復合式襯砌結構原位試驗與數值分析

張 宇

(廣東河海工程咨詢有限公司，廣州 510610)

1 概 述

隨著社會用水需求的增大，輸水隧洞的內壓增大。其中，單層襯砌結構承載能力及耐久性有限，無法承受輸水隧洞的內水壓力[1]。因此，工程中常采用雙層襯砌結構，以保證隧洞的安全性及耐久性[2]。

雙層襯砌結構存在兩層結構，其結構受力及變形情況難以分析。雙層復合式襯砌結構采取先后兩次支護，其中各構件聯合承擔相關應力，有利于提高結構穩定性。但其結構復雜，受力傳遞機理、變形情況尚不明確，已成為國內外研究的熱點問題。孫明社等[3]以復合式襯砌結構為研究對象，分析評價其圍巖和支護應力。粟威[4]以高速鐵路隧道復合式襯砌結構為研究對象，提高收斂約束法分析其結構可靠性。陳建勛[5]等選取3種復合式襯砌結構進行有限元分析，分析其襯砌內力、安全系數及洞周位移。金星亮[6]等通過數值模擬及現場試驗，評估襯砌結構的安全度，并分析其受力機理。

上述研究較少涉及對雙層襯砌結構承載性能研究，且多數研究以數值模擬為主，缺少實際工程的應用數據。本文以某地區水資源配置工程為研究對象，采取新型內壓加載體系，利用原位試驗及數值模擬結合的方法，分析其裂縫寬度、接縫張開量及螺栓應力隨內水壓力變化趨勢。

2 原位試驗

本研究以某地區水資源配置工程為結構選型，該工程主要位于全風化片麻巖內，全風化巖以砂質黏土、砂土為主。該工程全長113 km，最高設計內水壓力為1.55 MPa。內水壓力較大、盾構施工較長導致其襯砌選型設計困難，故利用原位試驗為該工程設計施工提供相關依據。分別設至單層襯砌(區間1)、雙層復合式襯砌(區間2)、三層鋼內襯分離式(區間3)和疊合式襯砌結構(區間4)為試驗區間，見圖1。設置結構區間、組區間間距分別為15、3 m。本研究主要以區間2為研究對象，分析其聯合承載和結構失效工程，探討其變形規律。

2.1 襯砌結構型式

復合式襯砌結構見圖2。B1-B3為標準塊，L1-L2為領接塊，F為封頂塊。內襯采用C30現澆鋼筋混凝土，其厚度為600 mm，環向受力筋為HRB400，其間僅傳遞壓力，不涉及拉力和剪力。外襯采用C55混凝土，環向受力鋼筋為HRB400。受洞內空間影響，本研究針對其內水壓力模擬方法、監測儀器布設方式進行探討。基于以上研究，分析該結構的聯合承載性能。

圖1 原位試驗縱剖面

圖2 復合式襯砌結構

2.2 加載系統

本研究采用16路精準加壓伺服系統控制洞內水壓力，見圖3。通過充水特制柔性囊體和高強度內撐鋼管實現加載過程。當囊體內注水時，鋼架與內襯之間被充滿，為內襯結構提供法向壓力，模擬隧洞襯砌受內水壓力。內壓分21級加載，每級持續30 min，每組加壓卸載循環3次。加載范圍為0～0.60 MPa，1-6級每級加載0.05 MPa，7-21級每級加載0.02 MPa。

圖3 加載裝置

3 有限元模型

由于上述試驗加載范圍有限，缺少對于其結構極限承載能力的研究。為保證其結構安全性，針對上述復合式襯砌結構進行有限元分析。

采用有限元軟件對復合式襯砌結構進行建模分析，共考慮273 607個單元和95 732個節點。復合式襯砌結構主要包括混凝土、鋼和橡膠，其相關參數見表1。

表1 材料參數

在有限元模型中，采用總應變裂縫模型模擬混凝土結構，其接觸面摩擦系數取0.6，與鋼材接觸面摩擦系數取0.3。采用Von Mises模型對鋼筋與螺栓進行模擬。橡膠間接觸摩擦系數取0.4[7-8]。

復合式襯砌結構荷載-結構法示意圖見圖4，其內荷載施加于結構內表面。在有限元軟件中，設置全周受壓彈簧表征圍巖約束作用[9]，分16級加載，每級加載0.05 MPa，最大內水壓力為0.08 MPa。

圖4 荷載-結構法示意圖

4 不同內壓下的結構響應

4.1 裂縫寬度

通過有限元軟件數值仿真可對襯砌表面的裂縫寬度進行精確測量，最大裂縫寬度見圖5。由圖5可見，外襯內側裂縫寬度最大的為B1塊，寬度為0.241，裂縫寬度最小的為B2塊；內襯內側裂縫寬度最大的為B1塊，最大裂縫寬度為0.256，裂縫寬度最小的為F塊。外襯B1塊和B3塊裂縫寬度較大，B2塊裂縫寬度最小。隨內水壓力的增大，外襯F、L1、L2和B2塊裂縫寬度變化趨勢較為平穩。當內水壓力為0～0.5 MPa時，外襯B1塊裂縫寬度變化趨勢較為平穩；當內水壓力大于0.5 MPa時，外襯B1塊裂縫寬度發生突變，其裂縫寬度增幅變大；當內水壓力為0～0.6 MPa時，外襯B3塊裂縫寬度變化趨勢較為平穩；當內水壓力大于0.6 MPa時，其裂縫寬度增速明顯變大。受內水壓力的影響，外襯內側裂縫主要發生在管片的頂部和底部。根據水工混凝土結構設計規范可得，裂縫寬度最大值為0.2 mm。當內水壓力為0.7 MPa時，外襯B1塊裂縫寬度為0.216 mm，超出規范規定的裂縫寬度最大值[10]。

內襯B1塊和B3塊裂縫寬度較大，B2塊裂縫寬度較小。隨內水壓力的增大，內襯F、L1、L2和B2塊裂縫寬度變化趨勢較為平穩。當內水壓力大于0.35 MPa時，內襯B1塊裂縫寬度發生突變，其裂縫寬度明顯增大；當內水壓力大于0.6 MPa時，內襯B3裂縫寬度增長趨勢突變，增速顯著；當內水壓力大于0.6 MPa時，內襯B1塊裂縫寬度為0.217 mm，大于規范所規定的最大裂縫寬度。

圖5 最大裂縫寬度

由上述分析可得，裂縫寬度前期發展趨勢較為平緩，無突變情況。隨著內水壓力的變化，內襯鋼筋混凝土構件首先出現裂縫。當內水壓力大于0.35 MPa時，由于其整體剛度減小，裂縫寬度發生突變；當內水壓力超過0.6 MPa時，內襯裂縫寬度超過規定限值，內壓的受力減小，外襯管片受壓增大；當內水壓力為0.7 MPa時，外襯達到正常使用極限狀態。

4.2 管片接縫張開量

對比分析原位試驗與數值模擬結果，其管片接縫張開量見圖6。由圖6(a)可得，管片接縫張開量與內水壓力存在正相關關系，隨內水壓力的變化，管片接縫張開量逐漸增大。L1-B1接縫處接縫張開量增長速度最快，B3-L2接縫處接縫張開量增長速度最為平緩。當內水壓力最大時，各接縫處接縫張開量均小于規范接縫張開最小值(2 mm)，未達到極限狀態，結構較為穩定安全。

由圖6(b)可得，數值模擬結果隨內水壓力變化趨勢較為明顯，各接縫處接縫張開量均大于原位試驗。其接縫張開量隨內水壓力的增大而增大，存在顯著正相關關系，且其增長幅度遠大于原位試驗結果隨內水壓力的變化，管片接縫張開量逐漸增大。B2-L2接縫處接縫張開量增長速度最快，L2-F接縫處接縫張開量增長速度最為平緩。數值模擬接縫張開量結果與圖5(b)內襯內側裂縫寬度變化趨勢較為接近。在內水壓力達到0.35 MPa時，其接縫張開量發生突變，增長趨勢顯著；當內水壓力達到0.60 MPa時，接縫張開量增速顯著提高。數值模擬各接縫最大接縫張開量較大的分別為B3-L2和L1-B1接縫處，其最大值為0.78 mm；最小接縫張開量為L2-F，其最小值為0.166 mm。B3-L2和L1-B1接縫分別位于構建的頂部與底部，與上述裂縫寬度最大值規律相似。說明該結構的頂部和底部較為危險，為薄弱部位。由于該襯砌結構頂部受力小于底部受力，且B2塊剛度大于F塊，使其接縫張開量呈現上部和右側增長量較大的情況。

圖6 管片接縫張開量

5 結 論

本研究以某地區水資源工程為研究對象，對其復合式襯砌結構進行研究，對其進行原位試驗及有限元模擬分析。對比分析其裂縫寬度、接縫張開量及螺栓應力隨內水壓力變化趨勢結果，分析其受力方式和變形規律。結論如下：

1) 在原位實驗中，采用新型加載方法，對內水壓力進行模擬。由于原位試驗的局限性，應變計布置與實際情況有一定的差異，螺栓應力不能被全面反映。該加載方法仍有改善空間。

2) 當內水壓力超過0.6 MPa時，內襯裂縫寬度超過規定限值，內壓的受力減小，外襯管片受壓增大。內水壓力為0.7 MPa時，外襯達到正常使用極限狀態。

3) 當內水壓力達到0.60 MPa時，接縫張開量增速顯著提高。數值模擬各接縫最大接縫張開量較大的分別為B3-L2和L1-B1接縫處，其最大值為0.78 mm；最小接縫張開量為L2-F，其最小值為0.166 mm。