地下输水隧洞加固方案与有限元分析研究

曹小武，谭星舟，周剑波

(1.深圳市东江水源工程管理处，广东 深圳 518035；2.武大巨成结构股份有限公司，湖北 武汉 430223；3武汉大学土木建筑工程学院，湖北 武汉 430072)

作为跨流域供水水源工程的常用结构型式，地下引水隧洞具有受外界环境影响小，水源水质易于保证等优点。这类工程的供水保障涉及城市用水安全和社会经济可持续发展，往往被誉为城市生命线工程。深圳市东江水源工程自东江惠州段取水，途径约100km，将水源输送进自来水厂，然后通过管网送进千家万户。沿途除部分管道、暗涵之外，绝大部分采用地下隧洞的结构形式。

地下隧洞衬砌[1]多采用混凝土，根据其承载需要，确定是否配置钢筋。由于内部输水条件(如工程扩建)以及围岩地下水环境的变化，对衬砌受力会有不同程度的影响，表现为混凝土出现空洞、裂缝等结构性缺陷，严重的可能会造成衬砌的局部破坏而使结构失效。

混凝土裂缝是隧洞衬砌的主要病害之一，对于其成因，国内学者做了很多研究。黄宏伟[2]在对公路隧洞衬砌裂缝统计分析的基础上，利用基于扩展有限元法分析裂缝的主要影响因素；蒲春平等[3]研究了衬砌温度应力规律及其温度裂缝计算公式；钟建文等[4]对隧洞衬砌出现裂缝后的承载能力进行了分析。也有学者结合衬砌的开裂原因和裂缝分布规律，对衬砌的加固进行了研究。王华牢等[5]验算了喷射混凝土加钢拱架的方法；高峰等[6]进行了隧洞注浆加固模型的试验研究；徐建明[7]、侯发亮[8]分析了各种加固补强措施的效果。

本文结合运行中的某输水隧洞洞段的缺陷检测结果及勘测设计资料，以衬砌为主要研究对象，依据规范[9]建立隧洞围岩-结构相互作用的整体计算模型，对混凝土衬砌产生裂缝的原因[10- 11]进行初步分析。在数值计算分析的基础上，得出了结构受力规律，提出合理可行的加固措施[12]，并通过加固后的隧洞模型对比验证加固效果，对后续洞段的裂缝处理具有一定指导意义。

1 工程概况

本次加固及分析选取的典型洞段断面为城门洞型，顶拱直径为4.2m，边墙高2.7m，净宽4.2m，断面净总高度4.8m。衬砌设计厚度为250mm，混凝土强度设计等级为C25。

隧洞采用新奥法进行施工，进出口段围岩分别为V类和III类，中间段主要为IV类和III类围岩。对于V类围岩采用超前支护爆破，台阶法开挖，并对衬砌断面壁厚加强为350mm。

2 隧洞缺陷及原因分析

2.1 局部脱空与隧洞裂缝

隧洞设计时考虑无压过水要求，又充分利用围岩的拱效应自稳，故采用城门洞型结构。根据新奥法施工原则，及时喷锚支护，有效地控制围岩变形，然后用钢模板浇筑素混凝土衬砌，部分承受围岩压力和内、外水压力，确保结构围岩的整体稳定和承载。

隧洞已正常输水十余年，但每年定期停水检查发现，混凝土衬砌与围岩间出现空洞，表明隧洞围岩与结构存在局部脱空，对于围岩结构联合承载带来不利因素。此外，隧洞衬砌表面出现结构性裂缝，沿裂缝处的渗漏将引起隧洞外侧地下水位变化，进而影响作用在衬砌表面的外水压力，使衬砌结构荷载条件发生改变，由于混凝土抗拉强度远低于抗压强度，故易使混凝土结构出现受拉裂缝或破坏。

2.2 有限元分析

为验证以上分析并得出受拉破坏区规律，本文采用ABAQUS有限元软件对该洞段进行数值分析，计算模型按平面应变问题简化，采用4节点平面应变单元。选用两个断面进行计算，断面一为典型洞段，断面二为加强洞段。对应的混凝土衬砌壁厚分别为0.25m和0.35m。

衬砌材料为C25素混凝土，弹性模量28.0GPa，泊松比0.167，密度2200kg/m3。衬砌与围岩之间相互作用采用接触单元模拟围岩对衬砌结构的弹性抗力和库伦摩擦。围岩材料属性为15.0GPa，泊松比为0.15。考虑围岩对衬砌结构的最不利状况，竖向压力31.8kN/m2，水平压力17.6kN/m2。对于地下水位的影响，模型考虑10m和20m两种地下水位，并分别考虑运行与检修两种工况(有内水压作用和无内水压作用)。围岩-隧洞计算模型及有限元网格如图1—2所示。

图1 整体分析模型

图2 整体网格图

为分析受力规律，得出衬砌承载的最不利位置，对有限元计算结果进行整理，选取衬砌9组典型位置截面的节点，如图3所示，提取应力值，结果见表1。

图3 典型应力点的示意图

根据有限元数值分析结果，可以看出：

(1)边墙中部内侧出现较大拉应力，超过C25混凝土的抗拉强度设计值，与现场裂缝部位较好吻合。

(2)地下水位越高，作用在衬砌结构上外水压力越大，主拉应力越大。通过增设排水孔，有组织的排除外水压力，可大大减轻作用在衬砌上的水压力荷载，有利于结构的安全性。

(3)与检修工况相比，运行工况的内水压力对隧洞衬砌形成反压，使边墙和底板的主拉应力减少，对结构有利。因此工程扩建后水位增加不会对结构造成直接的不利影响。

(4)断面二与断面一相比较，壁厚增加了29%，但衬砌的最大拉应力减小了100%～140%，增大衬砌厚度可显著改善结构的受力性能。

(5)边墙底部和底板的拉应力明显超出衬砌混凝土强度设计值，这是由于边墙与底板的结合部位容易出现应力集中，将结构底板设计成仰拱形式，有利于减少拉应力。

(6)检修工况(无内水压力)也是隧洞衬砌的危险工况，为此需确保在停水检修前，排水孔等措施能有效排除外水压力，对外水压力进行在线监测。

表1 衬砌典型位置最大主拉应力表 单位：MPa

3 隧洞加固有限元分析

针对本工程隧洞存在的缺陷和安全隐患，为保证隧洞正常运行和结构安全，对隧洞进行加固处理。

通过对上述承载计算分析及对承载薄弱点，提出采用：①对围岩空洞进行灌浆，封堵地下水通道，有效降低作用在衬砌上的渗透水压；②在衬砌内表面粘贴钢板，并灌注结构胶使钢板和原混凝土结构共同工作；③在边墙和顶拱打入锚杆，施加预应力，进一步增强衬砌承载外荷载的能力。

为分析加固的效果，采用有限元方法模拟：在隧洞内衬内侧表面粘贴10mm厚钢板；在隧洞内衬的边墙和顶拱设30kN预应力锚杆，锚杆沿隧洞横断面的边墙和顶拱布置4根。锚杆布置方式有两种，如图4(方式1)、图5(方式2)所示。锚杆沿隧洞纵向间隔1.5m布置一组，每一组采用其中的一种布置方式，两种布置方式穿插进行，形成梅花布置方式。计算结果见表2。

图4 锚杆布置方式1

图5 锚杆布置方式2

表2 加固后衬砌典型位置最大主拉应力表单位：MPa

对隧洞最不利工况进行分析可得到：

(1)对隧洞采用钢板加固，可显著减少衬砌边墙所受拉应力，但边墙中部外侧拉应力仍有1.50MPa，超过混凝土抗拉强度设计值；

(2)通过锚杆施加预应力，有助于进一步改善衬砌的受拉状态，满足混凝土抗拉强度设计值要求；

(3)采用两种锚杆布置方式对衬砌拉应力的影响不大，但对于整个隧洞，错开布置锚杆有利于减弱应力集中，加强整体的加固效果；

(4)加固后边墙底部和底板中部仍未能满足衬砌混凝土的抗拉强度要求。一方面是由于应力在边墙底部集中，同时，应考虑在加固方案中增设排水管，降低地下水渗透压力。

通过对加固钢板的应力进行分析，发现钢板最大Mises应力为36MPa，强度没有充分发挥，但通过粘贴钢板使得两种不同材料联合作用，显著改善衬砌受力。此外，衬砌混凝土出现裂缝后，钢板能有效地转移释放的应力，使得隧洞具有较大的承载安全裕度，对工程安全运行非常必要。

4 结论

通过对隧洞加固前后的承载分析及不同加固方式的对比计算，得出对结构承载影响和分布规律如下：

(1)隧洞衬砌采用素混凝土的结构形式，其抗拉强度远小于抗压强度，在围岩压力和地下水压力作用下，易在边墙中下部和底板中部产生较大拉应力而出现微细裂缝。

(2)通过锚杆、钢板和混凝土共同作用可使衬砌从抗拉转变为受压，有利于提高衬砌结构的承载能力，提高结构的安全性能。

(3)采用围岩灌浆、粘贴钢板、预应力锚杆等不同措施对隧洞进行加固处理，对衬砌结构的影响不同。因此在工程实践中，应采用合理的计算模型，充分考虑其影响，采用多种措施综合加固处理。