壁后空洞對電力隧道長期受力變形的影響規律

李 靖 何明鋒 李文武 陳 暉

(1.金華供電公司，浙江 金華 321000； 2.金華電力設計院，浙江 金華 321000； 3.金華電力設計院送電所，浙江 金華 321000)

·橋梁·隧道·

壁后空洞對電力隧道長期受力變形的影響規律

李 靖1何明鋒2李文武3陳 暉3

(1.金華供電公司，浙江 金華 321000； 2.金華電力設計院，浙江 金華 321000； 3.金華電力設計院送電所，浙江 金華 321000)

為研究軟巖隧道在空洞存在情況下管片的長期受力變形特性,采用有限元數值模擬的方法，研究管片壁后空洞對管片內力和變形在全壽命階段的影響規律,并與無空洞工況模擬結果作了對比，得出了空洞對所在區域附近剪切應變和水平位移產生較大影響，在全壽命階段對管片彎矩影響較大的結論。

壁后空洞，軟巖隧道，有限元，穩定性

0 引言

近年來，高速公路帶動大量的隧道及隧道群出現，另外，電纜隧道等城市市政工程建設也更多地開始利用城市地下空間，施工中越來越頻繁地涉及到軟巖隧道工程。但隧道受施工運營中各種問題影響，難免會出現各種不同程度的損害，管片壁后空洞是最典型最常見的病害形式。

當軟巖隧道管片壁后出現空洞時，管片的受力出現了惡化，在空洞周圍形成局部的應力集中，同時，圍巖應力狀態也會發生改變。若管片壁后空洞較大，在長期使用過程中，空洞在圍巖蠕變作用下，可能會產生進一步的失穩破壞，甚至導致隧道塌方。因此有必要分析空洞對管片結構力學性能的影響。

目前國內空洞下管片安全性評估計算，普遍采用荷載—結構模型與安全系數的方法，但荷載—結構模型存在簡化計算，忽略圍巖本身蠕變特性的問題。所以本文采用地層—結構模型和管片應力的方法更直觀地去討論壁后空洞對軟巖隧道長期穩定性的影響。分析比較不同工況、不同空洞分布及大小的情況下壁后空洞對軟巖隧道全壽命周期不同階段的穩定性影響。

1 數值模擬方法及本構

1.1 數值模擬方法

有限元法、邊界元法、有限差分法、離散元法、不連續變形分析法是當今巖土工程領域結構分析中最為常用的數值方法。對于軟巖則需要采用有限元法、邊界元法、有限差分法等適用于連續介質的數值計算方法。本研究采用其中最為常用的有限元法，有限元軟件可基于Biot耦合理論，計算二維問題，適用于本文隧道壁后空洞問題的研究。

圍巖結構的荷載主要是由圍巖體的重力和原巖體的構造壓力兩部分組成。對于城市市政工程中的淺埋隧道，水平壓力通常很小，覆土重力起主要控制因素，所以可以使用自重應力場來確定垂直壓力和水平壓力。本文研究隧道的類型即為淺埋頂管隧道，通過在自重應力場基礎上，施加豎向地應力來模擬軟巖的上層覆土及地面上構筑物的壓力。

為研究軟巖中壁后空洞對隧道圍巖及隧道管片內力分布的影響，本論文在軟巖隧道拱腰處設置空洞，并與無空洞工況結果作對比，分析兩種工況下隧道應力應變和軸力彎矩隨時間的變化。

1.2 軟巖本構模型

軟巖在我國分布極廣，工程性質明顯不同于硬質巖石和軟弱土體，國內外許多學者都對當地的軟巖進行了實驗研究[1-5]，得到了軟巖的物理力學特性。本研究采用粘彈塑性本構模型。該模型考慮了一般應力路徑下應力應變特性和流變特性[6]，模型參數較少，適用于之后軟巖隧道長期穩定性的數值模擬分析。

本文建立的有限元模型與背景工程相對應，軟巖本構模型所涉及的各項參數通過采集原裝巖樣進行室內試驗來確定，管片材料選用與工程設計相同的材料。巖層的初始總應力場定為重力場加0.1 MPa的地層豎向應力，靜止土壓力系數取0.8。圍巖的參數以及管片參數如表1,表2所示。

表1 圍巖材料參數

表2 管片材料參數

為驗證有限元模型可靠度，將有限元法與工程設計分別計算得到的軸力彎矩作對比。圖1,圖2是有限元模型與工程設計分別計算得到的軸力和彎矩對比圖。

可以看到兩者的管片軸力和彎矩分布模式基本相同，證實了有限元模型參數的可信度及有限元分析方法的可靠度。

2 有限元模型

圖3為背后空洞的軟巖隧道有限元模型，模型寬41 m，高18 m，中間為頂管隧道部分，頂管外徑3.54 m。模型底部施加豎直約束，兩側施加水平約束，土體單元均采用四邊形實體單元，隧道結構采用彈塑性梁單元，模型包括1 244個單元，1 308個節點。底部及兩個側邊為非排水邊界，地面排水，地層中初始孔隙水壓力為靜水壓力。

為說明軟巖地層中壁后空洞對隧道長期穩定性的影響，空洞出現在第二個計算步中，即頂管施工階段。如表3所示，對軟巖隧道分別進行有、無空洞兩種工況對比分析。有限元模擬一共分為6個計算步。具體的計算步及所對應的施工內容如表4所示。

表3 工況表

表4 有空洞情況下頂管開挖計算步

3 計算結果分析

圖4,圖5是兩個工況下隧道建成后圍巖的最大主應力云圖、剪切應變圖，上圖為存在側腰空洞時隧道圍巖的應力情況，下圖為沒有空洞時隧道圍巖的應力情況。

從圖4可以看出兩種工況對圍巖整體應力值影響不大，僅在圖5剪切應力圖中可以看到拱腰處有空洞情況下，空洞一側的圍巖剪切應變要高于無空洞情況下相同位置的剪切應變，但是圖中都可以看到空洞的存在會導致空洞周圍有限的區域內發生應力集中現象，將空洞位置放大后如圖6所示。類似的結果在圖7的位移云圖中也可以看到，整體圍巖位移基本不受空洞影響，僅在空洞附近位移大小有所差別，圍巖最大水平位移出現在隧道與空洞的夾角位置，因為這里的圍巖受到隧道側向變形擠壓最明顯。開挖結束，有空洞情況下最大水平位移是-0.70 mm，最大豎向位移是-2.14 mm，無空洞情況下最大水平位移是-0.56 mm，最大豎向位移是-2.06 mm。

圖8是兩個工況下隧道管片的彎矩圖。從圖8可以看到，空洞的出現對隧道管片彎矩的影響還是比較明顯的，對空洞附近的變化最明顯，空洞影響一直延伸到拱頂附近。另外，從圖8中可以看出，軸力值隨時間變化，空洞影響越來越小，而空洞對彎矩影響始終存在。

4 結語

1)通過有限元計算結果和設計值對比，本研究所采用的下負荷面粘彈塑性本構模型，能較為準確的表述軟巖層的受力特性，對于模擬研究軟巖隧道工程中圍巖在各種工況下力學參數變化特性有較強的適用性。

2)在全壽命周期中，壁后空洞對于圍巖整體的應力分布和位移場影響較小，但空洞會使所在區域附近產生應力集中，產生較大的剪切應變和水平位移。

3)空洞對隧道管片彎矩影響較大，且影響范圍從拱腰延伸至拱頂，而且對管片彎矩的影響持續整個壽命周期。

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The influence law of post wall cavity to power tunnel long stress and deformation

Li Jing1He Mingfeng2Li Wenwu3Chen Hui3

(1.JinhuaPowerSupplyCompany,Jinhua321000,China;2.JinhuaElectricPowerDesignInstitute,Jinhua321000,China;3.PowerTransmissionOffice,JinhuaElectricPowerDesignInstitute,Jinhua321000,China)

In order to research the segment long stress and deformation characteristics of soft rock tunnel in cavity presence, using the finite element numerical simulation method, this paper researched the influence law of segment post wall cavity to segment internal force and deformation in whole life stage, and compared with no cavity condition simulation results, obtained on the cavity to near area shear strain and horizontal impaction had greater impact, had greater influence to segment bending moment in whole life stage.

post wall cavity, soft rock tunnel, finite element, stability

1009-6825(2017)01-0168-03

2016-10-25

李 靖(1983- )，男，高級工程師； 何明鋒(1979- )，男，高級工程師； 李文武(1976- )，男，高級工程師； 陳 暉(1979- )，男，高級工程師

U459.9

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