外水作用下水工隧道襯砌結構受力分析

劉登新

(長江水利水電開發集團，武漢 430010)

0 引 言

目前，我國隧道工程建設發展迅速，其中在隧道的施工階段和運營階段中，外水壓力對隧道襯砌結構穩定性的影響備受關注。針對該問題，已有大量學者進行了研究。如姚俊峰[1]利用有限元數值模擬方法，建立模型，對不同工況下隧道襯砌內部的水壓力分布進行研究分析。Arjnoi[2]等以某地穿河隧道為研究對象，改變不同排水條件，研究分析外水作用下隧道圍巖襯砌結構內力與孔隙水壓力的變化規律。Lee[3]等結合實際工程項目，基于數值模擬方法，研究分析滲流力對水下隧道的襯砌結構穩定性的影響。王建宇[4]采用模型試驗方法，研究發現圍巖滲透性對全封堵隧道襯砌施工過程中外水壓力的影響不大，而隧道半徑和地下水位對其影響較大。高新強[5]通過有限元模擬軟件建立模型，考慮不同外水壓力下隧道襯砌與圍巖的變化規律。張果[6]考慮均值和非均質圍巖的滲透系數，利用數值模擬軟件研究分析滲透系數對襯砌外水壓力的影響。Arjnoi[7]與Nam[8]通過數值模擬方法和理論推導，建立數值模型，研究分析襯砌-圍巖相互作用與內外水壓力間的關系。

綜合上述研究，本文結合某隧道工程，通過ABAQUS有限元數值模擬軟件建立模型，考慮襯砌管片間相互作用，分析水工隧道外水壓力對隧洞襯砌結構穩定性影響。

1 工程概況

本研究以某地區水工隧道為研究對象，隧洞全長35 km，完成隧洞開挖后，回填豆礫石并安裝襯砌管片，在襯砌內表面施加約200 m的水頭。其圍巖和其他材料參數見表1和表2。

表1 圍巖材料參數

表2 襯砌材料參數

2 模型建立

利用ABAQUS有限元軟件，建立隧道模型，研究外水壓作用下隧道襯砌結構穩定性的變化規律。選取水工隧道中某標準段作為研究對象，見圖1。其中，CQ-1、CQ-2和CQ-3為三環襯砌管片，A-F為管片，J1-J6為接縫處。

圖1 標準段模型圖

模型中，襯砌和豆礫石選擇為線彈性材料，螺栓選為理想線彈性材料，而圍巖選為彈塑性材料，用桿單元模擬螺栓，其余選擇八節點等參單元。本研究施加的外水壓力作用在襯砌管片的表面，見圖2。

圖2 外水壓力作用在襯砌表面示意圖

3 模擬結果分析

3.1 管片變形與應力分析

由圖3可知，在外水壓力作用下，整體上管片襯砌向內部收縮變形，呈現出襯砌頂部變形較大并向腰部管片逐漸減小的趨勢，最大值約-3.23 mm，最小值約-0.3 mm，位移分布均勻，接縫對其影響較小。

圖3 管片徑向位移圖

由圖3可知，該水工隧道的襯砌環向應力以壓應力為主，其中襯砌管片內側壓應力較大，應力集中現象主要出現在底部管片兩端靠近內部的地方，其應力值最大可達-25.3 MPa。取標準段環向路徑上的環向應力進行分析，見圖4。由圖4可以發現，除了襯砌隧道底部凹槽外，在外水壓力的作用下，隧道襯砌的環向壓應力呈現出自隧道底部向頂部逐漸減小的趨勢，在襯砌接縫處壓應力出現一定程度的減小。見圖5。

圖4 管片應力分布圖

圖5 環向路徑環向應力圖

圖6和圖7分別為管片第一主應力和第三主應力圖。由圖6和圖7可知，管片襯砌最大拉應力約2.32 MPa，主要分布在環CQ-1和CQ-3外側；而在襯砌底部管片內側出現最大壓應力，其值為-25.5 MPa，可見該區域混凝土在外水壓力作用下極易可能被壓碎。

圖6 管片襯砌第一主應力圖

圖7 管片襯砌第三主應力圖

3.2 接縫開度與環向螺栓應力

以CQ-2環作為研究對象，考慮襯砌模型位移邊界對結果的影響，分析CQ-2環上接縫的開度和環向螺栓的應力分布情況，見圖8。

圖8 CQ-2環的接縫和環向螺栓示意圖

CQ-2環接縫平均開度隨水頭變化情況見表3。由表3可以發現，隨著襯砌外水頭的逐步增大，襯砌各個接縫的平均壓力也隨之增大。當水頭達到100 m，對應的接縫開度平均值達到8.3 MPa；當水頭達到200 m，對應的接縫開度平均值達到16.38 MPa。整體上，J1、J2和J3的平均開度分別與J6、J5和J4基本對應相等。當水頭相同時，J1和J6的平均開度最大，J2和J5次之，而J3和J4的平均開度最小。結合圖9，對比接縫平均應力和總平均應力可知，接縫平均壓力和總平均壓力與水頭變化基本呈線性關系。隨著水頭的增加，接縫壓力逐漸增大，在相同水頭下各個接縫的壓力值保持一致。

表3 CQ-2環接縫平均開度隨水頭變化情況

觀察CQ-2環的接縫和環向螺栓示意圖(圖9)并結合圖10可以發現，在外水壓力的作用下，對比J1、J2、J3和J4、J5、J6的壓力分布情況，其襯砌環接縫開度具有較顯著的對稱性；襯砌上各個接縫在徑向上靠近結構內側的部分其壓力值較大，而越遠離內部其值越小，呈現由內至外逐漸減小的趨勢。并且沿著縱軸方向，襯砌頂部處接縫的壓力值呈現出前端、后端區域較大，而中部區域較小。襯砌結構中，環向螺栓主要承受外部壓應力，其壓力值范圍為-80～-40 MPa，其中J2和J5處的前后環向螺栓應力值相近，而J1、J3、J4和J6處差異較大。見表4。

圖9 接縫平均開度隨內水水頭變化曲線

圖10 襯砌CQ-2環接縫開度(單位：mm)

表4 CQ-2環向螺栓應力情況表

4 結 論

通過ABAQUS數值模擬軟件建立模型，研究分析外水作用下水工隧道襯砌結構受力分析，主要結論如下：

1) 在外水壓力作用下，整體上管片襯砌向內部收縮變形，呈現出襯砌頂部變形較大并向腰部管片逐漸減小的趨勢。

2) 襯砌隧道的環向應力以壓應力為主，其中襯砌管片內側壓應力較大，自隧道底部向頂部逐漸減小，應力集中現象主要出現在底部管片兩端靠近內部的區域。

3) 管片襯砌最大拉應力主要分布外側，而在內側出現最大壓應力，在外水壓力作用下極易可能被壓碎。

4) 隨著襯砌水頭的逐步增大，各個接縫的平均壓力也隨之增大。當水頭相同時，J1和J6的平均開度最大，J2和J5次之，而J3和J4的平均開度最小。

5) 在外水壓力的作用下，J1、J2、J3和J4、J5、J6的壓力分布具有較顯著的對稱性，襯砌上各個接縫在徑向上呈現由內至外逐漸減小的趨勢。