大尺寸水工隧洞襯砌物理模型試驗系統(tǒng)研制與應(yīng)用

凌永玉，劉立鵬，汪小剛，傅睿智，孫興松

（中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100038）

1 研究背景

水工隧洞是大型水利水電工程的重要組成部分，其安全性關(guān)系整個工程的成敗。襯砌作為水工隧洞的最終支護方式，考慮主要賦存環(huán)境的結(jié)構(gòu)型式選擇、針對多變荷載因素的參數(shù)設(shè)計合理性等對于襯砌穩(wěn)定安全尤為重要。此外，開挖建設(shè)過程中巖體荷載變化、充水期隧洞內(nèi)水作用、長期運行時圍巖蠕變荷載、外水壓力以及巖體地溫與隧洞過水溫度荷載等，均對襯砌的穩(wěn)定安全產(chǎn)生一定的影響。對于這些復(fù)雜的問題，一方面要借助理論分析［1-2］、計算機模擬仿真進行研究［3-4］；另一方面，則需要借助大型物理模型試驗的手段來解決［5］。目前，國內(nèi)外已經(jīng)建造并開展試驗的隧洞（道）物理模型試驗系統(tǒng)多集中于研究分析地下洞室開挖過程中災(zāi)害模擬、圍巖穩(wěn)定、支護安全以及圍巖與支護協(xié)同作用的影響等方面。蘇海?。?］、李浪等［7］、張慶松等［8］和李術(shù)才等［9］研制了深長隧道突水突泥災(zāi)害演化模型試驗系統(tǒng)，研究隧洞建造過程中突水突泥災(zāi)害；陳陸望［10］、張強勇等［11］、姜耀東等［12］和楊立云等［13］研制了深部巷道建設(shè)模型試驗系統(tǒng)，研究深埋地下隧洞建設(shè)期圍巖穩(wěn)定性；朱合華等［14］和齊春等［15］等研制了盾構(gòu)開挖模型試驗系統(tǒng)，研究盾構(gòu)開挖泥膜形成及土壓平衡過程等，此外還有為了其他研究目的所設(shè)計研制的物理模型試驗系統(tǒng)［16-18］。

與常規(guī)地下隧洞（道）工程相比，水工隧洞特別是有壓隧洞在充水期及運行期將承受高壓內(nèi)水作用或高壓外水作用，對襯砌的整體穩(wěn)定與安全形成顯著影響?，F(xiàn)有的水工隧洞物理模型多集中于考慮施工期圍巖穩(wěn)定及支護結(jié)構(gòu)安全方面，對于運行期襯砌安全的模型試驗也多為研究復(fù)合襯砌對于外水壓力的影響上［19-21］，且受限于模型的尺寸，采用大比尺試驗時相似材料的選擇異常困難，同時還對結(jié)果的影響很大。設(shè)計并研制相關(guān)物理模型試驗系統(tǒng)，對水工有壓隧洞承受高內(nèi)、外水作用下襯砌受力變化，以及承壓過程中圍巖與襯砌聯(lián)合受力變化、內(nèi)水外滲時襯砌與圍巖接觸關(guān)系演變等研究有迫切需求，上述變化的影響對于有壓隧洞襯砌與穩(wěn)定安全尤為重要，是襯砌類型選擇、參數(shù)設(shè)計與優(yōu)化中必須考慮的關(guān)鍵問題。

基于此，本文考慮水工隧洞襯砌受力特點，設(shè)計開發(fā)了一種新的大尺寸水工隧洞襯砌物理模型試驗系統(tǒng)，可進行高內(nèi)水荷載、高外水荷載的大尺寸水工襯砌試驗，降低按相似原則選擇模型試驗材料對試驗結(jié)果的影響，同時還可以進一步研究圍巖與襯砌聯(lián)合承載及襯砌內(nèi)外溫度變化等因素對襯砌結(jié)構(gòu)安全的影響。

2 大尺寸水工隧洞襯砌物理模型試驗系統(tǒng)研制及試驗流程

2.1 設(shè)計目的水工有壓隧洞與常規(guī)交通隧道、采礦隧洞等不同，其運載主體為水體。在充水期及運行期，根據(jù)過水需求、水頭變化等，通常襯砌上會具有一定的內(nèi)水壓力作用，同時在放空檢修期又由于巖體中地下水作用而需要承受較高的外水作用。在這一過程中，圍巖與襯砌間的接觸關(guān)系及聯(lián)合承載作用會發(fā)生變化，進而影響襯砌受力變形及安全?；诖?，所設(shè)計的大尺寸水工隧洞襯砌物理模型試驗系統(tǒng)主要可用于研究在不同比尺下水工隧洞在變化的內(nèi)外水作用時襯砌受力變形及安全，同時可進一步研究圍巖與襯砌聯(lián)合承載及襯砌內(nèi)外溫度變化等因素對襯砌結(jié)構(gòu)安全的影響。

2.2 主要結(jié)構(gòu)及組成大尺寸水工隧洞襯砌物理模型試驗系統(tǒng)主要由壓力筒體、加載系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、封水結(jié)構(gòu)組成。壓力筒體由厚22 mm的Q245R鋼板制作，尺寸為?3000 mm×L4000 mm，用以提供襯砌反向荷載（圖1），最大可承受內(nèi)、外壓荷載為1.2 MPa。壓力筒體兩端為厚65 mm的Q245R鋼板制作的法蘭盤，主要是用于封堵襯砌內(nèi)外水體，防止隧洞內(nèi)、外水體發(fā)生連通。

圖1 水工隧洞襯砌物理模型試驗系統(tǒng)中的壓力筒體

為便于混凝土襯砌澆筑、襯砌外水壓力測量、內(nèi)水加載、外水加載、監(jiān)測設(shè)備線纜進出以及試驗后排水等，壓力筒體上布置有2個混凝土灌注口（?300 mm）、內(nèi)水壓力表、外水壓力表、內(nèi)水加載接頭、外水加載接頭等（圖1）。

2.3 加載系統(tǒng)目前隧洞（道）工程物理模型中主要有剛性加載（位移加載）和柔性加載（應(yīng)力加載）兩種邊界條件實現(xiàn)方式，加載動力來源則主要有：重力加載、電機加載、液壓加載、氣壓加載和復(fù)合加載等［22］?？紤]水工隧洞主要受力情況及試驗需求，大尺寸水工隧洞襯砌物理模型試驗系統(tǒng)采用應(yīng)力加載邊界條件實現(xiàn)方式，根據(jù)試驗時襯砌與壓力筒體間水體的封堵需求，外水壓力試驗時可選擇襯砌外橡膠囊柔性加載方式或襯砌與壓力筒體間高壓水體直接加載方式（襯砌與筒體間鋪設(shè)土工布作為水體通道），內(nèi)水壓力試驗時直接采用隧洞內(nèi)腔高壓水體直接加載方式。動力來源則由自主設(shè)計的伺服控制高壓水泵與穩(wěn)壓筒體實現(xiàn)（圖2）。

單個加壓橡膠囊尺寸為100 cm×92 cm，主體橡膠材料性能參數(shù)如表1所示。

圖2 水工隧洞襯砌物理模型試驗系統(tǒng)中的水壓力加載系統(tǒng)

表1 加載腔主體橡膠材料主要性能參數(shù)

2.4 測量系統(tǒng)物理模型試驗中根據(jù)試驗?zāi)康?，一般分為?yīng)力與應(yīng)變量測、位移與變形量測以及滲壓量測等。所設(shè)計的水工隧洞襯砌物理模型不進行地下洞室開挖圍巖位移與屈服模擬，故而整個量測系統(tǒng)主要為襯砌應(yīng)力與應(yīng)變量測以及襯砌內(nèi)外作用水壓力量測。由于物理模型試驗系統(tǒng)尺寸較大的優(yōu)勢，可采用常規(guī)的監(jiān)測儀器，如鋼筋計、應(yīng)變計、壓力盒等，同時考慮該物理模型系統(tǒng)主要為內(nèi)、外水作用下的襯砌安全與穩(wěn)定試驗，所涉及的測量系統(tǒng)需具有一定耐滲能力。

2.5 封水結(jié)構(gòu)由于水工隧洞與交通隧洞、采礦巷道等不同，充水試驗過程中防止襯砌內(nèi)外水通過襯砌兩端發(fā)生內(nèi)外水體連通、高外水壓力作用下襯砌穩(wěn)定安全試驗中防止高外水通過襯砌兩端外滲等是整個模型試驗關(guān)鍵，所設(shè)計的大尺寸水工隧洞襯砌模型試驗系統(tǒng)為防止上述問題，主要采用兩種方式進行封水設(shè)計（圖3）。

圖3 水工隧洞襯砌物理模型試驗系統(tǒng)中的封水結(jié)構(gòu)

具體通過以下措施防止襯砌外水體與隧洞內(nèi)水體連通以及襯砌外水體沿襯砌兩端發(fā)生外滲：（1）在澆筑好的混凝土襯砌兩個端頭涂刷防水膠堵水（圖3（a））；（2）法蘭盤與壓力艙體間設(shè)置雙圈橡膠條，內(nèi)圈與所澆筑的混凝土襯砌端頭接觸，外圈與壓力艙體及混凝土襯砌端頭接觸（圖3（b））。通過法蘭盤與壓力筒體間所設(shè)置的72個φ12 mm高強螺栓的擰壓力作用進行壓實防滲。

2.6 主要試驗流程①根據(jù)擬進行的襯砌試驗尺寸、內(nèi)外水壓力大小、配筋等情況，為保證模型試驗結(jié)果能夠準(zhǔn)確反映原型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與變形，確定合適的模型比尺；②按相似原則選擇模型試驗材料，確定襯砌、鋼筋等參數(shù)；③選擇外水加載方式，如采用橡膠囊加載方式或考慮為圍巖變形下襯砌受力變化試驗，在襯砌澆筑前于壓力筒體內(nèi)壁安裝橡膠囊，如采用襯砌與壓力筒體之間直接加載方式，則在壓力筒體內(nèi)壁鋪設(shè)土工布；④采用支架方式安裝應(yīng)變計、壓力盒等檢測儀器，并澆筑襯砌混凝土；⑤引出檢測儀器纜線，并安裝讀數(shù)設(shè)備；⑥混凝土襯砌齡期達到后做好堵水，并封裝兩側(cè)法蘭盤；⑦根據(jù)制定試驗加載方案進行試驗，并記錄相應(yīng)檢測數(shù)據(jù)。

3 水工隧洞襯砌高外、內(nèi)水壓力作用模型試驗

3.1 高外水壓力作用下水工隧洞襯砌試驗襯砌遭遇過高地下水壓力作用時，如襯砌設(shè)計參數(shù)及防排水不當(dāng)，勢必會影響襯砌結(jié)構(gòu)安全，在不同外水壓力作用下的襯砌結(jié)構(gòu)安全歷來是設(shè)計人員關(guān)注的重點。此處，利用所設(shè)計的大尺寸水工隧洞襯砌模型試驗系統(tǒng)對不同外水壓力作用下襯砌徑向應(yīng)力及環(huán)向應(yīng)力大小變化進行模型試驗研究，其中素混凝土襯砌外徑2.998 m，厚0.4 m，標(biāo)號為C20（E=29.7 GPa，ν=0.21），采用襯砌與壓力筒體間高壓水體直接加載方式加載，外水壓力大小為0.1 ～1.0 MPa，等間隔0.1 MPa 加載，不同壓力下穩(wěn)壓時間為30 min。在軸線1.5 m處布置一個監(jiān)測斷面，用于監(jiān)測試驗過程中混凝土襯砌徑向及環(huán)向應(yīng)變變化，所安裝的應(yīng)變計位置如圖4所示。

不同外水壓力作用下，襯砌環(huán)向及徑向應(yīng)力大小變化如圖5 所示。由圖5 可知，混凝土襯砌承受外水壓力作用時，襯砌環(huán)向與徑向始終保持為受壓狀態(tài)。隨著襯砌外水壓力的逐級增加，襯砌不同位置的環(huán)向應(yīng)力及徑向應(yīng)力相應(yīng)增加，1.0 MPa 外水壓力作用下襯砌環(huán)向壓應(yīng)力達-3.894 MPa，徑向壓應(yīng)力達-0.872 MPa；同時，由圖5 可知各級壓力下穩(wěn)壓過程中監(jiān)測儀器測值較為平穩(wěn)，為論證大尺寸水工隧洞襯砌模型試驗系統(tǒng)在加載過程中的穩(wěn)定性以及試驗結(jié)果是否合理，將0.5、1.0 MPa 外水壓力作用下的試驗值與厚壁圓筒承受外壓作用下的Lamé解值［23］進行對比，具體如表2所示。

圖4 襯砌中應(yīng)變計空間排布

表2 不同外水壓力作用下襯砌應(yīng)力測值均值及標(biāo)準(zhǔn)差

由表2可知，在襯砌外作用不同外水壓力時，襯砌的徑向應(yīng)力與環(huán)向應(yīng)力試驗測值均值與理論計算值較為接近，在各級壓力下環(huán)向應(yīng)力及徑向應(yīng)力測值波動較小，監(jiān)測儀器所得測值標(biāo)準(zhǔn)差較小，說明大尺寸水工隧洞襯砌模型試驗系統(tǒng)的加載穩(wěn)壓系統(tǒng)能夠提供較為穩(wěn)定的水體壓力，監(jiān)測單元性能可靠，試驗結(jié)果合理，能夠滿足大尺寸水工隧洞襯砌模型試驗的需要。

圖5 不同外水壓力作用下襯砌徑向及環(huán)向應(yīng)力

3.2 高內(nèi)水壓力作用下水工隧洞襯砌試驗在高內(nèi)水作用下混凝土襯砌一般均會開裂，《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》（SL279-2016）［24］中對于有壓隧洞襯砌裂縫寬度進行了限制，即限裂式設(shè)計。對于實際工程則需了解所設(shè)計的襯砌是否滿足規(guī)范要求，掌握不同內(nèi)水壓力作用下襯砌開裂的可能性及開裂水頭量值。此處，利用所設(shè)計的襯砌模型試驗系統(tǒng)對不同內(nèi)水壓力作用下襯砌徑向應(yīng)力及環(huán)向應(yīng)力變化進行模型試驗研究，其中混凝土標(biāo)號、襯砌厚度、內(nèi)水壓力大小設(shè)置、加載方案以及監(jiān)測方案均與高外水壓力作用下水工隧洞襯砌試驗一致。不同內(nèi)水壓力作用下襯砌環(huán)向及徑向應(yīng)力變化如圖6所示。

圖6 不同內(nèi)水壓力作用下襯砌徑向及環(huán)向應(yīng)力

由圖6 可知，水工隧洞承受內(nèi)水壓力作用時，襯砌環(huán)向始終保持為受拉狀態(tài)，且隨著隧洞內(nèi)水體壓力的逐級增加，襯砌環(huán)向及徑向應(yīng)力逐漸增加。內(nèi)水壓力為0.5 MPa 時，襯砌環(huán)向拉應(yīng)力達1.298 MPa，徑向壓應(yīng)力為-0.372 MPa。試驗過程中，當(dāng)隧洞內(nèi)水體壓力達到0.55 MPa 時，壓力筒體上安裝的壓力表出現(xiàn)讀數(shù)并快速增加至與隧洞內(nèi)水體壓力一致，表明襯砌開裂（圖7），襯砌內(nèi)水體由裂縫外滲至襯砌外，即在試驗參數(shù)下，襯砌的啟裂水頭為55 m。

襯砌內(nèi)水壓力為0.3、0.5MPa時，襯砌環(huán)向應(yīng)力與徑向應(yīng)力測值均值、標(biāo)準(zhǔn)差如表3所示。由表3 可知，在水工隧洞內(nèi)作用不同的內(nèi)水壓力時，襯砌徑向應(yīng)力與環(huán)向應(yīng)力試驗測值均值標(biāo)準(zhǔn)差均較小，說明所研制的模型試驗系統(tǒng)能夠有效的進行高內(nèi)水作用下的襯砌試驗，滿足水工隧洞襯砌試驗需要。

圖7 高壓內(nèi)水試驗時襯砌所產(chǎn)生裂紋

表3 不同內(nèi)水壓力作用下襯砌應(yīng)力測值均值及標(biāo)準(zhǔn)差

4 結(jié)論

（1）所研究開發(fā)的大尺寸水工隧洞襯砌物理模型試驗系統(tǒng)，長4.0 m、直徑3.0 m，水體最大壓力為1.2 MPa。該系統(tǒng)能夠較好地模擬水工隧洞襯砌承受內(nèi)水壓力和外水壓力作用過程，試驗加載系統(tǒng)性能穩(wěn)定，測量系統(tǒng)可滿足試驗需要，封水結(jié)構(gòu)能有效阻止襯砌內(nèi)、外水體發(fā)生連通對試驗結(jié)果產(chǎn)生的影響，可用于研究水工隧洞在運行期及放空檢修期不同工況下的襯砌受力變形及安全。（2）水工隧洞襯砌承受外水壓力作用時，與厚壁圓筒Lamé解較為一致，襯砌環(huán)向與徑向始終保持為受壓狀態(tài)，且隨著外水壓力增加，襯砌不同位置的環(huán)向壓應(yīng)力及徑向壓應(yīng)力相應(yīng)增加，在試驗中1 MPa 外水壓力作用下，襯砌環(huán)向應(yīng)力可達到-3.894 MPa。（3）水工隧洞襯砌承受內(nèi)水壓力作用時，襯砌環(huán)向始終為受拉狀態(tài)，且隨著隧洞內(nèi)水體壓力的增加，襯砌環(huán)向應(yīng)力逐漸增加，在試驗中內(nèi)水壓力為0.5 MPa 時襯砌環(huán)向應(yīng)力達1.298 MPa，內(nèi)水水頭達到55 m 時，混凝土襯砌開裂，發(fā)生內(nèi)水外滲現(xiàn)象。