襯砌減薄位置對輸水隧洞結構安全性影響的數值模擬研究

李 蘭

(塔城地區庫魯斯臺草原生態修復工程建設管理局，新疆 塔城 834700)

隨著政府在水利工程建設領域投資力度的不斷加大，近年來新建水利工程的數量迅速增多，部分工程的規模也日漸擴大。在水利工程建設中，地下洞室工程是重要的組成部分[1]。地下洞室工程的地質環境往往比較復雜，因而對建設技術提出了更高的要求[2]。雖然我國的水工隧洞施工技術日漸成熟，但是這些工程在建設和使用期間仍存在襯砌裂縫、開裂、管片結構破損等諸多病害問題[3]。由此可見，預防和治理水工隧洞的病害，是目前水利工程建設中亟待解決的問題。關于水工隧洞病害的研究顯示，施工中的襯砌缺陷是病害產生的主要原因，而襯砌厚度不足又是水工隧洞施工中最常見的缺陷形式[4]。顯然，隧洞襯砌結構的減薄處是隧洞結構的薄弱點，在內水壓力和外力的綜合作用下，極易誘發一系列的結構病害，并對水工隧洞的安全性造成嚴重影響[5]。鑒于襯砌減薄對地下洞室結構安全的重要影響，學者在相關研究領域進行了深入探索。王華牢等[6]運用有限元模型研究了襯砌厚度不足對不同級別圍巖的襯砌結構內力與安全系數，認為襯砌厚度不足會造成缺陷部位結構安全系數的減小；趙東平等[7]以實際工程為背景，研究了隧洞襯砌厚度不足的結構安全系數變化規律及裂縫的分布形式。但是，以往的研究沒有針對不同減薄位置對結構受力與變形特征的影響。基于此，本文以數值模擬的方法來研究襯砌減薄位置對輸水隧洞結構安全性影響，以期為地下洞室工程襯砌厚度不足的風險評價與管控提供理論和技術支持。

1 數值模擬模型的構建

1.1 模擬方法的選擇

鑒于傳統有限元方法在處理移動邊界問題以及靜態不連續問題方面的能力有一定的欠缺，美國西北大學教授Belytschko于1999年提出了基于最小重構網格的有限元法，以實現對彈性裂紋擴展的有效模擬[8]。在不斷完善的基礎上，Daux等引入了連接函數，最終定義了擴展有限元法[9]。該方法作為非連續體變形計算領域的新方法，在處理和計算各種結構斷裂問題方面具有顯著優勢，因此得到了廣泛的應用[10]。因此，本文利用已經引入擴展有限元分析法的Abaqus軟件進行建模，進行襯砌減薄位置對輸水隧洞結構安全性影響的數值模擬研究。

1.2 模型的建立

研究的工程背景為某輸水工程Ⅴ級圍巖洞段，該段隧洞為馬蹄型斷面，斷面尺寸為4.2m×4.0m。根據相關研究成果，地下洞室工程在施作二襯之后，初支結構承擔的圍巖荷載將大幅減少，并主要由二襯結構承擔襯砌荷載與圍巖壓力[11]。因此，研究中將初支和二襯結構視為一個整體，厚度取0.6m。結合相關研究成果，模型的邊界范圍按照洞徑的5倍跨度計算，水平方向和豎直方向均為60m，洞軸線方向為6m[12]。以洞軸線指向下游的方向為Y軸的正方向；以垂直于Y軸指向左側的方向為X軸正方向；以豎直向上的方向為Z軸的正方向。對模型的四周施加水平位移約束，模型的底部施加豎向和水平位移約束，模型的頂部設置為自由邊界條件，同時施加0.85MPa的等效圍巖荷載[13]。模擬計算過程中圍巖巖體采用M-C本構模型；襯砌混凝土采用線彈性模型。對襯砌結構采用CPE4R線性四邊形單元模擬，圍巖結構采用CPE4R線性四邊形單元和CPE3線性三角形單元模擬，對襯砌周邊區域進行網格加密處理[14]。整個模型劃分為15603個網格單元，16576個計算節點，網格劃分示意圖如圖1所示。

圖1 模型網格劃分示意圖

圍巖與襯砌的物理力學參數結合相關研究成果和工程現場采樣試驗來獲取，具體數值見表1。

表1 材料的物理力學參數

1.3 計算方案

為了獲得隧洞襯砌在不同位置上的厚度不足對襯砌位移和裂縫參數的影響，共設置6組計算方案，其中方案1為無缺陷襯砌方案，是其余各組的對照，方案2—方案6分別在拱頂、拱肩、拱腰、邊墻及仰拱部位存在襯砌厚度不足，減薄范圍為22.5°，減薄深度為20cm。

2 計算結果與分析

2.1 襯砌變形的計算結果與分析

利用上節構建的模型，對不同計算方案下的隧洞襯砌位移進行計算，結果見表2。由表2中的數據可知，襯砌薄減部位位于拱頂時，該部位的豎向位移變形量最大，與襯砌無缺陷的方案1相比，增加了約5%；襯砌薄減部位位于邊墻時，邊墻的水平位移變形量最大，與襯砌無缺陷的方案1相比，增加了約6%；在其余方案中，由于襯砌結構為典型的非對稱結構，有缺陷的左側邊墻水平位移較右側邊墻大。因此，襯砌薄減部位位于拱頂或邊墻部位時，分別對隧道的沉降位移和水平位移影響較大，但是影響度在10%以內，并不顯著。

表2 各方案下襯砌最終變形量 單位：mm

2.2 襯砌裂損狀態的計算結果與分析

為了分析薄減對隧洞襯砌裂損狀態的影響特點，研究中利用構建的模型對不同計算方案下的襯砌裂縫的相關參數進行計算，并根據計算結果繪制出如圖2—7所示的不同計算方案下的裂損荷載及裂縫參數結果。由圖2—7可知，各個方案下襯砌裂縫出現的位置基本相同，主要分布在襯砌的仰拱、拱頂以及邊墻部位。從裂縫出現的順序來看，首先是仰拱，然后是拱頂，最后是兩側邊墻。不同方案下的額裂縫數量有所不同，方案2和方案3的裂縫數量最多，都是7條，同時仰拱部位的裂縫發展快、深度大，對襯砌安全會造成較大影響。在非對稱襯砌結構的方案3、方案4和方案5下，兩側裂縫出現的位置和順序稍有區別，一般是存在缺陷的一側裂縫出現較早，同時位置分布也呈現出不對稱的特點。此外，在襯砌存在缺陷的各個方案下，襯砌的首條裂縫出現時的荷載小于方案1，同時裂縫的平均深度較大，這也從側面說明襯砌減薄會加劇隧洞襯砌結構的裂損。

圖2 方案1裂損荷載及裂縫參數

圖3 方案2裂損荷載及裂縫參數

圖4 方案3裂損荷載及裂縫參數

圖5 方案4裂損荷載及裂縫參數

圖6 方案5裂損荷載及裂縫參數

圖7 方案6裂損荷載及裂縫參數

2.3 襯砌裂縫發展規律

為了進一步研究不同方案下襯砌裂縫發展變化規律，選取6個計算方案中都存在的仰拱與拱頂裂縫以及邊墻部位最先出現的裂縫作為對比研究對象，統計其出現時的荷載以及初始和最終面積，結果如圖8—11所示。由圖8—11可知，襯砌的薄減缺陷會加快襯砌各部位裂縫的出現，原因是上述缺陷的存在會降低整個襯砌結構的承載力；無論隧洞襯砌是否存在薄減缺陷或薄減缺陷出現在襯砌的什么位置，最先出現裂縫的是襯砌的仰拱部位，同時該部位的裂縫發展快、面積大，且在方案2條件下的裂縫面積最大。襯砌結構為對稱狀態時，左右兩側邊墻的裂縫在特征量上具有相似性；而襯砌結構不對稱時，缺陷一側較早出現裂縫，同時裂縫的面積較大，但是差距并不明顯。

圖8 仰拱裂縫發展特征

圖9 拱頂裂縫發展特征

圖10 左邊墻裂縫發展特征

圖11 右邊墻裂縫發展特征

3 結論

地下洞室病害整治工程的經驗顯示，襯砌厚度不足是最常見的缺陷形式，而減薄部位是整個地下洞室工程結構的薄弱點，極易在外力的作用下產生結構病害，進而影響工程安全。本次研究利用擴展有限元軟件研究了減薄位置對隧洞襯砌結構安全性的影響，獲得襯砌薄減部位對輸水隧洞結構安全性的影響規律，對相關工程設計與風險評價具有重要理論價值。顯然，本次研究的結論僅依靠數值模擬結果獲得，而實際工程中受到的干擾和影響因素更多，因此還需要通過實際工程實測數據對本研究結論進行驗證。