水工隧洞砌衬厚度不足的承力影响有限元分析

钟乐毅，杨选富

(江西省水利水电建设有限公司，南昌 330025)

隧洞砌衬筑浇因混凝土的重力降沉聚缩特性，时常于拱肩或拱顶部位发生程度不同的脱空瑕疵，是该类工程技术设计和安全标准施建必须充分重视的重点技术问题。本文参考工程案例实用数据，借助MIDASGTS有限元模拟计算分析系统，基于流固耦合理论，对水工隧洞砌衬厚度不足的承力影响进行有限元分析，探讨砌衬厚度不足瑕疵在宽度横向和高程纵向上对砌衬承力状态的影响规律，以期为同类工程应用提供参考与借鉴。

1 隧洞砌衬厚度不足数值模型的建立

参照隧洞砌衬厚度不足的某工程案例，其围岩体为Ⅲ类，洞径为6 m，埋深在80 m。参考该工程实用数据，以MIDASGTS系统，基于流固耦合理论，对砌衬厚度不足的承力影响开展建模分析。其三维数值模型、瑕疵砌衬网略模型以及5个重点瑕疵分析部位具体见图1。

图1 网略模型以及5个重点瑕疵分析部位

模型长宽高规格50 m×50 m×50 m，砌衬网络同样剖分6层，隧洞周边网络实施网络细分，砌衬网络划分以拱顶瑕疵位置1 m宽度值、h/2砌衬高程为例。厚度瑕疵指岩侧砌衬高程瑕疵，其中h为砌衬设计厚度，其他瑕疵工况类推。砌衬厚度瑕疵仅取纵向厚度不足1 m长度值，瑕疵部位处于模型中部。本文提取存在着厚度不足部位截面的拱脚、左拱底、左拱腰、左拱肩和拱顶5个部位实施分析。

2 砌衬厚度不足计算工况拟定

重点考虑以下几个方面水工隧洞砌衬厚度不足瑕疵：①从厚度不足瑕疵部位考虑，即假定指定部位厚度不足瑕疵程度一定(瑕疵位置宽度值1 m、高程h/2)，厚度不足部位分别位处拱顶、左拱肩、拱顶和左拱肩、拱顶和左右拱肩；②假定砌衬厚度不足瑕疵仅位处拱顶。基于两类情况考虑，即瑕疵位置高程h/2、宽度按无瑕疵、0.5 m，1 m，2 m演变；拱顶瑕疵位置宽度1 m、高程按无瑕疵、2h/3，h/2，h/3演变。这两个方向实施考虑；砌衬厚度不足瑕疵的部位和大小固定，假定厚度不足瑕疵仅位处拱顶并且瑕疵位置砌衬高程为h/2/、宽度值1m，内水分别是0,0.8,1.2,1.6和2 MPa。具体数值模拟方案见表1和表2。

3 隧洞砌衬厚度不足的有限元计算分析

3.1 砌衬瑕疵宽度演变对砌衬承力影响分析

3.1.1 砌衬后水压分布

见图2。

表1 宽度瑕疵演变模拟工况

注：h为砌衬设计厚度值50 cm。

表2 高程瑕疵演变模拟工况

注：h为砌衬设计厚度值50 cm。

图2 基于宽度瑕疵演变的砌衬后水压分布

图2数据揭示砌衬厚度不足宽度对砌衬后水压分布的影响呈现为：①无内水时，相较工况一，厚度不足将大幅降低其附近砌衬后水压，而远离瑕疵部位的砌衬后水压较小，并且随厚度不足宽度加大，砌衬后水压下降越显著，工况四拱顶位置砌衬后水压仅29.14 kPa，为该区域工况一水压的7.3%左右。②隧洞充水后，每种工况下砌衬后水压均加大，工况一下砌衬后水压接近静水压力，而其他工况相较静水压力较小，厚度不足不同宽度对砌衬后水压影响与充水前相同，砌衬后水压下降程度与厚度不足宽度有关，随厚度不足宽度加大，其下降程度越明显，工况四拱顶砌衬后水压361.49 kPa，是该位置工况一时的55.7%左右。

3.1.2 围岩体渗流场

见图3。

图3 基于厚度瑕疵演变的围岩体渗流场

由图3可以看到，砌衬厚度不足宽度演变对围岩体渗流场的影响呈现为：①隧洞周边围岩体孔隙水压力相较静水压力有所下降，并且隧洞周边构成相近似漏斗形状的围岩体渗流走势线。②砌衬厚度不足宽度大小对围岩体渗流场总体走势有较小影响，但随厚度不足宽度加大，厚度不足瑕疵附近孔隙水压下降愈发明显。③隧洞充水后，隧洞周边围岩体渗流等值线提升明显，其漏斗状渗流走势开口加宽，只是厚度不足的瑕疵宽度对其影响相对有限。

3.1.3 砌衬应力受瑕疵宽度演变的影响规律

见图4-图8。

图4 每种工况下拱顶砌衬应力

由图4可知，厚度不足宽度对拱顶砌衬承力特点的影响呈现为：①隧洞充水前，工况一砌衬靠围岩体侧承压，靠洞内侧承拉；工况二下，该区域由局部承拉变成全断面承拉；工况三和工况四下，该区域为全断面承压，只是应力值相对较小，说明砌衬厚度瑕疵对该区域砌衬承力有较大影响，改变整个断面的承力状态；另外该区域应力随瑕疵宽度改变而演变，工况二为拉应力34.1 kPa，工况四下该区域外侧应力为-10.3 kPa。②隧洞充水后，该区域砌衬承力演变规律随厚度不足宽度的改变而演变，工况二、工况三砌衬为全断面承压；而工况四下，该区域承力变成内侧承压、外侧承拉，空洞的存在着使该区域承力由内拉外压向内压外拉态势转化，说明砌衬后瑕疵宽度对该区域承力有较大影响，改变整个断面承力状态。

图5 每种工况下左拱肩砌衬应力

由图5可知，厚度不足宽度对左拱肩砌衬承力特点的影响呈现为：①隧洞充水前，工况一砌衬靠围岩体侧承压，靠洞内侧承拉，当存在着砌衬厚度不足时几乎全断面承压，说明砌衬厚度不足对该区域砌衬承力有较大影响，改变断面的承力状态，由局部承压变成全断面承压。②相较充水前，隧洞充水后，砌衬应力有较大程度增强，该区域应力受厚度不足宽度影响的演变规律与充水前相近似，由外侧承压、内侧承拉变成全断面承压，并且也随着厚度不足宽度改变而演变，只是应力值更大，从安全角度来看更不利于砌衬安全。

由图6可知，厚度不足宽度对左拱腰砌衬承力特点的影响呈现为：①隧洞充水前，工况一砌衬外侧(靠围岩体侧)承压，内侧(靠洞内侧)承拉，其他工况承力基本与之相同，不过内侧拉应力有所降低。②隧洞充水后，相较充水前，除工况三外，砌衬应力有程度不同增强。另外该区域应力受厚度不足宽度影响的演变规律与充水前相近似，均呈现为外侧承压、内侧承拉，并且也随着厚度不足宽度的改变而演变；工况三下，由外侧承压、内侧承拉变成全断面承压。

图6 每种工况下左拱腰砌衬应力

图7 每种工况下左拱脚砌衬应力

图8 每种工况下拱底砌衬应力

图7和图8可知，在隧洞充水前后，每种工况下左拱底和拱脚等处砌衬应力分布基本不变，呈现为外侧承压、内侧承拉，并且数值演变亦不大，说明无论隧洞是否充水，砌衬厚度不足宽度对这两部位的应力影响均较小。

综上所述，隧洞充水前后，砌衬厚度不足存在着均使该区域由内拉外压向内压外拉态势转化，说明砌衬后厚度不足宽度大小对该区域承力有较大影响，改变整个断面承力状态。砌衬厚度不足宽度大小对该区域砌衬承力有较大影响，宽度越大其影响就越大，其他部位则有较小影响。

3.2 砌衬瑕疵高程演变对砌衬承力影响分析

3.2.1 砌衬后水压分布

见图9。

图9 衬砌厚度瑕疵高程演变的砌衬后水压分布

由图9可看到，砌衬厚度不足高程演变对砌衬后水压分布的影响呈现为：①无内水时，相较工况一，砌衬厚度不足将大幅降低其附近砌衬后水压，远离瑕疵部位的砌衬后水压较小，并且随厚度减薄，砌衬后水压下降越显著，工况四拱顶砌衬后水压35.55 kPa，是该区域工况一水压的8.9%。②隧洞充水后，每种工况下砌衬后水压均加大，工况一下砌衬后水压接近静水压力，而其他工况相较静水压力较小，厚度不足不同高度对砌衬后水压影响规律同充水前，砌衬后水压下降程度与砌衬厚度减薄程度有关，随砌衬厚度减薄，其下降程度愈发明显，工况四下拱顶砌衬后水压380.12 kPa，为工况一时的58.5%。

3.2.2 围岩体渗流场

见图10。

图10 厚度瑕疵高程演变的围岩体渗流场

由图10可以看到，砌衬厚度不足高程演变对围岩体渗流场的影响呈现为：①隧洞周边围岩体孔隙水压力相较静水压力有所下降，并且隧洞周边构成相近似漏斗形状的围岩体渗流走势线。②砌衬厚度不足高程演变对围岩体渗流场总体走势有较小影响，但随砌衬厚度减薄，厚度不足瑕疵附近孔隙水压下降愈发明显。③隧洞充水后，隧洞周边围岩体渗流等值线上抬，孔压等值线加密，并且厚度不足高程大小对其有不明显影响。

3.2.3 砌衬应力受厚度瑕疵高程演变影响规律

见图11-图15。

图11 每种工况下拱顶砌衬应力

图12 每种工况下左拱肩砌衬应力

由图11可知，厚度不足高程演变对拱顶砌衬承力特点的影响呈现为：①隧洞充水前，工况一砌衬外侧(靠围岩体侧)承压、内侧(靠洞内侧)承拉，其他工况下砌衬为全断面承压，并且应力值较小，意味砌衬厚度减薄对该区域砌衬承力有较大影响，改变整个断面的承力状态，由外侧承压内侧承拉变成全断面承压。②隧洞充水后，该区域砌衬应力受厚度不足影响的演变规律同充水前相近似，由外侧承压、内侧承拉变成全断面承压，并且也随厚度减薄而演变，只是应力值稍有加大。

由图12可知，厚度不足高程演变对左拱肩砌衬承力特点的影响呈现为：①隧洞充水前，工况一砌衬靠围岩体侧承压，内侧(靠洞内侧)承拉，其他工况下砌衬为全断面承压，砌衬外侧应力深度一般较大，意味砌衬厚度减薄对该区域砌衬承力有较大影响，改变了断面的承力状态。②隧洞充水后，该区域砌衬应力受厚度不足影响的演变规律同充水前相近似，由外侧承压、内侧承拉变成全断面承压。

图13 每种工况下左拱腰砌衬应力

图14 每种工况下左拱脚砌衬应力

图15 每种工况下拱底砌衬应力

图13和图15可知，在隧洞充水前后，每种工况下左拱腰、左拱底和拱脚等处砌衬应力分布基本不变，呈现为外侧承压、内侧承拉，并且数值演变亦不大，意味砌衬厚度的减薄对这三部位的应力影响均较小。

综上所述，隧洞充水前后，砌衬厚度不足存在着均使该区域有内拉外压，向内压外拉态势转化，意味砌衬后厚度不足程度对该区域承力有较大影响，改变整个断面承力状态。砌衬厚度不足高程大小对该区域砌衬承力有较大影响，程度越深其影响就越大，其他部位则有较小影响。

4 结 语

本文基于流固耦合理论，建立砌衬厚度不足的水工隧洞三维数值模型，选择砌衬后水压分布、围岩体渗流场和砌衬应力3个指标实施分析：①砌衬拱顶位厚度不足宽度演变对砌衬承力特点影响呈现为：隧洞充水前后，砌衬厚度不足存在着均使该区域由内拉外压、向内压外拉态势转化，意味砌衬后厚度不足宽度大小对该区域承力有较大影响，改变整个断面承力状态。砌衬厚度不足宽度大小对该区域砌衬承力有较大影响，宽度越大其影响就越大，其他部位则有较小影响。②砌衬厚度不足高程演变(拱顶位例)对砌衬承力特点影响呈现为：隧洞充水前后，砌衬厚度不足存在着均使该区域有内拉外压、向内压外拉态势转化，意味砌衬后厚度不足程度对该区域承力有较大影响，改变整个断面承力状态。砌衬厚度不足高程大小对该区域砌衬承力有较大影响，程度越深其影响就越大，其他部位则有较小影响。