复合式衬砌结构原位试验与数值分析

张 宇

(广东河海工程咨询有限公司，广州 510610)

1 概 述

随着社会用水需求的增大，输水隧洞的内压增大。其中，单层衬砌结构承载能力及耐久性有限，无法承受输水隧洞的内水压力[1]。因此，工程中常采用双层衬砌结构，以保证隧洞的安全性及耐久性[2]。

双层衬砌结构存在两层结构，其结构受力及变形情况难以分析。双层复合式衬砌结构采取先后两次支护，其中各构件联合承担相关应力，有利于提高结构稳定性。但其结构复杂，受力传递机理、变形情况尚不明确，已成为国内外研究的热点问题。孙明社等[3]以复合式衬砌结构为研究对象，分析评价其围岩和支护应力。粟威[4]以高速铁路隧道复合式衬砌结构为研究对象，提高收敛约束法分析其结构可靠性。陈建勋[5]等选取3种复合式衬砌结构进行有限元分析，分析其衬砌内力、安全系数及洞周位移。金星亮[6]等通过数值模拟及现场试验，评估衬砌结构的安全度，并分析其受力机理。

上述研究较少涉及对双层衬砌结构承载性能研究，且多数研究以数值模拟为主，缺少实际工程的应用数据。本文以某地区水资源配置工程为研究对象，采取新型内压加载体系，利用原位试验及数值模拟结合的方法，分析其裂缝宽度、接缝张开量及螺栓应力随内水压力变化趋势。

2 原位试验

本研究以某地区水资源配置工程为结构选型，该工程主要位于全风化片麻岩内，全风化岩以砂质黏土、砂土为主。该工程全长113 km，最高设计内水压力为1.55 MPa。内水压力较大、盾构施工较长导致其衬砌选型设计困难，故利用原位试验为该工程设计施工提供相关依据。分别设至单层衬砌(区间1)、双层复合式衬砌(区间2)、三层钢内衬分离式(区间3)和叠合式衬砌结构(区间4)为试验区间，见图1。设置结构区间、组区间间距分别为15、3 m。本研究主要以区间2为研究对象，分析其联合承载和结构失效工程，探讨其变形规律。

2.1 衬砌结构型式

复合式衬砌结构见图2。B1-B3为标准块，L1-L2为领接块，F为封顶块。内衬采用C30现浇钢筋混凝土，其厚度为600 mm，环向受力筋为HRB400，其间仅传递压力，不涉及拉力和剪力。外衬采用C55混凝土，环向受力钢筋为HRB400。受洞内空间影响，本研究针对其内水压力模拟方法、监测仪器布设方式进行探讨。基于以上研究，分析该结构的联合承载性能。

图1 原位试验纵剖面

图2 复合式衬砌结构

2.2 加载系统

本研究采用16路精准加压伺服系统控制洞内水压力，见图3。通过充水特制柔性囊体和高强度内撑钢管实现加载过程。当囊体内注水时，钢架与内衬之间被充满，为内衬结构提供法向压力，模拟隧洞衬砌受内水压力。内压分21级加载，每级持续30 min，每组加压卸载循环3次。加载范围为0～0.60 MPa，1-6级每级加载0.05 MPa，7-21级每级加载0.02 MPa。

图3 加载装置

3 有限元模型

由于上述试验加载范围有限，缺少对于其结构极限承载能力的研究。为保证其结构安全性，针对上述复合式衬砌结构进行有限元分析。

采用有限元软件对复合式衬砌结构进行建模分析，共考虑273 607个单元和95 732个节点。复合式衬砌结构主要包括混凝土、钢和橡胶，其相关参数见表1。

表1 材料参数

在有限元模型中，采用总应变裂缝模型模拟混凝土结构，其接触面摩擦系数取0.6，与钢材接触面摩擦系数取0.3。采用Von Mises模型对钢筋与螺栓进行模拟。橡胶间接触摩擦系数取0.4[7-8]。

复合式衬砌结构荷载-结构法示意图见图4，其内荷载施加于结构内表面。在有限元软件中，设置全周受压弹簧表征围岩约束作用[9]，分16级加载，每级加载0.05 MPa，最大内水压力为0.08 MPa。

图4 荷载-结构法示意图

4 不同内压下的结构响应

4.1 裂缝宽度

通过有限元软件数值仿真可对衬砌表面的裂缝宽度进行精确测量，最大裂缝宽度见图5。由图5可见，外衬内侧裂缝宽度最大的为B1块，宽度为0.241，裂缝宽度最小的为B2块；内衬内侧裂缝宽度最大的为B1块，最大裂缝宽度为0.256，裂缝宽度最小的为F块。外衬B1块和B3块裂缝宽度较大，B2块裂缝宽度最小。随内水压力的增大，外衬F、L1、L2和B2块裂缝宽度变化趋势较为平稳。当内水压力为0～0.5 MPa时，外衬B1块裂缝宽度变化趋势较为平稳；当内水压力大于0.5 MPa时，外衬B1块裂缝宽度发生突变，其裂缝宽度增幅变大；当内水压力为0～0.6 MPa时，外衬B3块裂缝宽度变化趋势较为平稳；当内水压力大于0.6 MPa时，其裂缝宽度增速明显变大。受内水压力的影响，外衬内侧裂缝主要发生在管片的顶部和底部。根据水工混凝土结构设计规范可得，裂缝宽度最大值为0.2 mm。当内水压力为0.7 MPa时，外衬B1块裂缝宽度为0.216 mm，超出规范规定的裂缝宽度最大值[10]。

内衬B1块和B3块裂缝宽度较大，B2块裂缝宽度较小。随内水压力的增大，内衬F、L1、L2和B2块裂缝宽度变化趋势较为平稳。当内水压力大于0.35 MPa时，内衬B1块裂缝宽度发生突变，其裂缝宽度明显增大；当内水压力大于0.6 MPa时，内衬B3裂缝宽度增长趋势突变，增速显著；当内水压力大于0.6 MPa时，内衬B1块裂缝宽度为0.217 mm，大于规范所规定的最大裂缝宽度。

图5 最大裂缝宽度

由上述分析可得，裂缝宽度前期发展趋势较为平缓，无突变情况。随着内水压力的变化，内衬钢筋混凝土构件首先出现裂缝。当内水压力大于0.35 MPa时，由于其整体刚度减小，裂缝宽度发生突变；当内水压力超过0.6 MPa时，内衬裂缝宽度超过规定限值，内压的受力减小，外衬管片受压增大；当内水压力为0.7 MPa时，外衬达到正常使用极限状态。

4.2 管片接缝张开量

对比分析原位试验与数值模拟结果，其管片接缝张开量见图6。由图6(a)可得，管片接缝张开量与内水压力存在正相关关系，随内水压力的变化，管片接缝张开量逐渐增大。L1-B1接缝处接缝张开量增长速度最快，B3-L2接缝处接缝张开量增长速度最为平缓。当内水压力最大时，各接缝处接缝张开量均小于规范接缝张开最小值(2 mm)，未达到极限状态，结构较为稳定安全。

由图6(b)可得，数值模拟结果随内水压力变化趋势较为明显，各接缝处接缝张开量均大于原位试验。其接缝张开量随内水压力的增大而增大，存在显著正相关关系，且其增长幅度远大于原位试验结果随内水压力的变化，管片接缝张开量逐渐增大。B2-L2接缝处接缝张开量增长速度最快，L2-F接缝处接缝张开量增长速度最为平缓。数值模拟接缝张开量结果与图5(b)内衬内侧裂缝宽度变化趋势较为接近。在内水压力达到0.35 MPa时，其接缝张开量发生突变，增长趋势显著；当内水压力达到0.60 MPa时，接缝张开量增速显著提高。数值模拟各接缝最大接缝张开量较大的分别为B3-L2和L1-B1接缝处，其最大值为0.78 mm；最小接缝张开量为L2-F，其最小值为0.166 mm。B3-L2和L1-B1接缝分别位于构建的顶部与底部，与上述裂缝宽度最大值规律相似。说明该结构的顶部和底部较为危险，为薄弱部位。由于该衬砌结构顶部受力小于底部受力，且B2块刚度大于F块，使其接缝张开量呈现上部和右侧增长量较大的情况。

图6 管片接缝张开量

5 结 论

本研究以某地区水资源工程为研究对象，对其复合式衬砌结构进行研究，对其进行原位试验及有限元模拟分析。对比分析其裂缝宽度、接缝张开量及螺栓应力随内水压力变化趋势结果，分析其受力方式和变形规律。结论如下：

1) 在原位实验中，采用新型加载方法，对内水压力进行模拟。由于原位试验的局限性，应变计布置与实际情况有一定的差异，螺栓应力不能被全面反映。该加载方法仍有改善空间。

2) 当内水压力超过0.6 MPa时，内衬裂缝宽度超过规定限值，内压的受力减小，外衬管片受压增大。内水压力为0.7 MPa时，外衬达到正常使用极限状态。

3) 当内水压力达到0.60 MPa时，接缝张开量增速显著提高。数值模拟各接缝最大接缝张开量较大的分别为B3-L2和L1-B1接缝处，其最大值为0.78 mm；最小接缝张开量为L2-F，其最小值为0.166 mm。