復(fù)合襯砌聯(lián)合承擔(dān)高內(nèi)水壓力的可行性分析

徐傳堡，楊光華,4，賈 愷，姜 燕，李志云

(1. 廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635；2. 廣東省巖土工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510635;3.廣東省山洪災(zāi)害突發(fā)事件應(yīng)急技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510635;4.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510641)

國(guó)內(nèi)已建成的大型調(diào)水工程中，使用的復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)形式主要包括：預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土內(nèi)襯結(jié)合盾構(gòu)管片(南水北調(diào)穿黃工程)[1]，單層襯砌管片(青草沙水源地輸水工程)[2]，鋼管內(nèi)襯外充填自密實(shí)混凝土結(jié)合盾構(gòu)管片(西江引水工程)[3]等，正在建設(shè)的珠三角水資源配置工程根據(jù)實(shí)際工程條件，分段采用了上述幾種復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)形式。

水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范[4]規(guī)定對(duì)滿足一定巖體覆蓋層厚度要求的有壓圓形隧洞，可采用彈性力學(xué)解析方法計(jì)算，文[5-6]基于此建立復(fù)合襯砌荷載結(jié)構(gòu)共同作用模型，確定了以管片接縫張開量為控制條件的計(jì)算方法。

當(dāng)需要考慮圍巖聯(lián)合受力、隧洞埋巖深度及模量、自密實(shí)混凝土、壁后注漿層的厚度及模量以及不同襯砌層間接觸等復(fù)雜因素對(duì)復(fù)合襯砌應(yīng)力變形的影響時(shí)，已有工程分析多采用有限元方法[7-9]。

本文結(jié)合珠三角水資源配置工程，分析不同復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)形式在不同圍巖條件下的應(yīng)力變形特性，確定不同結(jié)構(gòu)方案聯(lián)合承擔(dān)高內(nèi)水壓力的可行性，為設(shè)計(jì)計(jì)算提供參考。

1 工程基本資料

珠三角水資源配置工程由1條干線、2條分干線、3座泵站、1座新建水庫(kù)和南沙支線組成。輸水干線主要穿越地層為弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、泥巖和砂巖，巖質(zhì)較軟；部分洞段位于弱風(fēng)化花崗巖、礫巖或含礫砂巖中，巖質(zhì)堅(jiān)硬。

復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)形式初步設(shè)計(jì)方案包含以下3種結(jié)構(gòu)形式，3種結(jié)構(gòu)形式根據(jù)不同的工作內(nèi)水壓力分區(qū)段設(shè)置，且均為盾構(gòu)管片承擔(dān)外水土荷載，內(nèi)襯承擔(dān)內(nèi)水壓力的分離式受力模式，見圖1～3。

2 有限元計(jì)算模型

本文結(jié)合初步設(shè)計(jì)方案，對(duì)鋼管內(nèi)襯方案、鋼筋混凝土內(nèi)襯方案及單管片方案3種復(fù)合襯砌聯(lián)合受力方案進(jìn)行有限元分析，計(jì)算其在高內(nèi)水壓力下的應(yīng)力、變形特性。計(jì)算采用的3種復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)方案見表1，采用的參數(shù)見表2，建立有限元模型的建模要點(diǎn)分述如下。

2.1 圍巖

選取鯉魚洲至高新沙水庫(kù)(LG30+300～LG31+500)段進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算埋深40 m，地面以下依次分布有淤泥質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖及弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。計(jì)算時(shí)根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況改變圍巖條件(見表4)，計(jì)算采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型以M-C準(zhǔn)則模擬圍巖塑性狀態(tài)，6 m洞徑雙線隧洞圍巖實(shí)體單元模型見圖4，雙線隧洞間距6 m，模型X、Y、底部Z3個(gè)方向分別約束其平動(dòng)自由度。

2.2 注漿層

在有限元計(jì)算中，通常將注漿層概化為一均質(zhì)、等厚、彈性的“等代層”[10]。根據(jù)文獻(xiàn)[11]，理論盾尾空隙值一般可取80～160 mm。對(duì)于處在泥巖中的本工程而言，等代層折減系數(shù)取下限0.7，可得等代層的厚度為56～112 mm，本次計(jì)算“等代層”厚度取50 mm。

通過模量敏感性分析發(fā)現(xiàn)，“等代層”模量取值對(duì)復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形影響較小，本次計(jì)算“等代層”模量參考水泥土的壓縮模量取E=150 MPa。通過實(shí)際盾構(gòu)注漿配合比和各齡期強(qiáng)度試驗(yàn)，注漿層的28 d彈模最低可達(dá)到1 GPa。

2.3 盾構(gòu)管片襯砌環(huán)

計(jì)算采用6 m外徑，厚300 mm通用管片襯砌環(huán)，單寬1.5 m，橫向6塊管片拼裝形成整體襯砌環(huán)，縱向襯砌環(huán)間錯(cuò)縫拼裝，共設(shè)置3環(huán)，寬4.5 m；橫、縱縫間設(shè)置法向硬接觸、切向摩擦接觸。實(shí)體模型及計(jì)算網(wǎng)格見圖5所示。

2.4 自密實(shí)混凝土

方案一中自密實(shí)砼采用C30混凝土，厚300 mm。在有限元計(jì)算中，由于自密實(shí)混凝土易開裂，且經(jīng)敏感性分析(見后文3.1節(jié))，自密實(shí)混凝土的彈性模量對(duì)復(fù)合襯砌影響不大，故采用彈性本構(gòu)時(shí)，取自密實(shí)混凝土E=5 GPa；當(dāng)采用混凝土塑性損傷本構(gòu)時(shí)，塑性及損傷參數(shù)分別由混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[12]及能量等效原理[13-15]計(jì)算得到。

2.5 鋼管及鋼筋混凝土內(nèi)襯

方案一中鋼管內(nèi)襯外徑4.8 m，厚16 mm，方案二中鋼筋混凝土內(nèi)襯外徑5.4 m，厚400 mm。對(duì)鋼筋混凝土分別采用彈性及損傷本構(gòu)進(jìn)行計(jì)算；利用桁架單元模擬雙層鋼筋骨架并嵌于混凝土層中，建立的鋼筋混凝土內(nèi)襯模型見圖6所示。

2.6 接觸及約束

復(fù)合襯砌部件間設(shè)置法向硬接觸、切向摩擦或光滑接觸，整體澆筑時(shí)設(shè)置綁定約束[16]。各方案接觸及約束設(shè)置見表3。

注：管片襯砌與自密實(shí)混凝土或鋼筋混凝土內(nèi)襯間設(shè)置了防排水墊層，故采用光滑接觸，假設(shè)自密實(shí)混凝土與鋼管在分析過程中不分開，設(shè)置綁定約束。

2.7 施工過程及荷載考慮

當(dāng)考慮隧道開挖中的地層損失時(shí)，現(xiàn)有模擬方法包括軟化模量法、收斂約束法等[17]。本工程采用盾構(gòu)法施工，假設(shè)隧洞在開挖階段圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)，則開挖應(yīng)力釋放荷載及圍巖塑性調(diào)整全部由圍巖獨(dú)自承擔(dān)，在數(shù)值計(jì)算中實(shí)現(xiàn)上述目的的分析步設(shè)置見圖7。

采用上述施工過程即不考慮內(nèi)襯結(jié)構(gòu)承擔(dān)外荷載，對(duì)管片襯砌，僅考慮上覆巖層或土層對(duì)其承擔(dān)內(nèi)水壓的抗力作用，這種處理方法對(duì)巖層模擬較為符合，但需重點(diǎn)關(guān)注其塑性狀態(tài)；對(duì)上覆土層由于其抗力較小，忽略了土壓力的有利作用，是一種偏于保守的近似計(jì)算。

3 影響管片應(yīng)力變形的因素及分析

3.1 方案一

對(duì)方案一中自密實(shí)混凝土模量進(jìn)行了敏感性分析，取混凝土彈性模量分別為2 GPa、5 GPa、15 GPa、30 GPa進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見圖8。

計(jì)算發(fā)現(xiàn)：當(dāng)設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力為0.8 MPa時(shí)，自密實(shí)混凝土本身的徑向壓縮量均小于0.10 mm，數(shù)量極小可以忽略。由自密實(shí)混凝土環(huán)向應(yīng)力結(jié)果可知其易開裂，因此在聯(lián)合受力模型中其主要是傳遞徑向壓力的作用，自密實(shí)混凝土的彈性模量對(duì)復(fù)合襯砌影響不大，采用彈性本構(gòu)計(jì)算時(shí)取其模量E=5 GPa。

以下計(jì)算內(nèi)水壓力均為0.8 MPa，考慮不同埋巖條件下的計(jì)算工況列于表4。方案一不同圍巖條件下的計(jì)算結(jié)果見圖9。

注：模型由內(nèi)向外圍巖依次為地層1、地層2、地層3。

對(duì)比圖9中①、②及③、④圍巖工況計(jì)算結(jié)果可知，在埋巖模量相同時(shí)，入巖深度分別為2D和1D計(jì)算結(jié)果接近，增大入巖深度對(duì)提高復(fù)合襯砌聯(lián)合承載能力作用有限，此方案盾構(gòu)管片徑向位移小于防滲限值2 mm，各層襯砌的應(yīng)力均滿足要求。

當(dāng)隧洞位于土層(圍巖工況⑤)時(shí)，鋼管與盾構(gòu)管片內(nèi)外襯砌聯(lián)合受力實(shí)際上效果甚微，通過計(jì)算當(dāng)內(nèi)壓大于等于1.3 MPa時(shí)，由于聯(lián)合受力導(dǎo)致的共同變形使得盾構(gòu)管片徑向位移大于防滲限值2 mm，極有可能造成外水內(nèi)滲，影響鋼管外壓穩(wěn)定性，形成安全隱患。這種情況下應(yīng)采用鋼內(nèi)襯和盾構(gòu)管片分離受力的模式。

3.2 方案二

對(duì)方案二中鋼筋混凝土內(nèi)襯配筋率進(jìn)行了敏感性分析，取配筋率1%～6%進(jìn)行計(jì)算，彈性模型計(jì)算結(jié)果見圖10。

由圖10可知，由于對(duì)混凝土采用彈性本構(gòu)，計(jì)算混凝土應(yīng)力不符合實(shí)際，且配筋率對(duì)管片承載能力影響不大。實(shí)際混凝土內(nèi)部存在微孔洞、微裂縫，方案中混凝土內(nèi)襯易開裂，可采用損傷模型計(jì)算如下。

圍巖條件同方案一，采用損傷模型，計(jì)算圍巖工況為①②⑤，配筋率為1.1%的復(fù)合襯砌，結(jié)果見圖11。

由計(jì)算結(jié)果可知，采用損傷模型的計(jì)算結(jié)果較彈性模型更加合理，各圍巖條件下盾構(gòu)管片徑向位移及接縫張開量均小于1.2 mm。

此方案內(nèi)襯混凝土易開裂，提取損傷模型計(jì)算結(jié)果可知，混凝土內(nèi)襯最大徑向變形位于頂部，塑性及開裂區(qū)同樣位于頂部，需重點(diǎn)關(guān)注裂縫集中區(qū)域管片的防滲問題。當(dāng)需要模擬裂縫具體開展位置及狀態(tài)時(shí)，可進(jìn)一步采用擴(kuò)展有限元(XFEM)方法。

3.3 方案三

方案三為管片、圍巖聯(lián)合受力模式，對(duì)注漿層模量的敏感性分析結(jié)果見圖12。

計(jì)算結(jié)果顯示注漿層模量大小對(duì)復(fù)合襯砌承載能力影響較小，取注漿層模量E=150 MPa，計(jì)算方案三在不同圍巖條件下的聯(lián)合承載能力，結(jié)果見圖13。

由計(jì)算結(jié)果可知，對(duì)于單管片方案三，要滿足管片最大接縫張開量不大于2 mm的控制條件，圍巖模量需不小于2 GPa，埋巖深度需不小于1.5D，在土層中即使考慮聯(lián)合受力，方案三無法滿足強(qiáng)度及變形要求。

4 討論

珠三角水資源配置工程沿線部分區(qū)段圍巖條件較好，本文討論了幾種利用圍巖條件，采用聯(lián)合受力模式的復(fù)合襯砌方案的可行性。

方案一結(jié)構(gòu)形式為鋼管、自密實(shí)砼、管片、圍巖聯(lián)合受力，當(dāng)采用聯(lián)合受力模式時(shí)，以管片接縫張開量為控制條件，圍巖需滿足厚度至少為1D的強(qiáng)風(fēng)化巖層，由于采用聯(lián)合受力對(duì)圍巖條件有上述要求，且此方案中鋼管承擔(dān)了大部分內(nèi)水壓力，采用聯(lián)合受力模式優(yōu)勢(shì)并不明顯；

方案二結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土內(nèi)襯、管片、圍巖聯(lián)合受力，當(dāng)采用聯(lián)合受力模式時(shí)，圍巖需滿足厚度至少為1D的中風(fēng)化巖層，此外，方案二需進(jìn)一步結(jié)合模型試驗(yàn)關(guān)注內(nèi)襯開裂及管片防滲問題。

方案三結(jié)構(gòu)形式為管片、圍巖聯(lián)合受力，當(dāng)采用聯(lián)合受力模式時(shí)，圍巖需滿足厚度至少為1.5D的中風(fēng)化巖層，由于本文采用管片張開量為2 mm作為控制標(biāo)準(zhǔn)，下一步需通過模型及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定防滲標(biāo)準(zhǔn)及圍巖的應(yīng)力狀態(tài)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)幾種復(fù)合襯砌聯(lián)合受力結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行計(jì)算，本文得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1) 對(duì)于承擔(dān)高內(nèi)水壓力的復(fù)合襯砌輸水隧洞，若能利用條件較的好圍巖形成聯(lián)合受力結(jié)構(gòu)方案，可降低施工難度，節(jié)約工程造價(jià)。

2) 通過計(jì)算，對(duì)內(nèi)壓為0.8 MPa時(shí)，以管片接縫張開量為控制條件，對(duì)鋼管內(nèi)襯(方案一)、鋼筋混凝土內(nèi)襯(方案二)可降低圍巖厚度要求。由于本文的分析是在考慮圍巖抗力作用的聯(lián)合受力模式下進(jìn)行的，建議方案一及方案二最小圍巖厚度取1D；單管片(方案三)需滿足的最小圍巖厚度為1.5D。

3) 在對(duì)各方案作可行性分析時(shí)，鋼管內(nèi)襯方案需重點(diǎn)關(guān)注鋼管受外壓穩(wěn)定性問題；鋼筋混凝土內(nèi)襯方案需關(guān)注內(nèi)襯開裂及管片接頭防滲問題；單管片方案需重點(diǎn)關(guān)注管片防滲標(biāo)準(zhǔn)、圍巖及管片的強(qiáng)度問題。