水工隧洞鋼筋混凝土襯砌開裂加固設計方法研究

鹿 寧，邱 敏，張文江

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

出于經(jīng)濟效益和施工方便的考慮，目前水工隧洞中大量采用鋼筋混凝土襯砌。而水工隧洞鋼筋混凝土襯砌往往受內(nèi)壓、圍巖軟化、溫度收縮變形等影響而導致鋼筋混凝土襯砌開裂。中國許多水電工程，如天生橋一級、公伯峽、周寧、惠蓄等水電工程的水工隧洞均不同程度地存在襯砌混凝土開裂現(xiàn)象[1-3]。襯砌開裂將導致滲漏問題，嚴重滲漏會危及水工隧洞的耐久性和結(jié)構安全，并且造成一定的經(jīng)濟損失；部分隧洞充水運行后產(chǎn)生了嚴重的開裂滲水，影響了水電站正常運行，并給隧洞維護帶來了難度[4-9]。本文結(jié)合某境外水工隧洞的襯砌混凝土開裂問題，對水工隧洞鋼筋混凝土襯砌開裂的修補設計進行了計算分析，并提出了相應的修補措施。

1 工程簡介

該工程尾水隧洞因水庫建成蓄水后地下水位線抬高，形成了水工隧洞的高外水問題。根據(jù)水文地質(zhì)分析，尾水隧洞最大外水水頭約76 m。經(jīng)過多年運行，襯砌混凝土已出現(xiàn)裂縫；在高外水壓作用下，裂縫兩側(cè)襯砌脫離巖壁，無法與之形成聯(lián)合受力結(jié)構，從而導致襯砌結(jié)構自身承載能力急劇降低。這樣對隧洞運行期和檢修期的安全會造成不利的影響，同時增加工程后期運行風險，正常檢查維修也受到很大影響。根據(jù)對混凝土裂縫的調(diào)查，尾水洞混凝土襯砌出現(xiàn)裂縫并漏水，裂縫主要發(fā)生在尾水隧洞混凝土襯砌的腰部(如圖1)。

圖1 尾水隧洞裂縫在隧洞典型橫斷面的位置圖

根據(jù)裂縫開裂機理的分析，筆者提出采取固結(jié)灌漿加錨桿支護的修補加固方案，先在裂縫出現(xiàn)部位補充設置一定數(shù)量的支護錨桿，將混凝土襯砌結(jié)構與圍巖緊密結(jié)合；同時采用深孔高壓固結(jié)灌漿提高圍巖的承載能力并降低圍巖滲透系數(shù)。通過在隧洞周圍形成一定厚度、具有一定承載能力的圍巖固結(jié)圈,再以錨桿將圍巖固結(jié)圈與襯砌重新連成整體，重新形成聯(lián)合受力結(jié)構,因此不論隧洞的荷載是內(nèi)水壓力還是外水壓力，均可達到圍巖與襯砌聯(lián)合受力。

2 理論方法

據(jù)此修補方案，本文擬對開裂的混凝土襯砌和支護后的襯砌均進行結(jié)構受力分析，對比采取支護前后結(jié)構承載能力的增加，驗證本文采取的襯砌加固處理措施行之有效，且滿足建筑物安全使用的要求。為了在現(xiàn)場處理時快速得到襯砌結(jié)構的設計結(jié)果，對襯砌結(jié)構采用梁單元進行簡化模擬，不考慮鋼筋對襯砌結(jié)構剛度的影響;襯砌外部的圍巖使用GAP單元模擬以降低分析難度和規(guī)模。該單元的力學行為在受壓時為彈簧單元，壓力與變形符合胡克定理；受拉時單元與襯砌脫離，對襯砌不產(chǎn)生拉力。

GAP單元的力學行為描述如下：

(1)

式中：k為彈簧單元常數(shù)，且open為初始縫開啟，其必須為零或正值。

根據(jù)混凝土塑性鉸理論，按裂縫的開裂程度和對襯砌結(jié)構的影響，將裂縫分為2種簡化模型進行模擬。第1種裂縫模型:假定只是混凝土出現(xiàn)裂縫，環(huán)向鋼筋仍完整處于受力狀態(tài)。由于鋼筋的錨固作用，裂縫兩側(cè)襯砌仍不能發(fā)生相對位移(傳遞剪力和軸力)，但可以發(fā)生相對轉(zhuǎn)動(不傳遞彎矩)。因此可用鉸節(jié)點模擬裂縫區(qū)襯砌,如圖2。第2種裂縫模型:假定混凝土出現(xiàn)裂縫，并且不考慮環(huán)向鋼筋的錨固作用。則此時裂縫兩側(cè)混凝土襯砌可以發(fā)生徑向相對位移(不傳遞剪力)和相對轉(zhuǎn)動(不傳遞彎矩)。因此可用連桿模擬裂縫區(qū)襯砌,如圖3。

本文采用錨桿對襯砌裂縫區(qū)域進行加固?？紤]錨桿結(jié)構的軸向剛度，將錨桿以彈簧單元進行模擬。有限元模型見圖4。

圖2 第1種裂縫模型圖

圖3 第2種裂縫模型圖

圖4 有限元計算模型圖

3 加固方案

加固設計的原則是采用安全、經(jīng)濟的加固措施，使被加固物回復或部分回復原有的設計功能?？紤]到錨桿作為常規(guī)支護措施，效果安全有效，施工簡單方便，費用經(jīng)濟,因此針對尾水洞裂縫比較集中的范圍采用錨桿進行加固處理。鑒于裂縫多現(xiàn)于尾水洞腰線上下1 m范圍的特性，在尾水洞兩側(cè)腰線上下0.5 m范圍各設置1根錨桿，錨桿為Φ22的螺紋鋼，錨桿長度為2.5 m，沿水流方向的間距為2 m，錨桿的具體布置見圖5。

圖5 錨桿布置圖 單位：cm

工程2006年竣工，目前已運行12 a，因此施工期工況不進行復核。隧洞襯砌結(jié)構在正常運行時，內(nèi)水壓力主要由圍巖承擔，故正常運行不屬于控制工況。但是在檢修工況時，襯砌結(jié)構將承擔巨大的外水壓力(76 m)，因此本文著重計算檢修工況。計算時，外水折減系數(shù)取0.8。

4 計算結(jié)果及分析

由表1可以看出，修補后的混凝土襯砌變形明顯小于未修補的。由表2可以看出,在外水壓力作用下，有錨桿支護的混凝土襯砌所受內(nèi)力也要小于無支護的混凝土襯砌。因此，采用錨桿支護可以改善混凝土襯砌的受力條件，對混凝土襯砌結(jié)構是有利的。根據(jù)以上計算結(jié)果可知：

表1 襯砌水平變形表

表2 襯砌內(nèi)力表

(1) 對比襯砌修補前后，襯砌的變形與內(nèi)力均比未修補??；修補后襯砌的變形量減少明顯并控制在1.0 mm以下，修補后發(fā)生裂縫的腰部彎矩約是未修補時的20%。因此，本文采取的修補措施是有效的，并可以較好地改善混凝土襯砌的受力情況，對提高混凝土襯砌結(jié)構承載能力是有利的。

(2) 剪力和彎矩的最大位置發(fā)生在隧洞底部兩側(cè)，與結(jié)構的受力理論結(jié)果一致。從尾水洞結(jié)構受力情況可知，尾水洞的底部兩側(cè)受力最大，但尾水洞底部兩側(cè)沒有出現(xiàn)裂縫，而在內(nèi)力較小的腰部產(chǎn)生了裂縫。裂縫的產(chǎn)生與尾水洞混凝土溫控、混凝土施工過程以及混凝土收縮等因素有關。

根據(jù)上式計算結(jié)果，襯砌混凝土的最大壓應力為7.43 MPa小于抗壓強度25 MPa；襯砌混凝土的最大拉應力為-4.47 MPa(壓應力)，遠遠小于抗拉強度1.67 MPa。因此可知，襯砌截面均在混凝土強度范圍內(nèi)，且處于受壓狀態(tài)，因此目前的裂縫不會進一步發(fā)展。

5 結(jié) 語

通過混凝土塑性鉸理論和水工隧洞有限元分析理論，將不同混凝土襯砌裂縫分為2種類型，分別進行簡化模擬計算。其模型建立簡單快速，適合現(xiàn)場人員在短時間內(nèi)拿出加固設計方案及時加固襯砌結(jié)構，避免因支護延誤造成的襯砌結(jié)構二次破壞。同時計算結(jié)果表明：該修補加固方案能夠有效降低開裂襯砌結(jié)構的變形及內(nèi)力，增加結(jié)構整體性，提高襯砌的承載能力。襯砌結(jié)構的加固措施滿足安全運行的要求。

該有壓尾水隧洞在2012年1月開始停水，按設計修補方案進行修補加固。2月7日修補加固完成，通過業(yè)主驗收后，尾水隧洞投入運行。目前修補加固后的尾水隧洞運行正常。