充填注漿參數對輸水隧洞襯砌空洞加固效果的影響研究

張立群

(朝陽縣凌河保護區管理局，遼寧 朝陽 122629)

1 工程概況

1.1 模型的構建

隨著計算機技術的迅速發展，有限元計算也不斷完善，并成為復雜超靜定結構研究的重要工具。此次研究為了真實反映輸水隧洞襯砌背后孔洞不同填充方案下的結構力學行為和變化特征，利用Midas GTS NX軟件對隧道結構進行模擬[4]。

模型以白石水庫輸水工程輸水隧洞2+233～2+275洞段為背景進行幾何模型的構建。該段輸水隧洞埋深39～43 m，在模型構建中取埋深40 m，隧洞的斷面為馬蹄型，開挖斷面寬4.4 m，高4.8 m；初支采用錨噴結構，噴射混凝土厚度為20 cm，標號為C30；二襯結構為厚度40 cm的C40混凝土。研究中結合相關理論和工程經驗，以開挖洞徑的5倍確定兩側和下部邊界[1-4]，上部至地表，沿隧洞方向取20 m，因此整個模型的幾何尺寸為50 m×60 m×20 m。模型以隧洞中心線指向下游的方向為X軸正方向，以垂直于X軸指向右側的方向為Y軸正方向，以豎直向上的方向為Z軸正方向。模型采用摩爾-庫倫準則進行計算[5]，整個模型劃分為10 225個單元，12 248個節點。

1.2 邊界條件和模型參數

結合相關理論和工程實際，對模型采用位移邊界條件[6]。具體來看，模型的底部施加水平和豎向位移約束；對模型的四周施加水平位移約束，模型的上部為自由邊界條件，不施加位移約束。鑒于研究中依托工程的地下水埋深較大且圍巖完整性相對較好，因此在模型計算過程中不考慮地下水的影響[7]。

模型材料的物理力學參數是模型計算結果準確性的主要影響因素之一，因此研究中以相關施工規范為基礎，同時結合依托工程的地質勘查資料，確定模型材料物理力學參數如表1。

表1 模型材料物理力學參數

1.3 計算方案與方法

此次研究的工程背景是回填注漿的方式處理隧洞襯砌背后的空洞缺陷，回填注漿材料為水泥砂漿[8]。因此，研究中將充填砂漿的強度等級作為研究變量，設計M10、M15、M20、M25、M30等5種不同的水泥砂漿強度等級，各等級砂漿的彈性模量不同。顯然，高等級砂漿具有較高的固結體強度，但是工程成本相對較高。探究砂漿等級對加固效果的影響具有其工程經濟意義。此外，填充率也是影響加固效果的重要因素，因此設置0%、20%、40%、60%、80%和100%等6種不同的充填率進行模擬計算。其中0%填充率方案可以視為空洞無填充的原始情況。

在模擬計算過程中根據不同填充率對模型進行調整，在構建的有限元模型中以命令流的方式輸入不同砂漿等級的模型參數和邊界條件，以圍巖的應力、位移為因變量進行模擬計算，并對模擬結果進行分析和評價。

2 試驗結果與分析

2.1 砂漿等級

研究中在填充率60%的情況下，對不同砂漿等級方案進行應力、位移和剪應變特征模擬計算，結果如表2所示。為了直觀呈現其變化特征，繪制出最大主應力，最大位移量和最大剪應變的變化曲線，分別如圖1所示。從計算結果可以看出，隨著砂漿等級的提高，輸水隧洞襯砌結構的最大主應力呈現出不斷增大的變化特點，且增速稍有加快。最大位移量和最大剪應變與之相反，呈現出不斷減小的變化特點，而減小的速率稍有加快。由此可見，提高填充砂漿強度等級可以提升襯砌結構的最大主應力值，同時有助于控制位移和剪應變，這對于提高加固工程質量有利。究其原因，主要是較高等級砂漿的固結體強度較高，與圍巖材料的性質更為接近，因此可以提升圍巖和襯砌結構的整體性，有助于提高襯砌結構的承載力和位移應變控制。另一方面，從計算結果可以看出，砂漿等級對應力、位移和剪應變的影響相對較小。具體來看，砂漿等級從E1提高到E5時，最大主應力增大0.50%；最大位移減小0.52%；最大剪應變減小0.52%，減小幅度僅為0.50%左右。由此可見，砂漿等級雖然對空洞加固工程效果存在影響，但是影響極為有限。因此，在工程應用中應該綜合考慮其他影響因素選擇合適的砂漿強度等級。

(a)最大主應力

(b)最大位移量

(c)最大剪應變圖1 各參數隨砂漿等級變化曲線

表2 不同砂漿等級方案計算結果

2.2 填充率

研究中保持砂漿等級為E1，對不同填充率方案進行模擬計算，從計算結果中提取出最大主應力、最大位移量和最大剪應變，結果如表3所示。根據計算結果繪制出最大主應力、最大位移量和最大剪應變隨填充率的變化曲線，分別如圖2所示。從計算結果可以看出，隨著填充率的增大，隧洞襯砌的最大主應力呈現出不斷增大的變化特點，最大位移量和最大剪應變則呈現出不斷減小的變化特點。由此可見，提高襯砌背后空洞的填充率可以有效提升襯砌結構的最大主應力，減小位移量和剪應變，對提高填充工程效果有利。具體來看，當填充率小于60%時，最大主應力、最大位移量和最大剪應變的變化量較小；當填充率由60%增加到80%時，最大主應力、最大位移量和最大剪應變的變化量較大，當填充率>80%時最大主應力、最大位移量和最大剪應變的變化量也相對較小。以最大主應力為例，當填充率由0%增加到60%時，最大主應力僅增加了1.59%；填充率由60%增加到80%時，最大主應力增加了16.85%。當由此可見，當填充率≤60%時幾乎沒有填充加固效果；當填充率在80%以上時可以取得良好的填充效果。

(a)最大主應力

(b)最大位移量

(c)最大剪應變圖2 各參數隨填充率變化曲線

3 結 語

針對輸水隧洞襯砌背后的空洞缺陷，目前一般采用水泥砂漿填充加固。此次研究以具體工程為依托，利用數值模擬的方式探討了砂漿強度等級和填充率對填充加固工程效果的影響。從計算結果來看，砂漿強度對填充加固工程效果的影響極為有限。因此，在工程應用中需要結合其他方面的因素，確定最合適的砂漿強度等級。另一方面，填充率小于60%時對填充工程效果的影響不大，填充率大于60%時的影響較大。因此，要保證填充工程效果，填充率必須要達到80%以上。當然，由于填充作業存在不可視的特點，如何保證填充率是一個值得研究和探討的工程技術問題，在今后的研究中需要在這方面進行深入的理論和實踐探索，以便為工程施工提供技術支持。