黏土、砂礫土、強風化泥質粉砂巖和中風化泥質粉砂巖。各層土體的厚度見圖1。隧洞最大埋深為26 m。本文研究隧洞區間主要處于中風化泥質粉砂巖地層。隧洞圍巖質量為Ⅲ級。

圖1 隧洞地層典型斷面圖

自2020年進入雨季以來,研究區出現強降雨,水位大幅上升并超出警戒線。水位上升一方面會導致隧洞積水,另一方面動靜水壓力可能會作用于襯砌管片結構,造成變形和開裂。

2.2 現場監測

根據研究區的水文地質和工程地質條件,考慮隧洞區間多處于中風化泥質粉砂巖,選取兩處典型斷面進行混凝土應變監測。應變計采用表面粘貼式混凝土應變計,可實時監測混凝土應變及應變差值等。應變計布置的位置主要有兩處斷面的的拱底、拱腰及拱頂處。

監測持續時長為4 個月。監測內容主要包括溫度、混凝土應變以及地下水位在監測周期內的變化情況。圖2 匯總得到研究區監測時段內水位變化過程。結果表明,研究區自7 月開始進入雨季,導致水位大幅上升,到7 月11 日,水位達到23.8 m。隨后,水位持續下降,到監測結束時,水位為16 m。

圖2 研究區監測期水位變化曲線

圖3 匯總得到監測時段內,襯砌管片6 個測點的應變變化規律。結果表明,在整個監測期間,應變保持比較穩定,但監測初始時期,應變值波動比較大,這主要是由于粘貼過程中對應變計產生一定的應力導致的。根據監測點應變與水位變化對比分析發現：

圖3 管片應變變化曲線

（1）管片應變值隨水位的增大而增大。強降雨后水位下降過程中拱底應變值隨水位的下降而減小。其中1#應變計由2880 降低至2800,降低了80；2#應變計由3050 降低至3000,累計降低50。

（2）水位進一步降低,3#應變計應變由從2540 增大至2600,4#應變計從2800 上升到2860。總體來看,水位降低會導致襯砌管片拱腰位置縱向處于受拉狀態。

（3）根據5#應變計和6#應變計的變化發現,5#和6#應變計應變減小,總體來看,水位降低會導致襯砌管片拱頂位置縱向處于受壓狀態。

3 數值模擬

3.1 計算參數

為進一步分析管片的變形規律,本文建立數值模型進行深入分析。模型整體尺寸為24 m×50 m×39 m。模型計算參數主要參考既有相關研究和工程經驗,結果匯總于表1。

表1 模型計算物理力學參數

3.2 計算結果

計算中將水位高度折算為水壓力作為均布荷載施加于模型頂部位置,最終獲得隧洞拱頂、拱底和拱腰位置處不同水位情況下隧洞縱向應力的變化情況,見圖4~圖6。其中應力為正表示受拉,負值為受壓。結果表明,隧洞拱底位置剪應力最大,此外,隧洞拱頂和拱底均處于受拉狀態,而拱腰處于受壓狀態。

圖4 拱底縱向應力變化曲線

圖5 拱腰縱向應力變化曲線

進一步分析計算結果發現,當水位由21 m 降低至16 m時。拱底區域A 環管片應力由870 kPa 降低至640 kPa,降低了26%。拱腰位置由560 kPa 降低至420 kPa,降低了25%。拱頂位置由290 kPa 降低至50 kPa,降低了83%；對于B 環管片而言,拱底區域應力由810 kPa 降低至610 kPa,降低了25%。拱腰位置由510 kPa 降低至390 kPa,降低了23%。拱頂位置由300 kPa 降低至80 kPa,降低了273%。因此,水位越高,隧洞管片縱向應力越大。此外,拱頂處應力的變化速率要遠遠大于拱底區域。這是由于隧洞頂部受水位的變化影響更大。另一方面由于水位的上升導致水的上浮力主要作用至拱底和拱腰位置,進一步可導致隧洞發生不均勻變形及下沉等工程問題。

4 結論

本文基于某水工隧洞工程，基于現場監測數據和數值模擬研究水位變化對襯砌管片的變形影響，得到如下結論：

（1）當水位變化時,隧洞拱底位置剪應力最大。此外,隧洞拱頂和拱底均處于受拉狀態,而拱腰處于受壓狀態。水位下降幅度越大,管片產生的作用力越大。

（2）隧洞拱頂受水位的波動比其他區域更大,其他條件相同的情況下,當水位由21 m 降低至16 m 時。拱底、拱腰和拱底位置處的應力均顯著降低,其中以拱底區域A 環管片應力為例,應力由870 kPa 降低至640 kPa,拱腰位置由560 kPa 降低至420 kPa,拱頂位置由290 kPa 降低至50 kPa。

（3）水位越高,隧洞管片縱向應力越大。由于隧洞頂部受水位的變化影響更大導致拱頂處應力的變化速率要遠遠大于拱底區域。

通過本文的研究,水位變化對隧洞襯砌管片的影響比較大。實際工程施工中,應充分考慮水位上升可能導致的管片變形和開裂,尤其是雨季施工中要做好降水措施,并進行相關的監測,出現問題及時排除和治理。