某新型三层复合盾构输水隧道精细化有限元分析

童 欣，方 燃

(中国市政工程中南设计研究总院有限公司， 湖北 武汉 430010)

随着盾构技术的不断发展和城市化进程的加快，盾构隧道开始被广泛应用于输水管道。常用的结构形式主要分为单层衬砌和双层衬砌，其理论研究和工程实践较为丰富。对于单层衬砌结构的应用，我国有许多典型工程案例，如：上海青草沙工程[1-2]、南昌市城北水厂输水隧洞[3]，单层衬砌结构能承担一定的外荷载和内水压作用，但承受的荷载有限，适用于低内水压力。随着防水、加固等需求增加，双层衬砌结构逐渐发展起来，其抗震性能、防水能力及承受内水压能力较单层衬砌有了显著提高[4]，典型工程包括：青松电站引水隧洞、南水北调工程团城湖至第九水厂输水隧洞、台山核电站取水盾构隧洞工程等[5-8]。

近年来，由于供水规模日益增大，输水管径、流量等随之增加，以往的输水结构在运营过程中会出现开裂、渗漏等现象[9-10]，因此一种新型的三层复合衬砌，即外衬管片-内衬混凝土-输水钢管复合结构开始应用于市政高压输水工程[11-13]，但目前对这种复合结构的相关研究及工程经验尚显不足，缺乏对其受力情况的研究分析。本文以某新型三层复合盾构输水隧道为研究对象，通过建立精细化有限元模型研究各结构的受力情况，为类似盾构输水隧道工程设计提供参考。

1 工程概况

该输水隧道位于我国东部地区，输水管道敷设在中心标高-22.30 m～-16.10 m粉质黏土夹粉砂中，全长约6.87 km，盾构法施工形成外衬管片，内部加设钢管用于输水通道，并在二者间隙之间注入密实混凝土，形成外衬管片-内衬混凝土-输水钢管三层复合结构。隧道基本情况如表1所示，输水隧道截面如图1所示。

表1 隧道基本情况一览表

图1 隧道断面示意图(单位：mm)

2 有限元模型建立

2.1 计算模型及材料属性

采用ABAQUS有限元软件建立整个数值分析模型，与地铁结构类似，每环管片采用“3+2+1”分块形式，即由3块A型管片、2块B型管片和1块K型管片组成，环向上设置2个8.8级弯螺栓连接管片，纵向上错缝拼装，整体连接情况如图2所示。根据盾构隧道基本情况，每环幅宽1.5 m，结合输水钢管实际施工焊接情况及模型计算效率因素等影响，取两段洞内焊接钢管长度即24 m的输水隧道模型作为研究对象，输水隧道模型见图3，其材料属性参数详见表2。

图2 管片拼装示意图

图3 输水隧道整体模型示意图

表2 主要部件材料属性及参数取值表

2.2 接触关系和边界条件

在管片-管片、管片-内衬混凝土及内衬混凝土-输水钢管三对接触关系中，其摩擦系数分别为0.5、0.5、0.3；考虑土与管片结构的相互作用，将土体用有限元中的土弹簧替代，每节管片节点均设置法向和切向接地弹簧，约束了管片的平移和转动位移，故不再设置其他边界条件[14-15]，结合地勘资料中研究截面处地基抗力系数及模型中管片网格面积，法向、切向弹簧抗拉刚度分别设为1 260 kN/m和420 kN/m。

2.3 荷载条件

本文着重研究盾构输水隧道在正常通水工况下的受力性能，因此计算载荷为过江段最深截面处的载荷，内水压最高至1 MPa。复合结构受到外水土荷载、自重及内水压的共同作用，输水隧道所处位置管片所受水土荷载如图4所示。根据现场勘测资料及计算所得，所受水土荷载参数如表3所示。

图4 输水隧道外部荷载示意图

表3 所受水土荷载参数

3 结果分析

3.1 管片变形

受周围土体的挤压，盾构管片竖向向内收敛，横向向外扩张，提高放大系数可以观察到(见图5)，管片整体呈扁椭圆状，与常规隧道变形情况类似[16-17]。当输水隧道通水后，扁椭圆变形趋势有所缓解。

图5 中央管片变形云图(单位:m)

为降低两侧边界条件的影响，取位于隧道中央管片环进行分析。如图6所示，随着内水压逐渐增大，管片竖向收敛位移逐渐减小，横向收敛位移逐渐增大。可以得出，未通水时，管片在外部水土压力下向内压缩变形；通水运营后，管道内部产生较高内水压，在与外部水土压力共同作用下，向内的竖直压缩位移相对减少，且随着内水压逐渐增大，管片水平向外扩张位移也随之增加。因此，未通水时，隧道整体变形呈扁椭圆状，通水后变形趋势有所缓解。

图6 中央管片变形与内水压关系图

3.2 管片与内衬混凝土

图7为管片在通水最大、最小主应力云图，可见管片总体应力分布较均匀，同时也可以观察到管片接头处的应力变化。其最大压、拉应力均较小，远小于管片轴心抗压强度设计值，由于本次模拟中管片混凝土未加设钢筋，出现了最大拉应力稍大于混凝土抗拉强度设计值的情况。

图7 管片主应力云图(单位:kPa)

如图8为内衬混凝土在通水时最大、最小主应力云图，其最大压、拉应力分别为6.281 MPa、2.054 MPa，均小于外衬管片。内衬混凝土基本不受接头影响，应力分布较为均匀。

图8 内衬混凝土主应力云图(单位:kPa)

3.3 接头受力变形

如图9为在通水时管片环向和纵向螺栓应力云图，环向螺栓、纵向螺栓最大应力分别为430.5 MPa、128.4 MPa，均小于8.8级M30螺栓的屈服强度640 MPa，且在正常通水时，管片主要受内水压及外部水土压力，均为环向力，而轴向基本上无显著应力。因此管片结构的环向受力及环向接头螺栓受力较为关键，且内水压越大，越有可能发生破坏，故在该工况下，纵向接头螺栓较为安全。

图9 1 MPa内水压作用下管片接头螺栓应力云图(单位:kPa)

由于管片连接处在输水过程中会收到张拉[18]，本文进一步研究了在通水工况下时中央管片各接头的张开情况(见表4)及接头变形情况(放大因数500，见图10)。结果表明，顶部1、2号接头的张开量比3—6号接头略大，但整体张开量均较小。考虑到管片整体为错缝连接，接头均匀分布，因此在通水工况下，接头张开的影响较小。

表4 中央接头张开量表

图10 环向接头变形云图

3.4 输水钢管

图11为输水钢管在内水压作用下所受最大应力的变化情况，可见最大应力值随着内水压的增大而增加，几乎呈线性正相关关系。在通水时(内水压1 MPa)输水钢管最大应力为91.71 MPa，低于钢管Q345R钢材的容许应力295.00 MPa，满足受力要求，不会发生破坏。

图11 输水钢管最大应力随内水压变化情况

4 结 论

本文对一种三层复合衬砌，即外衬管片-内衬混凝土-输水钢管盾构输水隧道进行有限元模拟，分析了在外部水土荷载和内部水压力作用下输水隧道管片、接头螺栓、内衬混凝土、输水钢管及焊缝的受力情况，为类似高内水压盾构输水隧道项目的优化设计提供参考。主要结论如下：

(1) 输水隧道未通水时，输水隧道会受到外侧土层压力作用，外衬管片竖向向内收敛，水平向外扩张，提高放大系数可见其整体呈现扁椭圆形。通水时，内水压通过内衬混凝土传递到外衬管片，扁椭圆变形趋势有所缓解。

(2) 外衬管片总体应力分布较均匀，在通水过程中，管片受到的压力较小，最大压应力远小于管片混凝土抗压强度要求，基本不会因受压而发生破坏。内衬混凝土的最大压、拉应力较小，且均小于管片，整体受力连续、均匀。

(3) 正常通水工况下，管片主要在环向上受力，轴向上无显著应力。在内水压及外部水土压力作用下，环向接缝处会出现一定程度的张开，但整体均较小，且由于错缝拼装，接头张开影响程度较小。

(4) 输水钢管最大应力值随着内水压的增大而增加，基本呈线性正相关关系。在隧道通水达到最高内水压时，输水钢管受力满足结构设计要求，不会发生破坏。