水工隧洞鋼筋混凝土襯砌開裂特性分析

周長旭，管淑濤，宋厚源，左 勇

(平陰縣水務局，濟南 250400)

1 概 述

隨著經濟快速發展和運輸行業的要求，國內的公路、鐵路公里數和分布越來越發達，中西部等山區、高原地帶也逐漸被普及開發，這種高速發展離不開隧道工程。然而，由于隧道多存在于地質、地貌復雜地區，研究在復雜條件下隧道的受力特性和穩定性分析問題一直是工程中的重點和難點。

李術才[1]為研究在高風險地區隧道發生地質災害的情況，針對熔巖地區的隧道施工，提出了一套具有4種機制復合的隧道預警系統。王夢恕[2]針對我國隧洞工程現狀，分析了不同的設計理論和方法優劣性，指出隧洞地下工程的設計和施工更經濟、高效的發展方向。為研究既有隧道工程受鄰近建筑物施工的影響和防治手段，高廣運[3]以上海某臨近隧道的地基工程為背景，利用FLCA有限元軟件建立既有隧道-基坑仿真模型，并利用工程檢測數據對該模型進行了證實，結果表明有效控制臨近既有隧道變形的方法是對地下連續墻進行逆筑施工和二次加固。楊微[4]研究了鉆爆法技術在復雜地質中的應用，分析在此條件下的重點和難點，優化了爆破參數和爆破工藝。李亞光[5]針對城市軌道交通隧道防水問題進行了研究，并根據現有方法提出一系列相關措施，包括管片防水、洞門防水和吊裝孔等防水措施。

數值模擬也是研究隧道工程受力特征和變形破壞的有效工具。周宴民[6]利用Midas軟件建立了下伏采空區隧道模型，對隧道與下伏采空區之間的垂直臨界高度進行了預測。王鐵民[7]利用FLAC軟件針對實際隧道路段進行了數值仿真試驗，對隧道位移和應力應變關系進行了詳細研究。

本文為研究周圍裂縫對鋼筋混凝土隧道襯砌結構受力特征的影響，基于隧道襯砌有限元模型，對拱頂、拱肩、中墻和墻角不同位置處的裂縫類型和深度進行正交數值試驗，對右拱腰、右中墻、右墻角和仰拱位置處的彎矩、內力大小和分布特征進行分析。

2 計算模型

2.1 材料參數

基于某地工程實例，利用有限元軟件，建立存在區間裂縫的隧道模型。該工程利用礦山法和盾構法復合施工，隧道埋深30 m。根據勘察報告，該地屬于熔巖地帶，圍巖條件為Ⅴ級，按照實際工程情況查閱相關規范和文獻，圍巖彈性系數取31.5 MPa/m且不承受拉力[8-9]。隧道類型屬于區間隧道，襯砌厚40 cm的C35素混凝土。混凝土重度為24.8 kN/m3，泊松比為0.2，彈性模量為31.4 GPa。

2.2 圍巖壓力

依據荷載等效高度、施工方式以及地質條件等因素判斷深淺埋隧道的臨界深度。臨界深度可通過下式計算[10]:

Hp=(2.0～2.5)hq

(1)

其中：Hp為深淺埋隧道之間的臨界深度；hq為荷載的等效高度。

hq可通過下式計算：

(2)

式中：q為均布荷載壓力，kN/m2；γ為圍巖重度，kN/m3。

由于該地質條件圍巖為Ⅴ級，根據式(1)、式(2)可計算出圍巖豎向壓力q豎向為138.25 kPa,水平壓力q水平為55.75 kPa。

2.3 模型尺寸

圖1為該隧道支護斷面圖。隧道襯砌半徑為2 600 mm，設置半徑3 975 mm的圓弧模擬仰拱結構，分布角度為42°。此外，隧道墻角分布角度設為27°，圓弧半徑5 150 mm。

圖1 隧道襯砌斷面圖

為了在保證計算精度的前提下兼顧計算效率，有限元隧道襯砌模型采用平面應變模型，四周邊界條件設為法向固定，在拱頂、拱肩、中墻和墻角位置處網格進行局部加密處理，共劃分出15 634個有限元單元，每個單元應力節點為15應力節點。

本文基于隧道襯砌有限元模型，對拱頂、拱肩、中墻和墻角不同位置處的裂縫類型和深度進行正交數值試驗，分析了裂縫寬度對典型襯砌結構受力特征的影響。

3 結果分析

3.1 拱頂裂縫寬度的影響

圖2為在隧道襯砌結構中內力隨拱頂裂縫寬度的變化情況，裂縫寬度設置為5、10、15、20、25和30 mm共6種工況。

圖2 襯砌結構彎矩和剪力隨拱頂裂縫寬度變化

圖2(a)為彎矩在不同裂縫寬度時的變化規律。從圖2(a)可以看出，彎矩變化主要在拱頂裂縫寬度10 mm以內，裂縫寬度為0～10 mm時，單元結構受力最為明顯。其中，仰拱的彎矩數值最大，且隨著裂縫寬度的增加呈現下降趨勢，右中墻和右拱腰處的彎矩數值大小變化規律非常接近，右墻角處彎矩最小，變化趨勢也呈現出先增后穩。此外，從彎矩方向而言，隨著裂縫寬度的發展，4個位置處彎矩均未發生方向上的改變，而仰拱位置處的彎矩為正，表現為內部受拉，與其他3個位置處的彎矩方向相反。

圖2(b)為剪力在不同裂縫寬度時的變化規律。從圖2(b)中可以看出，隨著拱頂裂縫寬度的逐漸發展，隧道襯砌結構剪力也隨之改變，且呈現出與彎矩變化相似的規律。在拱頂裂縫寬度5～10 mm范圍內，右拱腰、右中墻、右拱腳和仰拱4個位置處剪力數值都隨裂縫寬度增大發生急劇升高，但絕對值變小，由初始的200 kN逐漸演變至0附近，且期間在右拱腳位置處的剪力方向發生改變。而在裂縫寬度至10 mm之后，剪力數值趨近平穩，并未出現明顯變化。

3.2 拱肩裂縫寬度的影響

圖3為在隧道襯砌結構中內力隨拱肩裂縫寬度的變化情況，裂縫寬度設置為5、10、15、20、25和30 mm共6種工況。

圖3(a)為彎矩在不同裂縫寬度時的變化規律。從圖3(a)中可以看出，右拱腰、右中墻、右墻角和仰拱4個位置處的彎矩隨拱肩裂縫寬度變化并不明顯，呈現直線，數值大小呈現出上文規律，仰拱彎矩最大，然后依次是右中墻、右拱腰，彎矩數值最小的是右墻角。

圖3(b)為剪力在不同裂縫寬度時的變化規律。從圖3(b)中可以看出，隨著拱頂裂縫寬度的逐漸發展，與彎矩基本穩定不同，隧道襯砌結構剪力也隨之改變，且變化范圍為裂縫寬度5～10 mm區間，當裂縫寬度大于10 mm之后，剪力數值基本穩定不再發生變化。此外，觀察剪力穩定之后的數值發現，右拱腳位置處的剪力數值遠大于另外3種，且一直較為穩定，未發生突減。

圖3 襯砌結構彎矩和剪力隨拱肩裂縫寬度變化

3.3 中墻裂縫寬度的影響

圖4為在隧道襯砌結構中內力隨中墻裂縫寬度的變化情況，裂縫寬度設置為5、10、15、20、25和30 mm共6種工況。

圖4(a)為彎矩在不同裂縫寬度時的變化規律。從圖4(a)中可以看出，右拱腰、右中墻、右墻角和仰拱4個位置處的彎矩相對于前兩種裂縫而言，受中墻裂縫寬度的影響最為顯著。其中，又以右墻角位置處的彎矩變化最為明顯，中墻裂縫為5 mm時，彎矩為-158.6 kN·m；當裂縫為10 mm時，彎矩為22.3 kN·m，兩者相差170 158.6 kN·m。而其他3個位置處彎矩亦發生較大改變，從裂縫5 mm對應的-130 kN·m左右變化至0附近，且在裂縫到達10 mm之后趨于穩定。這可能是由于中墻裂縫導致了結構應力重新分布，致使彎矩發生較大改變。

圖4(b)為剪力在不同裂縫寬度時的變化規律。從圖4(b)中可以看出，4個位置處剪力變化在裂縫深度發展至10 mm之后逐漸趨于穩定，在裂縫10 mm之前出現較大變化，變化幅度為40～60 kN。裂縫5 mm時，最大剪力出現在仰拱位置處；裂縫10 mm時，最大剪力位置發生轉移，出現在右拱腳位置處。并且在這期間，4個位置處的剪力正負號均發生改變。

圖4 襯砌結構彎矩和剪力隨中墻裂縫寬度變化

3.4 墻角裂縫寬度的影響

圖5為在隧道襯砌結構中內力隨墻角裂縫寬度的變化情況，裂縫寬度設置為5、10、15、20、25和30 mm共6種工況。

圖5(a)為彎矩在不同裂縫寬度時的變化規律。從圖5(a)中可以看出，墻角裂縫的改變對隧洞襯砌結構彎矩并無明顯變化，右拱腰、右中墻、右墻角和仰拱位置處的彎矩隨裂縫寬度變化曲線均為直線，且仰拱位置處彎矩為正，內側受拉，其他3個位置處彎矩為負，內側受壓。

圖5(b)為剪力在不同墻角裂縫寬度時的變化規律。從圖5(b)中可以看出，墻角裂縫對4個位置處的剪力影響較大，其中右墻角位置處的變化最為明顯。墻角裂縫5 mm時，右墻角剪力為-158.4 kN，其他3個位置處的剪力為-130 kN左右；當墻角裂縫發展至10 mm時，右墻角剪力變化至25 kN，其他3個位置剪力變化路線和數值大小仍較為接近，為0附近；當裂縫由10 mm逐漸擴大發展時，剪力變化不明顯。

圖5 襯砌結構彎矩和剪力隨墻角裂縫寬度變化

4 結 論

為研究周圍裂縫對隧道結構受力特征的影響，本文基于隧道襯砌有限元模型，對拱頂、拱肩、中墻和墻角不同位置處的裂縫類型和深度進行正交數值試驗，主要結論如下：

1)4種裂縫類型對隧洞襯砌結構彎矩和剪力的影響主要發生在裂縫寬度為10 mm以內，裂縫發展至10 mm以上時，隧洞結構各位置處的彎矩和剪力變化不明顯。

2)4種裂縫類型對隧洞襯砌結構彎矩影響最大的是中墻裂縫，墻角裂縫拱肩裂縫對結構彎矩影響不明顯。

3)對結構剪力影響最大的裂縫類型為拱肩裂縫和墻角裂縫，并且在4種裂縫發展至10 mm以上時，除右墻角位置處，其他3處剪力都接近于0。