基于沉降變異影響下水工隧洞襯砌結(jié)構(gòu)開(kāi)裂機(jī)理研究

【摘要】我國(guó)西北地區(qū)基本上是干旱和半干旱地區(qū)，降水量較少，水資源地區(qū)分布極不均勻，因而建設(shè)了一批引水供水工程，比如引大入秦工程、引洮供水一期工程等。黃土高原有著其獨(dú)特的地形地貌及地質(zhì)，工程的建設(shè)需要考慮諸多因素，特別是隧洞工程，在大型水利工程項(xiàng)目中占有很大的比例。目前陜西地區(qū)正在興建的水工隧洞數(shù)量眾多，當(dāng)?shù)氐乃矶垂こ痰刭|(zhì)多為黃土，因此充分考慮這種地質(zhì)狀況，認(rèn)真研究黃土水工隧洞的襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算，進(jìn)而分析其開(kāi)裂的機(jī)理，對(duì)水工隧洞的建設(shè)與穩(wěn)定運(yùn)行有著重要的意義。

【關(guān)鍵詞】沉降變異；水工隧洞；襯砌結(jié)構(gòu)；開(kāi)裂機(jī)理

1、前言

由于黃土濕陷性造成的建筑物地基變形，其特點(diǎn)是一大二塊，一般變形都比較強(qiáng)烈，常常是正常壓縮變形的數(shù)倍，有時(shí)甚至是數(shù)十倍；濕陷變形通常是比較迅速的，遠(yuǎn)比正常壓密的固結(jié)時(shí)間快得多，許多工程事故證明，往往地基浸水一、兩天內(nèi)就能“見(jiàn)效”。濕陷性對(duì)工程建筑物有百害而無(wú)一利。

2、黃土水工隧洞的特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 黃土隧洞的特點(diǎn)

黃土隧洞破壞變形的形式主要有掉塊、塌方、剝落（“片幫”）、滑塌等，黃土隧洞圍巖的堅(jiān)固系數(shù)f=0.4～0.6，開(kāi)挖后圍巖有一定的自穩(wěn)能力，但自穩(wěn)時(shí)間短，此外還存在底板濕陷變形問(wèn)題。黃土隧洞的地應(yīng)力大小主要取決于隧洞上覆土層的重量，洞室開(kāi)挖后，由于圍巖臨空，圍巖應(yīng)力重分布，洞壁處切向應(yīng)力達(dá)到最大值，從而迫使巖體向洞內(nèi)松弛變形。如果巖體強(qiáng)度足以抵抗上述應(yīng)力集中，則洞室就會(huì)保持穩(wěn)定，否則，就會(huì)由于松弛位移變形導(dǎo)致破壞。一般在洞室頂部出現(xiàn)拉應(yīng)力，而使頂部圍巖松動(dòng)掉塊、塌方，洞室兩壁出現(xiàn)楔形剪切體，產(chǎn)生滑移破壞。

2.2黃土水工隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）斷面形式選擇

黃土隧洞圍巖均為輕、重粉質(zhì)壤土，部分洞段為飽水土，屬于極軟巖。隧洞洞身圍巖均屬于V類極軟巖。為適應(yīng)極差的圍巖工程地質(zhì)條件，承擔(dān)較大的山巖荷載，黃土隧洞一般選用三心圓拱曲墻弧底（反拱）類馬蹄型斷面型式—V～VI型。

（2）一、二次支護(hù)設(shè)計(jì)

黃土隧洞極不穩(wěn)定，隧洞開(kāi)挖后圍巖有一定的自穩(wěn)能力，但自穩(wěn)時(shí)間短，如不及時(shí)支護(hù)，容易出現(xiàn)塌方、冒頂?shù)韧话l(fā)事故。黃土隧洞的變形與否及穩(wěn)定程度除與其土性、含水量、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造有關(guān)外，還與施工方法和支護(hù)形式有關(guān)，宜采用全斷面襯砌支護(hù)型式。

對(duì)于這種分一、二次支護(hù)的復(fù)合式襯砌，其一次支護(hù)形式主要采用及時(shí)掛網(wǎng)噴混凝土，加設(shè)鋼拱架（鋼格柵），必要時(shí)加設(shè)錨桿及超前鋼管管棚。在引洮供水一期工程黃土隧洞的施工過(guò)程中，經(jīng)變形觀測(cè)，一次支護(hù)后圍巖沒(méi)有發(fā)生明顯的變形，洞室穩(wěn)定，說(shuō)明一次支護(hù)措施得當(dāng)。二次支護(hù)主要采用全斷面現(xiàn)澆鋼筋砼，澆筑段長(zhǎng)8～12m，設(shè)永久伸縮縫。

由于隧洞襯砌都是超靜定結(jié)構(gòu)，故在開(kāi)始設(shè)計(jì)時(shí)必須根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定厚度，再進(jìn)行靜力分析。分析結(jié)果，如認(rèn)為設(shè)定的厚度不適當(dāng)，則應(yīng)重行設(shè)定厚度，進(jìn)行分析。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)資料。對(duì)于素混凝土的襯砌，以巖體堅(jiān)固系數(shù)為橫坐標(biāo)，以襯砌厚度與凈跨距的比值為縱坐標(biāo)，建立相應(yīng)的曲線。已知凈跨距和堅(jiān)固系數(shù)后，即可求出所需襯砌項(xiàng)拱的厚度。

3、水工隧洞平面有限元模型

3.1分析問(wèn)題類型

本文根據(jù)水工隧洞工程其實(shí)際的特點(diǎn)，在平面應(yīng)變的模型中我們對(duì)整個(gè)研究范圍均采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬計(jì)算，在靜力分析過(guò)程中，水工隧洞縱向有很長(zhǎng)的延伸，而研究的該段其斷面的大小和形狀沿著縱向不變，所以水工隧洞屬于平面應(yīng)變問(wèn)題。

3.2材料屬性

在計(jì)算前需要對(duì)這兩種材料設(shè)置物理力學(xué)性質(zhì)，如：材料的彈性模量、粘聚力、泊松比、內(nèi)摩擦角、容重、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度。

3.3單元屬性定義

在網(wǎng)格劃分前，還要對(duì)模型中我們使用的單元屬性來(lái)進(jìn)來(lái)定義，即把各種材料特性值分別賦予給其模型，使得該模型具有與實(shí)際工程一樣的特性。它包含了單元類型定義、實(shí)常數(shù)定義、材料特性定義、截面定義等。

3.4有限元網(wǎng)格劃分

整個(gè)分析步驟當(dāng)中最為重要一步為網(wǎng)格劃分，其恰當(dāng)與否直接關(guān)系到計(jì)算成功與否，它的目的是把水工隧洞模型進(jìn)行細(xì)化處理成節(jié)點(diǎn)和單元，因此該步驟對(duì)分析的經(jīng)濟(jì)性和準(zhǔn)確性起著決定性影響。本文對(duì)水工隧洞模型的圍巖、混凝土襯砌均采用四節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變縮減積分單元（CPE4R）進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分方法為：在襯砌較近區(qū)域內(nèi)劃分較密集的網(wǎng)格，在離隧洞相對(duì)較遠(yuǎn)的圍巖區(qū)域處劃分相對(duì)稀疏的網(wǎng)格，這樣可以較好的分析水工隧洞的應(yīng)力和應(yīng)變。

3.5計(jì)算荷載

根據(jù)水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范可知，水工隧洞的計(jì)算荷載有圍巖壓力、襯砌自重、內(nèi)水壓力，外水壓力。在運(yùn)行期水庫(kù)截流后蓄水到正常水位時(shí)，主要是通過(guò)襯砌來(lái)承擔(dān)外水壓力，按照水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范和本文的實(shí)際工程概況可知，城門洞型水工隧洞一般為無(wú)壓隧洞，因?yàn)楸疚氖菍?duì)水工隧洞襯砌做規(guī)律性的分析，內(nèi)水的水頭很小，且內(nèi)水壓力對(duì)本文分析為有利因素荷載，在此我們將設(shè)置其最不利的工況，因此不考慮有利因素內(nèi)水水頭。

3.6邊界條件

該平面模型中的圍巖計(jì)算范圍中左右邊界采用水平約束，允許其豎向變位，下邊界采用豎向約束，允許其水平變位，其余部位均為自由節(jié)點(diǎn)。

結(jié)語(yǔ)：

總而言之，本文以漢村隧洞為依托，采用有限元法對(duì)該隧洞的混凝土襯砌進(jìn)行了結(jié)構(gòu)計(jì)算，研究了水工隧洞在不同工況下的應(yīng)力、位移分布規(guī)律，并分析了高跨比對(duì)隧洞襯砌工作狀態(tài)的影響，對(duì)隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂機(jī)理進(jìn)行了比較深入的分析研究，對(duì)從事隧洞研究的技術(shù)人員具有一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]張蕾.關(guān)于水工隧洞襯砌結(jié)構(gòu)限裂的分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014（31）：209-209.

[2]李燕波.高地?zé)釛l件下水工隧洞襯砌穩(wěn)定性及早期抗裂性研究[D].烏魯木齊：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，2016.

[3]周月霞.水工隧洞混凝土裂縫分析及加固研究[D].北京：中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，2016.

[4]毛爽.水工隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的缺陷檢測(cè)及穩(wěn)定性分析[J].江西建材，2015（01）：128-129.