水位变化对隧洞衬砌管片变形影响研究

赵玉军

（酒泉市水利综合事务中心,甘肃 酒泉 735000）

1 引言

随着我国城市建设的快速发展,隧洞建设规模和里程也越来越长,隧洞形状、地质条件也越来越复杂。实际工程中出现许多由于隧洞设计及施工不当导致的变形及开裂问题,带来了严重的社会影响。其中隧洞在开挖过程中需要进行衬砌支护,但受多种因素的影响,衬砌管片容易发生变形和开裂,因此关于衬砌开裂的影响因素是目前国内外研究重点和难点。艾国平等[1]基于数值模拟研究了富水地层管片上浮计算方法。结果表明,较低的地下水压力对抑制管片上浮具有积极影响,开挖过程中应合理控制管片注浆比。张志华等[2]基于离散元数值模拟研究了水位波动下地铁行车荷载对越江隧洞管片变形的影响。结果表明,洪水位下管片的拉压应力比正常水位下大4 倍,实际工程中应加强管片监测和维护。郑中刚[3]采用数值模拟研究了富水地层泥水盾构管片上浮效应,给出了注浆参数对管片上浮的影响规律。方勇等[4]基于物理模型试验研究了下穿黄河盾构隧洞管片衬砌结构受力特征,研究了水压及土压力对衬砌变形的影响,结果表明,正常水压下,管片结构的轴力随侧压力系数的增大而增大,弯矩减小。黄清飞[5]基于理论解析法研究了水位对盾构隧洞管片结构内力影响,推导了不同上覆条件下水位变化对衬砌管片的内力计算方法。本文基于现场监测数据和数值模拟详细的分析水位变化对隧洞衬砌管片的变形影响。

2 工程概况及现场监测

2.1 工程概况

工程为城市内隧洞工程,隧洞位于软土地层,隧洞区间穿越的岩层由上至下分别为素填土、淤泥质黏土、砂砾土、强风化泥质粉砂岩和中风化泥质粉砂岩。各层土体的厚度见图1。隧洞最大埋深为26 m。本文研究隧洞区间主要处于中风化泥质粉砂岩地层。隧洞围岩质量为Ⅲ级。

图1 隧洞地层典型断面图

自2020年进入雨季以来,研究区出现强降雨,水位大幅上升并超出警戒线。水位上升一方面会导致隧洞积水,另一方面动静水压力可能会作用于衬砌管片结构,造成变形和开裂。

2.2 现场监测

根据研究区的水文地质和工程地质条件,考虑隧洞区间多处于中风化泥质粉砂岩,选取两处典型断面进行混凝土应变监测。应变计采用表面粘贴式混凝土应变计,可实时监测混凝土应变及应变差值等。应变计布置的位置主要有两处断面的的拱底、拱腰及拱顶处。

监测持续时长为4 个月。监测内容主要包括温度、混凝土应变以及地下水位在监测周期内的变化情况。图2 汇总得到研究区监测时段内水位变化过程。结果表明,研究区自7 月开始进入雨季,导致水位大幅上升,到7 月11 日,水位达到23.8 m。随后,水位持续下降,到监测结束时,水位为16 m。

图2 研究区监测期水位变化曲线

图3 汇总得到监测时段内,衬砌管片6 个测点的应变变化规律。结果表明,在整个监测期间,应变保持比较稳定,但监测初始时期,应变值波动比较大,这主要是由于粘贴过程中对应变计产生一定的应力导致的。根据监测点应变与水位变化对比分析发现：

图3 管片应变变化曲线

（1）管片应变值随水位的增大而增大。强降雨后水位下降过程中拱底应变值随水位的下降而减小。其中1#应变计由2880 降低至2800,降低了80；2#应变计由3050 降低至3000,累计降低50。

（2）水位进一步降低,3#应变计应变由从2540 增大至2600,4#应变计从2800 上升到2860。总体来看,水位降低会导致衬砌管片拱腰位置纵向处于受拉状态。

（3）根据5#应变计和6#应变计的变化发现,5#和6#应变计应变减小,总体来看,水位降低会导致衬砌管片拱顶位置纵向处于受压状态。

3 数值模拟

3.1 计算参数

为进一步分析管片的变形规律,本文建立数值模型进行深入分析。模型整体尺寸为24 m×50 m×39 m。模型计算参数主要参考既有相关研究和工程经验,结果汇总于表1。

表1 模型计算物理力学参数

3.2 计算结果

计算中将水位高度折算为水压力作为均布荷载施加于模型顶部位置,最终获得隧洞拱顶、拱底和拱腰位置处不同水位情况下隧洞纵向应力的变化情况,见图4~图6。其中应力为正表示受拉,负值为受压。结果表明,隧洞拱底位置剪应力最大,此外,隧洞拱顶和拱底均处于受拉状态,而拱腰处于受压状态。

图4 拱底纵向应力变化曲线

图5 拱腰纵向应力变化曲线

进一步分析计算结果发现,当水位由21 m 降低至16 m时。拱底区域A 环管片应力由870 kPa 降低至640 kPa,降低了26%。拱腰位置由560 kPa 降低至420 kPa,降低了25%。拱顶位置由290 kPa 降低至50 kPa,降低了83%；对于B 环管片而言,拱底区域应力由810 kPa 降低至610 kPa,降低了25%。拱腰位置由510 kPa 降低至390 kPa,降低了23%。拱顶位置由300 kPa 降低至80 kPa,降低了273%。因此,水位越高,隧洞管片纵向应力越大。此外,拱顶处应力的变化速率要远远大于拱底区域。这是由于隧洞顶部受水位的变化影响更大。另一方面由于水位的上升导致水的上浮力主要作用至拱底和拱腰位置,进一步可导致隧洞发生不均匀变形及下沉等工程问题。

4 结论

本文基于某水工隧洞工程，基于现场监测数据和数值模拟研究水位变化对衬砌管片的变形影响，得到如下结论：

（1）当水位变化时,隧洞拱底位置剪应力最大。此外,隧洞拱顶和拱底均处于受拉状态,而拱腰处于受压状态。水位下降幅度越大,管片产生的作用力越大。

（2）隧洞拱顶受水位的波动比其他区域更大,其他条件相同的情况下,当水位由21 m 降低至16 m 时。拱底、拱腰和拱底位置处的应力均显著降低,其中以拱底区域A 环管片应力为例,应力由870 kPa 降低至640 kPa,拱腰位置由560 kPa 降低至420 kPa,拱顶位置由290 kPa 降低至50 kPa。

（3）水位越高,隧洞管片纵向应力越大。由于隧洞顶部受水位的变化影响更大导致拱顶处应力的变化速率要远远大于拱底区域。

通过本文的研究,水位变化对隧洞衬砌管片的影响比较大。实际工程施工中,应充分考虑水位上升可能导致的管片变形和开裂,尤其是雨季施工中要做好降水措施,并进行相关的监测,出现问题及时排除和治理。