探讨引水隧道内水压力对隧洞衬砌结构稳定性的影响

郑泽平

揭阳市引水工程有限公司 广东 揭阳 522000

一直以来我国都十分重视水利工程建设，水工隧道工程也随之增多。通常水工隧道工程都建在地势险要的高山峡谷地带，会受到周围地质条件、水文环境的影响，埋深比较大，会承受来自隧道工程内外部的水压，影响到衬砌结构的稳定性[1,2]。针对这一问题，国内外很多学者都展开了相应的研究，从不同的角度及影响衬砌结构稳定性的各个方面探索其中的规律，并在不同领域取得了相应进展。比如我国研究人员通过实地监测、数值模拟、模型试验等方法，对隧洞内溶洞的位置、溶洞的大小、内外水压变化等方面进行系统性的计算分析，研究不同工况下对衬砌结构产生的影响[3,4]。

本文结合韩江粤东灌区续建配套与节水改造工程半洋隧洞引水工程（枫江- 半洋段）的施工情况，利用ABAQUS 有限元数据分析，建立隧洞衬砌结构模型，分析内水压力对衬砌结构稳定性的影响。

1 工程简介

韩江粤东灌区续建配套与节水改造工程半洋隧洞引水工程（枫江- 半洋段）是对原韩江粤东灌区主要灌溉渠道系统的改造工程，在工程改造完成后灌溉面积可达69.41 万亩。该引水工程全长9034m，引水设计流量16.52m3/ s，主要建设内容包括西山溪～古巷进洞口段（盾构法隧洞）、古巷～半洋段(钻爆法隧洞)及半洋隧洞出口～八支渠埋管段。工程主要建筑物级别为2 级；次要建筑物包括管道沿线附属建筑物等级别为3 级。该引水工程采用基础防渗结构形式的工程包括盾构工作井和顶管工作井进出洞口范围高压旋喷桩灌浆防渗体(简称旋喷桩墙)、盾构管线穿越现有建筑物时采用高压旋喷桩灌浆防渗体对地层进行加固及防渗，确保地表建筑物安全。该引水工程在完成施工后各方面情况稳定，围岩材料的特性与各种材料的相关指标见表1 和表2。

表1 围岩材料性能指标

表2 衬砌结构材料性能指标

2 研究方法

本次研究的对象为引水隧洞内衬砌结构的稳定性，探索当水压发生变化时结构的稳定性变化情况[7]。国内外许多专家学者对内水压作用下隧道衬砌结构的稳定性进行了深入的研究，通过建立数字化模型，模拟衬砌结构的受力情况，分析在内外水压力作用下衬砌结构与围岩结构之间存在的关系。例如崔戈[8]通过实地监测、建立数字化模型并进行了相关试验，详细调查了隧洞的位置、规模与内外水压的相关数据，对不同工况隧洞衬砌结构的稳定性影响因素进行了研究。本文结合前人的经验，在半洋隧洞内选取某处标准段三环，使用ABAQUS 有限元建立数字模型（如图1 所示），在图1（a）中CQ- 1、CQ- 2、CQ- 3 分别是三环管片衬砌；J1- J6 分别为六个接缝位置；A- F 分别表示管片。在引水隧洞设计中，衬砌、豆砾石采用线弹性材料，而螺栓、围岩分别采用理想线弹性材料和弹塑性材料，利用杆单元对螺栓进行模拟计算，另外其他的材料都采用八节点的方式。图1（b）为施加在隧洞衬砌结构上的水压力作用示意图[9]。

图1 引水隧洞标准段数字模型

3 有限元模型计算分析

3.1 管片衬砌变形与应力变化

在图2（a）中，受到内水压力的作用影响，管片衬砌出现变形情况，并且从上部开始逐渐向下部递减，径向上的管片在内水压力的作用下，产生向外的应力，造成管片衬砌出现变形。变形情况由上到下情况不一，以顶部变形最为明显，测量结果为0.732mm，以底部管片两侧接缝处的变形最为轻微，测量结果为0.466mm。

图2（b）显示，在整个管片模型中主要承受的是压应力，整体来看径向应力分布比较均匀，只是在接缝位置表现出比较集中的情况，经测量最大压应力为- 3.62MPa。

在管片衬砌出现变形的过程中，产生的环向应力主要表现为拉应力，主要作用于管片的中部，呈对称分布，应力最大的部位在管片中部，而两侧呈均匀状态分布[10]。经测量拉应力最大位置在管片的底部，达到了2.52MPa，而这个数值已经远远超出了混凝土的抗拉强度极限值1.89MPa。图2（c）中显示，管片衬砌内部拉应力明显大于外部的拉应力，根据这一现象，我们选择CQ- 2 环中部作为研究对象，将环径内侧顶部作为起始位置，经过一周后旋转后到达终点位置，所承受环向应力曲线见图2（d）。

因为衬砌结构底部有凹槽的缘故，造成图2（d）中虚框部分曲线波动，和其他部位的曲线相比变化较大，如果不考虑这一部分的变化，能够看出管片衬砌结构中的环向应力的变化趋势，在顶部时应力最小，中部时应力最大，最大值达到1.41MPa。

通过图2（e）和（f）可以看出，管片衬砌结构在内水压力的持续作用下，处在管片底部的凹槽位置，所承受拉应力的最大值为2.52MPa，已经远远超出了混凝土的抗拉强度1.89MPa，在内水压力的持续作用下易出现开裂问题。同时管片的最大压应力数值为3.66MPa，而混凝土的抗压强度为23.2MPa，远没有达到极限。

图2 管片位移与应力变化

综合图2（a）～（f），管片衬砌结构在内水压力的持续作用下，受到压应力的影响会出现向外变形的问题，此时所产生的压应力会被衬砌结构和围岩结构一起来承担。进一步对衬砌结构与围岩结构内水压力的承载比进行分析，能够了解到内水压力对衬砌管片的稳定性造成的影响。基于这方面考虑，在本次研究中以管片衬砌结构的顶部与底部两个位置为观测点，详细记录在内水压力作用的数据，见表3。

表3 管片衬砌环向应力与承载比分析

根据表3 可知，当衬砌结构与围岩结构受到内水压力的作用时，两者所的承载比在3.80%～5.80%之间，通过这一对比可以发现，在承担内水压力作用时围岩结构分担的压力占大部分，衬砌结构分担的压力占小部分。

3.2 接缝开度与环向螺栓应力分析

由于管片衬砌模型的两端可能会受到位移边界的影响，因此我们选择居于中部的CQ- 2 环进行分析，绘制接缝与环向螺栓示意图，见图3。详细记录接缝开度变化情况，见表4。

通过对图3 和表4 进行分析，CQ- 2 环接缝平均开度会随着水头压力大小出现变化，总体情况是水压变大则平均开度随之增大。

图3 接缝与环向螺栓示意图

从表4 中可以看出，当水头达到100m，此时接缝总平均开度值为0.267mm，当水头继续增加到200m，总平均开度值为0.525mm。我们还发现，J1、J2、J3 与对侧的J6、J5、J4 分别处在相对应的位置，而它们的接缝开度也相差无几，因此这6 处接缝位置的接缝开度存在以下规律：J1=J6＜J2=J5＜J3=J4。通过图3（b）中可以看出，当处于同一水头条件时，水头与接缝开度之间存在着线性关系，且两侧对应接缝开度平均值变化较小。

表4 CQ- 2 环接缝开度变化情况

在衬砌结构中一向螺栓对接缝开度起到了一定的控制作用，再以CQ- 2 环向螺栓应力进行分析，实验结果见表5。当管片衬砌接缝开度逐渐变大时，处于同一接缝环向螺栓的拉应力也会出现相应变化，随之而变大。通过表5 可以看出，处于J3 和J4 位置所受到的应力值最大，处于J1 和J6 位置所受到的应力值最小。

表5 CQ- 2 环向螺栓各部位应力值

4 增强管片衬砌结构稳定性的技术措施

在内水压力的作用下，管片衬砌结构会逐步发生变形，环接缝也会发生变化，隧洞逐渐进入塑性带裂缝工作状态。如果地层越软，则隧洞的失稳状态越严重，根据以往经验，如不遇到突发的水位涨落、地震等情况，中硬粘土地层、软粘土地层中盾构隧道比较稳定的，如果是极软粘土地层，则发生隧洞失稳的概率要高的多。针对这种情况，建议更换土体或者对土体进行改良，对管片衬砌结构进行加固处理，以增强隧洞的稳定性。

在内水压力作用下，管片接缝开度会发生相应的变化，隧道的稳定性也受到很大影响。因此，在探明管片接头抗弯性能后，可以考虑使用非恒定接头抗弯刚度的双重非线性有限元分析方法来计算管片衬砌的失稳性，计算结果更加精确。

5 结论

本文运用ABAQUS 有限元分析，建立数字化模型，用来研究引水隧洞内水压力对衬砌结构造成的影响，通过本次研究发现：

（1）当管片衬砌结构受到内水压力的作用时，整体会发生一定的变形，变形状态是顶部最为明显，从上到下呈递减状态，以底部管片两侧接缝位置变形最小；

（2）通过研究对比发现，管片衬砌结构受到的压应力较为明显，而拉应力不明显，压应力的分布情况是径向均匀，在管片接缝处受到的应力作用较为集中。在压应力作用下管片衬砌结构开始向外部出现变形，此时环向拉应力较为明显，呈现对称分布的状态，应力主要集中在管片的中部位置，中部应力较大，两侧呈现均匀分布状态。此时管片底部凹槽位置所受到的拉应力最大，在持续受力的情况下会发生开裂问题。

（3）衬砌结构与围岩结构共同承担来自隧洞内水压力的作用，在经过数据对比分析后得出结果，两者对内水压力的承载比在3.8%～5.8%，围岩结构承担了更多来自于内水压力的作用，而衬砌结构所承担的相对要小一些。

（4）针对衬砌接缝开度的研究，当接缝开度逐渐变大时，环向螺栓所受到的拉应力随之而变大，在两侧相对应的位置应力大小相差较小。研究中发现，处于J3 和J4 位置的应力最大，而处于J1 和J6 位置的应力最小。

（5）当处于同一水头条件时，水头与接缝开度之间存在着线性关系，且两侧对应接缝开度平均值变化较小，平均开度变化规律为J1=J6＜J2=J5＜J3=J4。