水工隧洞复合衬砌变形研究

张敬博 车高凤

摘要：文章以云南临沧市某无压输水隧洞复合衬砌结构设计为例，利用ANSYS软件进行建模，分别对比初始地应力及考虑衬砌与围岩联合承载作用下的模拟成果，研究水工输水隧洞衬砌结构的变形特征，以期对同类型的输水隧洞设计施工提供一定的指导意义和参考价值。

关键词：水工隧洞;复合衬砌;有限元

中图分类号：TV672⁺.1 文献标志码：A 文章编号：1001-5922（2021）02-0159-04

水工隧洞是水利枢纽中的重要组成部分之一，其结构一般由岩石和混凝土两种材料组成，在外荷载作用下这两种材料一般表现出较为明显的非线性性质。隧洞在外荷载的作用下变位一般较小，不存在大应变产生的非线性问题。在水工隧洞的设计中，大量的非线性问题是由材料的塑性等性质产生的，特别是某些复杂岩石材料，其非线性特性更加明显。

研究水工隧洞的非线性问题，对隧洞的安全至关重要。目前国内外对水工隧洞的非线性问题研究较多：高百超以辽宁安大风口水库的输水隧洞为研究对象，进行大变形处置时机的研究，得出最佳大变形处治时机;李若奇等对云南柳树箐尾矿堆积坝排水隧洞进行研究，通过数值模拟方法建立了堆载与排水隧洞之间的三维模型，分析下伏地层中排水主洞衬砌和围岩之间的衬砌的变形特征;王元明利用ANSYS软件建立V类围岩输水隧洞的有限元模型，分析隧洞分别在正常运行和检修两种不同工况下的应变和应力状态;张敬博等通过对于水工隧洞中有限元模型的建立，探讨单元生死在水工隧洞模型中的应用及特点;于洋等通过对锦屏水电站引水隧洞施工中的围岩变形量进行分形，得出深部岩体隧洞开挖时，围岩形变在时间上具备分形特征，且有较明显的自相似结构特征;刘杰等利用FLAC3D软件，采用理想弹塑性模型，得出不同开挖洞型的引水隧洞数值模拟分析。

基于前人的研究经验，本文以云南省临沧市某无压输水隧洞复合衬砌结构设计为例，利用有限元软件ANSYS，分别对比初始地应力及考虑衬砌与围岩联合承载作用下的模拟成果，对复合衬砌结构进行非线性有限元分析，通过分析研究结构设计成果并从中得到一些有用结论，以期对同类型的输水隧洞设计施工提供一定的指导意义和参考价值。

1ANSYS软件中单元生死技术

在数值模拟过程中，如果模型中添加或删除材料，模型中相应的单元就存在或消失，把这种单元的存在与消失的情形定义为单元生死。单元生死功能主要用于开挖分析、顺序组装、建筑物施工以及许多其他方面的应用。要实现单元生死效果，ANSYS软件是用一个很小的因子ESTIF乘以其刚度矩阵，因子ESTIF的默认值一般为10E-6，也可以赋予其他数值。死单元的单元荷载将为0，从而不对荷载向量生效（但任然在单元荷载列表中出现）。同样，死单元的阻尼、质量、比热和其他类似参数也设置为0。一旦单元被杀死，单元应变也就设为0。

2工程简况

本项目中输水隧洞有限元计算的主要参数如下：隧洞为圆拱直墙型无压隧洞，洞跨3.6m，洞高3.2，拱高1.8m，埋深在20～100m之间，隧洞围岩等级为Ⅳ级;初期支护采用0.2m厚C20混凝土锚喷支护，锚杆为qb25，长2m;隧洞二次衬砌为C20钢筋混凝土，厚度为0.3m，沿隧洞断面布设;围岩及混凝土材料采用Druck-Prager模型;Ⅳ类围岩隧洞衬砌结构如图1所示。相关物理力学指标见表1所示。

3有限元模型建立

3.1计算假设和简化

本次计算，根据实际情况，对模型进行以下假设和简化处理：

1）假设围岩是各向同性的理想弹塑性材料。

2）隧洞及围岩的受力和变形是平面应变问题。

3）岩体初始应力场不考虑构造应力，仅考虑其自重应力。

4）将初期锚喷支护范围等效为一个锚喷支护围岩加固圈。

5）不考虑围岩与锚杆、围岩与衬砌、衬砌与锚杆的接触问题。

6）不考虑地震荷载、温度荷载和施工期荷载的影响。

3.2模型建立过程

1）在ANSYS前处理模块中设置材料属性和单元属性。分别采用PLANE42单元、BEAM3单元模拟围岩和衬砌;在材料属性中输入围岩、钢筋混凝土、锚喷支护加固圈的弹性模量、泊松比、密度等;为了显示材料的非线性，还要输入围岩和混凝土的粘聚力、内摩擦角及膨胀角。

2）在前处理模块中建立模型。在模型的左右边界节点施加x方向约束，在下边界施加Y方向约束;在整个模型范围施加重力荷载。

3）在加载求解模块中设定求解条件，打开大位移开关等，并设定荷载步分步进行计算。首先计算只考虑自重的初始地应力，然后计算开挖支护后模型变形及内力。

4）在后处理模块中分别查看step-1和step-2的计算结果。

3.3有限元模型

本次计算模型为圆拱直墙城门洞型无压水工隧洞，洞高3.2m，洞跨3.6m，拱高1.8m;以顶拱圆心为原点建立有限元模型;计算范围取隧洞四周5倍洞跨，40mX40m;初期支护为0.2m厚C20混凝土锚喷支护，锚杆为φ25;二次衬砌采用0.3m厚C20钢筋混凝土衬砌。具体情况如图2、3所示。

4计算成果及分析

分别对比初始地应力及隧洞开挖衬砌模拟成果，在模拟中，对围岩的初始地应力进行简化处理，岩体初始应力场仅考虑自重应力，而不考虑围岩构造应力。其中，图4、图6分别为围岩在仅考虑初始地应力时的x、Y方向位移云图，图8为总位移分布云图，图5、圖7、图9为隧洞开挖衬砌后x、Y方向位移分布及总位移云图。

通过上图可以看出：在初始地应力作用下，围岩x方向初始最大位移在O.013mm左右，Y方向初始最大位移在4mm左右，总的位移值为4mm;开挖衬砌后x方向的最大位移值为0.0442mm，Y方向的最大位移值为4.02mm，总的位移值为4.02mm。

对比初始地应力作用下和开挖支护后地层变形图，可以看出：x方向在仅考虑初始地应力及考虑衬砌与围岩联合承载作用下的模拟成果应变值整体较小，开挖前和开挖支护后最大位移量相差0.0312mm，相差值不大，说明开挖衬砌对x方向的变形影响较小。由图6～9可知，Y方向的最大位移值及总位移最大值均出现在拱圈附近。Y方向在仅考虑初始地应力及考虑衬砌与围岩联合承载作用下的模拟成果应变值整体较x方向大些，开挖衬砌对Y方向的变形影响较x方向大些，开挖前后最大竖向位移都在拱圈附近。

5结语

圆拱直墙隧洞变形以竖向变形为主，最大竖向位移主要集中在拱圈，因为拱圈是衬砌中主要承担垂直围岩压力的部分。为了预防拱圈部分出现较大变形，在施工过程中应进行加厚，从而限制衬砌出现过大竖向变形。直墙以水平方向的围岩压力为主，而竖向位移远远小于拱圈，因此，决定结构变形的主要因素为垂直围岩压力。圆拱直墙隧洞开挖支护后塑形应变最大的区域在拱顶附近，其他区域的塑形应变较好，说明把隧洞洞腰做成直墙形式有利于保持围岩稳定性。