白 洋

(撫順市水利勘測設(shè)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(nóng)田水利的灌溉，水工隧道是水利建設(shè)中應(yīng)用較為廣泛的工程，對于水工隧洞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究是水工隧道正常使用的前提基礎(chǔ)，而襯砌管片結(jié)構(gòu)有直接影響著水工隧道結(jié)構(gòu)的安全性及穩(wěn)定性。

水工隧洞管片結(jié)構(gòu)主要施工方式為管片拼裝，不僅可以節(jié)約工期，還可以提高水工隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，目前，已經(jīng)有大量的專家學(xué)者在這方面取得了較為突出的成就：嚴(yán)長征等[1]對盾構(gòu)施工中通縫、錯縫管片建立地層彈簧模型，結(jié)合地鐵工程實際案例結(jié)構(gòu)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(shù)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(shù)值計算模型，對比分析了在使用期間內(nèi)，管片襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、接縫與螺桿應(yīng)力；佘成學(xué)等[4]對在高內(nèi)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(jié)構(gòu)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(gòu)隧道施工中的管片接頭位置處的內(nèi)力-變形狀況建立數(shù)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(nèi)水壓力作用下的應(yīng)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(jié)構(gòu)管片在各種作用力作用下建立三位數(shù)值分析模型，分析水工隧道襯砌結(jié)構(gòu)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(shù)值模型，分析了外水壓力和內(nèi)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(shè)計高程704.350m，出口設(shè)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(fēng)和運營期間檢修要求，根據(jù)地形地貌及地質(zhì)條件設(shè)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(nèi)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(yù)制混凝土。圍巖本構(gòu)選擇摩爾-庫倫模型。材料參數(shù)如下：密度為2650kg/m3、彈性模量為10.5GPa、泊松比為0.23、內(nèi)摩擦角為49°、黏聚力為1.1MPa。選擇八節(jié)點等參單元來模擬豆礫石和襯砌，本構(gòu)模型均選擇彈性模型。用桿單元模擬螺栓、本構(gòu)為理想彈塑性模型?；炷罜50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(shù)值結(jié)果分析

3.1 外水壓力作用下的隧洞襯砌管片響應(yīng)

3.1.1管片變形與應(yīng)力

圖2給出了外水壓力作用時隧洞襯砌的徑向位移和環(huán)向應(yīng)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(fā)生在拱頂處，峰值約為3.2mm，襯砌最小變形發(fā)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(yīng)力以壓應(yīng)力為主，管片內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力大于管片外側(cè)壓應(yīng)力，隧洞拱底處襯砌內(nèi)側(cè)的管片接頭處有應(yīng)力集中的現(xiàn)象，襯砌壓應(yīng)力的峰值約為25.2MPa。

圖2 隧洞襯砌的徑向位移和環(huán)向應(yīng)力云圖

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

圖3 隧洞襯砌的第1主應(yīng)力和第3主應(yīng)力云圖

3.1.2環(huán)向螺栓應(yīng)力

表1列出了襯砌CQ- 2環(huán)接縫的壓力。從表中可以看出，各接觸近接襯砌內(nèi)側(cè)部位的壓力比近接襯砌外側(cè)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(huán)向螺栓壓力主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力，壓應(yīng)力范圍從-80MPa到-40MPa，接縫JF2和JF5位置的前后環(huán)向螺栓壓力基本相等，但是其余接縫的前后螺栓應(yīng)力相差較大。

表1 襯砌CQ- 2環(huán)環(huán)向螺栓應(yīng)力 單位:MPa

3.1.3局部接縫無環(huán)向螺栓對襯砌結(jié)構(gòu)受力影響

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

表2列出了襯砌管片發(fā)生徑向位移峰值的位置和對應(yīng)的峰值大小。圖4給出了JF1、JF2、JF3位置處環(huán)向螺栓損壞和環(huán)向螺栓全部正常時的環(huán)向應(yīng)力云圖。從表2可以看出，與環(huán)向螺栓全部處于正常狀態(tài)相比，JF1、JF2、JF3位置處環(huán)向螺栓損壞時，襯砌管片徑向位移峰值與其發(fā)生的位置與正常狀態(tài)下的情況一致。從圖4可以看出，JF1、JF2、JF3位置處環(huán)向螺栓損壞下襯砌管片環(huán)向應(yīng)力分布規(guī)律也與正常狀態(tài)下的應(yīng)力分布規(guī)律基本一致?？梢姡琂F1、JF2、JF3位置處環(huán)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(yīng)的位置

圖4 各工況的環(huán)向應(yīng)力云圖

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

表3 CQ- 2環(huán)螺栓應(yīng)力

3.2 內(nèi)水壓力作用下的隧洞襯砌管片響應(yīng)

3.2.1管片變形與應(yīng)力

圖5給出了內(nèi)水壓力作用時隧洞襯砌的徑向位移和環(huán)向應(yīng)力云圖。如圖5(a)所示，由于管片受到的是內(nèi)水壓力作用，主要變形表現(xiàn)為沿徑向向外變形，體現(xiàn)為從頂部到底部逐漸遞減的變化趨勢。頂部在內(nèi)水壓力作用下變形最大，最大值約為0.72mm，底部在內(nèi)水壓力作用下變形較小，尤其是底部兩側(cè)接縫處的變形最小，最小值約為0.46mm，管片整體上在內(nèi)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(huán)向受到的應(yīng)力為拉應(yīng)力，且拉應(yīng)力沿著環(huán)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(yīng)力值最大，最大值為2.45MPa，由于混凝土的標(biāo)準(zhǔn)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(huán)向應(yīng)力云圖

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

圖6 隧洞襯砌的第1主應(yīng)力和第3主應(yīng)力云圖

3.2.2環(huán)向螺栓應(yīng)力

表4列出了襯砌CQ- 2環(huán)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(yīng)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(yīng)力為例，JF1和JF6、JF3和JF4的應(yīng)力不均勻程度比JF2和JF5的不均勻程度大。

表4 襯砌CQ- 2環(huán)環(huán)向螺栓應(yīng)力 單位：MPa

3.2.3局部接縫無環(huán)向螺栓對襯砌結(jié)構(gòu)受力影響

本節(jié)研究內(nèi)水壓力作用下JF1、JF2、JF3位置處環(huán)向螺栓損壞對隧洞襯砌的影響。表5列出了襯砌管片發(fā)生徑向位移峰值的位置和對應(yīng)的峰值大小。圖5給出了JF1、JF2、JF3位置處環(huán)向螺栓損壞和環(huán)向螺栓全部正常時的環(huán)向應(yīng)力云圖。從表5可以看出，與環(huán)向螺栓全部處于正常狀態(tài)相比，內(nèi)水壓力作用下JF1、JF2、JF3位置處環(huán)向螺栓損壞時，襯砌管片徑向位移峰值與其發(fā)生的位置與正常狀態(tài)下的情況一致。從圖5可以看出，螺栓均處于正常狀態(tài)時，管片內(nèi)部中間位置應(yīng)力更大。當(dāng)JF1螺栓損壞時，管片B上半部分的拉應(yīng)力較大，管片C的環(huán)向應(yīng)力在凹槽位置有較為顯著的提升；當(dāng)JF2螺栓損壞時，管片B較大拉應(yīng)力的位置呈向下偏移趨勢，同時管片C較大拉應(yīng)力的位置呈向上偏移趨勢；當(dāng)JF3螺栓損壞時管片C較大拉應(yīng)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(dǎo)致管片內(nèi)部發(fā)生較大拉應(yīng)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(yīng)力狀態(tài)變化不大。

表5 襯砌管片徑向位移峰值及對應(yīng)的位置

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

圖7 各工況的環(huán)向應(yīng)力云圖

表6 CQ- 2環(huán)螺栓應(yīng)力 單位：MPa

4 結(jié)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(shù)值模型，分析了外水和內(nèi)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(jié)論：

(1)外水壓力作用于引水隧洞時，襯砌管片呈現(xiàn)出向內(nèi)收縮的變形趨勢，襯砌管片內(nèi)部環(huán)向壓力大于外部環(huán)向壓力，拱底處襯砌接頭表現(xiàn)出應(yīng)力集中的現(xiàn)象。拱底處襯砌內(nèi)側(cè)的管片接頭位置，襯砌管片壓應(yīng)力出現(xiàn)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(nèi)水壓力作用于引水隧洞時，管片襯砌結(jié)構(gòu)的變形主要為向外側(cè)變形，對于環(huán)向應(yīng)力，主要以環(huán)形拉應(yīng)力為主，不同位置螺栓的損壞導(dǎo)致管片內(nèi)部較大拉應(yīng)力的位置從中部偏移至遠離接縫位置，襯砌管片整體應(yīng)力狀態(tài)變化不大。