輸水盾構(gòu)隧洞運行期管片力學特性與接縫變形特性研究

徐文秀，陳 龍，方騰衛(wèi)，王 媛，任 杰

(1. 廣東省粵東三江連通建設(shè)有限公司，廣州 510010；2. 河海大學 土木與交通學院，南京 210024；3. 廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院有限公司，廣州 510170；4. 河海大學 水利水電學院，南京 210024；5. 河海大學 力學與材料學院，南京 210024)

1 概述

中國水資源分布不均，近年來輸水隧洞被大量采用，以解決部分地區(qū)干旱、缺水、水污染嚴重等問題。隨著長距離輸水隧洞埋深不斷增大，運行期內(nèi)可能發(fā)生浪涌、水錘等作用，造成隧洞內(nèi)水壓比實際水壓偏大[1]。較大的內(nèi)水壓力可能使接縫張開增大發(fā)生隧道內(nèi)外水交換，導致輸水污染、地層進一步變形導致隧道變形加劇，甚至導致隧洞失穩(wěn)破壞[2]。因此有必要研究輸水隧洞運行期內(nèi)管片接縫張開特性[3]。

國內(nèi)在武漢長江隧道[4]，南京長江隧道[5]，南京緯三路過江通道[6]，廣州地鐵三號線[7]，獅子洋隧道工程[7]等盾構(gòu)隧道工程中分別針對各自不同洞徑、管片類型、接頭形式等的差異分析了隧道管片接頭結(jié)構(gòu)復雜受力特性。但不同的工程所處的工程與水文地質(zhì)狀況各不相同，其管片受力特性也相差很大，盾構(gòu)管片力學性能的研究目前主要集中于無內(nèi)水壓作用下的交通隧道(地鐵和公路盾構(gòu)隧道)和軟粘土地區(qū)的盾構(gòu)隧道，對于有內(nèi)水壓作用下的盾構(gòu)隧洞，目前的研究相對較少，對于穿越淤泥質(zhì)土層且同時有內(nèi)水作用的輸水盾構(gòu)隧洞研究較少。

目前針對盾構(gòu)隧洞管片接縫張開特性的研究主要集中在模型試驗研究[6-7, 9-10]、數(shù)值模擬研究[7, 11]、接頭力學模型研究[10, 12-15]、以及針對原位監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析研究[5]等。在模型試驗、數(shù)值模擬研究、接頭力學模型分析方面，學者們對接頭抗彎剛度、抗剪剛度、力矩傳遞系數(shù)等方面進行了大量研究，但對接縫張開特性研究不足，尤其未見針對內(nèi)外水壓力共同作用下的管片力學特性與接縫張開特性研究。

本文依托于廣東韓江—榕江—練江三江水系連通工程中的榕江—關(guān)埠引水隧洞工程，針對該工程采用的管片形式基于大型有限元軟件ABAQUS建立管片—接頭—螺栓組合結(jié)構(gòu)的三維數(shù)值模型，探討隧洞管片及接縫在不同內(nèi)水壓力作用下的力學特性與張開特性，最后結(jié)合隧洞接縫張開量健康監(jiān)測標準，評估相應(yīng)的管片接縫結(jié)構(gòu)健康水平。研究結(jié)果可為內(nèi)水作用下盾構(gòu)隧洞管片安全評價提供參考。

2 盾構(gòu)管片三維有限元模型

榕江—關(guān)埠引水隧洞工程位于廣東省的粵東地區(qū)，其主要任務(wù)是針對當?shù)厮h(huán)境現(xiàn)狀，在優(yōu)先實施控源截污工程的基礎(chǔ)上優(yōu)化水資源配置，治理水環(huán)境，修復水生態(tài)，解決河流生態(tài)用水問題。工程設(shè)計引水流量為20 m3/s，多年平均取水量為4.19億m3。

輸水線路長度約為27.71 km，主要采用TBM法為主、鉆爆法為輔的施工方法。線路平、縱斷面設(shè)計按照與隧洞施工分段方案相結(jié)合的思路，充分利用線路上現(xiàn)有埡口地形條件，高位水池至出水池段輸水隧洞分為3段施工，主要采用TBM施工。為滿足TBM法施工的進洞和出洞要求，對TBM法施工段的進、出口150～884 m范圍先行采用鉆爆法施工，剩余主洞段采用TBM法施工。引水隧洞、輸水隧洞段長度及斷面類型見表1所示。

表1 榕江—關(guān)埠引水隧洞工程輸水線路參數(shù)

2.1 盾構(gòu)管片模型材料參數(shù)

結(jié)合榕江—關(guān)埠引水隧洞工程實例，建立隧洞的普通標準斷面，其具體參數(shù)如下：輸水盾構(gòu)隧洞管片外徑設(shè)定為5.0 m，內(nèi)徑設(shè)定為4.2 m，管片的寬度設(shè)定為1.4 m，盾構(gòu)管片厚度設(shè)定為0.4 m。每一環(huán)盾構(gòu)管片由6片混凝土平板形管片拼裝而成，其中3片標準塊(B1塊、B2塊、B3塊)，2片鄰接塊(L1塊、L2塊)及1片封頂塊(F塊)；盾構(gòu)管片采用C55高性能耐腐蝕混凝土，管片與管片之間通過螺栓連接。其盾構(gòu)隧洞標準剖面如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)隧洞標準斷面示意(單位：mm)

根據(jù)工程資料可知，盾構(gòu)管片采用C55高性能耐腐蝕混凝土、連接螺栓采用性能等級為8.8級的高強度螺栓，其物理力學性質(zhì)見表2。

表2 盾構(gòu)管片的物理力學性質(zhì)

應(yīng)用ABAQUS有限元軟件對盾構(gòu)管片進行數(shù)值分析，計算模型中的接觸主要為螺栓與管片之間的連接，管片與管片之間接觸。采用Solid實體單元模擬盾構(gòu)管片，Beam梁單元模擬連接螺栓，將梁單元嵌入(Embedded)管片實體單元中，模擬螺栓與管片之間的連接；管片與管片之間設(shè)置面-面接觸，法向為“硬”接觸，切向為摩擦接觸，摩擦系數(shù)為0.5[15]。

2.2 計算模型假定

對所建立的盾構(gòu)管片三維有限元模型，作以下假設(shè)。

① 材料均勻性假定：所有的實體單元全部進行均勻性假定，管片也模擬成均質(zhì)的各向同性材料，不考慮由于施工工藝或者管片端面細微凹凸形成的微小差異；

② 小變形假定：相比構(gòu)件原來的幾何尺寸，管片接頭端面在受到外荷載的作用下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角和變形非常微小，屬小變形范疇；

③ 平截面假定：管片斷面變形前后均為平截面，由于混凝土擠壓而形成曲面的接觸端面除外；

④ 不考慮管片之間的密封墊、止水材料等；

⑤ 盾構(gòu)管片采用彈性材料性質(zhì)進行分析，高強度螺栓不存在明顯屈服階段，因此，連接螺栓也視為線彈性材料；

⑥ 忽略管片的注漿孔。

2.3 荷載及邊界條件的確定

計算荷載：根據(jù)工程地質(zhì)資料，輸水盾構(gòu)隧洞土層材料的主要物理力學性質(zhì)指標平均值見表3。

表3 土層材料的物理力學性質(zhì)

計算模型中盾構(gòu)隧洞埋深土層主要為淤泥，側(cè)壓力系數(shù)K0=0.5，盾構(gòu)管片主要受水土壓力荷載的作用：

上覆荷載：設(shè)定為上覆巖土體自重，大小為σz=γz=15.3×103×191=292 230 Pa，側(cè)向荷載按照隨深度線性增加施加。

水壓力：水壓力對盾構(gòu)管片的受力影響很大，為了簡化計算，內(nèi)水壓力沿盾構(gòu)管片內(nèi)部徑向均勻分布。

應(yīng)力邊界條件：上邊界施加上覆土層自重的等效垂直荷載，左右兩邊界均施加由上向下遞增的梯形壓力荷載，管片底部施加地基反力，管片內(nèi)部施加內(nèi)水壓力。

變形邊界條件：模型的隧洞掘進方向前后邊界施加Y方向的約束，底面邊界施加X、Y、Z方向的約束。

計算分析采用封頂塊位于拼裝點位1點的計算模型，連接螺栓為M30型螺栓，工況選取不同的內(nèi)水壓：即工況1：內(nèi)水壓為0.1 MPa；工況2：內(nèi)水壓為0.15 MPa；工況3：內(nèi)水壓為0.2 MPa。

盾構(gòu)管片接縫張開量的大小是控制管片接縫防水設(shè)計最直接的因素，也是影響盾構(gòu)隧洞結(jié)構(gòu)整體剛度和變形的重要因素。管片接縫張開量控制標準參考莊曉瑩提出的管片接頭健康評價指標[11]，將接縫張開量分為可忽略、需考慮、較嚴重、嚴重5個等級，分別對應(yīng)接縫張開量值為：0～2 mm，2～4 mm，4～6 mm，6～9 mm，>9 mm(見表4)。

表4 盾構(gòu)管片接頭健康評價指標

3 不同內(nèi)水壓力下管片受力狀態(tài)分析

3.1 管片主應(yīng)力分析

盾構(gòu)管片的主應(yīng)力云圖示意見圖2，每一盾構(gòu)管片環(huán)的應(yīng)力變化趨勢都較為接近。管片頂部外側(cè)表現(xiàn)為受壓，內(nèi)側(cè)逐漸受拉；而在管片環(huán)拱腰兩側(cè)應(yīng)力變化也較為對稱，外部受拉，逐漸過渡到管片內(nèi)部區(qū)域表現(xiàn)為受壓；管片底部應(yīng)力狀態(tài)主要受壓，同時在標準塊(B1塊，B2塊)內(nèi)部管片應(yīng)力狀態(tài)為受拉，外部邊緣受壓。

盾構(gòu)管片所受主拉應(yīng)力最大值為2.658 MPa，大于C55混凝土抗拉強度為1.96 MPa，在本工程中采用注漿加固法使得管片承載力滿足要求，在本文中不進行詳細介紹；同時所受主壓應(yīng)力最大值為4.298 MPa，小于C55混凝土抗壓強度25.3 MPa。當內(nèi)水壓為0.2 MPa時，從計算結(jié)果查看，管片的最大主應(yīng)力主要出現(xiàn)在管片右側(cè)拱腰區(qū)域，在盾構(gòu)管片鄰接塊(L1塊)出現(xiàn)拉應(yīng)力最大值，與封頂塊(F塊)相接處管片內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力最大。

a 工況1盾構(gòu)管片最大主應(yīng)力云圖

由圖2a～f計算分析不同內(nèi)水壓下盾構(gòu)管片的應(yīng)力狀態(tài)，當內(nèi)水壓為0.1 MPa、0.15 MPa時，盾構(gòu)管片的最大主應(yīng)力主要出現(xiàn)在管片底部區(qū)域，在盾構(gòu)管片標準塊(B1塊、B2塊)內(nèi)側(cè)出現(xiàn)拉應(yīng)力最大值，管片外側(cè)出現(xiàn)壓應(yīng)力最大值；當內(nèi)水壓為0.2 MPa時，管片的最大主應(yīng)力主要出現(xiàn)在管片右側(cè)拱腰區(qū)域，在盾構(gòu)管片鄰接塊(L1塊)出現(xiàn)拉應(yīng)力最大值，與封頂塊(F塊)相接處管片內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力最大。

由圖2a～f可知，隨著內(nèi)水壓力逐漸增大，盾構(gòu)管片的應(yīng)力狀態(tài)變化趨勢相同，無明顯的變化，盾構(gòu)管片頂部外側(cè)表現(xiàn)為受壓，內(nèi)側(cè)逐漸受拉；而在管片環(huán)拱腰兩側(cè)應(yīng)力變化也較為對稱，管片外部受拉，逐漸過渡到內(nèi)部表現(xiàn)為受壓狀態(tài)。但是內(nèi)水壓逐漸增大的過程，盾構(gòu)管片的最大拉應(yīng)力與最大壓應(yīng)力值也不斷增大，主應(yīng)力值變化較為明顯：當內(nèi)水壓為0.1 MPa時，盾構(gòu)管片的最大拉應(yīng)力為1.446 MPa，最大壓應(yīng)力為3.035 MPa；當內(nèi)水壓為0.15 MPa時，盾構(gòu)管片的最大拉應(yīng)力為1.926 MPa，最大壓應(yīng)力為3.447 MPa；當內(nèi)水壓為0.2 MPa時，盾構(gòu)管片的最大拉應(yīng)力為2.658 MPa，最大壓應(yīng)力為4.298 MPa。盾構(gòu)隧洞運行過程中，內(nèi)水壓對盾構(gòu)管片的應(yīng)力狀態(tài)有著較大的影響作用。

3.2 管片變形分析

在內(nèi)水壓力為0.2 MPa下，盾構(gòu)管片的豎向變形云圖示意見圖3。從圖3可以看出，盾構(gòu)管片發(fā)生豎向變形，其管片豎向變形的范圍在-3.296～0.007 6 mm。管片頂部向下沉降，最大為3.296 mm，管片底部向上發(fā)生豎向變形，盾構(gòu)管片環(huán)發(fā)生橢變，在管片頂部產(chǎn)生的豎向變形大于管片底部的豎向變形。

a 第1環(huán)盾構(gòu)管片豎向變形云圖

由圖3a～c可以看出，隨著內(nèi)水壓的增加，其盾構(gòu)管片的豎向變形值逐漸增加。當內(nèi)水壓為0.1 MPa時，盾構(gòu)管片豎向變形值最小，為1.078 mm；當內(nèi)水壓為0.15 MPa時，盾構(gòu)管片豎向變形值為1.497 mm；當內(nèi)水壓為0.2 MPa時，盾構(gòu)管片豎向變形值最大，為3.303 mm。從盾構(gòu)管片豎向變形值柱狀圖中明顯看到，當內(nèi)水壓從0.15 MPa增加到0.2 MPa時，其盾構(gòu)管片豎向變形的變形趨勢明顯增大。

4 不同內(nèi)水壓力下管片接縫張開量特性分析

4.1 管片接縫張開量分析

當內(nèi)水壓為0.20 MPa時，盾構(gòu)管片接縫張開量云圖見圖4，管片接縫張開主要體現(xiàn)在2個管片法向脫開與切向錯臺。分析圖4可知，接縫張開主要發(fā)生在盾構(gòu)管片頂部和拱腰處管片的接縫位置，盾構(gòu)管片采用通縫拼裝模型，每一環(huán)盾構(gòu)管片主要產(chǎn)生接縫張開的位置都相同，且變化趨勢也都較為接近。盾構(gòu)管片在水土壓力等荷載的作用下，管片環(huán)發(fā)生變形，管片之間受力不均，在管片接頭部位產(chǎn)生接縫張開角。從云圖4中可以看到，在管片頂部封頂塊(F塊)與鄰接塊(L2塊)接縫處，管片接縫內(nèi)側(cè)張開，外側(cè)壓密；封頂塊(F塊)與鄰接塊(L1塊)接縫處，管片接縫內(nèi)側(cè)壓密，外側(cè)張開；在盾構(gòu)管片拱腰標準塊(B2塊)與標準塊(B3塊)接縫處，管片接縫內(nèi)側(cè)壓密、外側(cè)張開。

通過分析不同內(nèi)水壓下的管片接縫張開量，每環(huán)盾構(gòu)管片與管片之間產(chǎn)生接縫張開的位置都相同，且接縫張開量都較為接近。因此，統(tǒng)計分析3種工況條件下盾構(gòu)管片接縫張開量的最大值(見表5)，同時繪制不同內(nèi)水壓下盾構(gòu)管片的最大接縫張開量曲線示意(見圖5)。

由圖5及表5分析可得，隨著內(nèi)水壓不斷的增加，相同管片接縫位置處的管片接縫張開量也逐漸增加，而且從圖5中看到，當內(nèi)水壓為0.2 MPa時，管片接縫張開量明顯比其它兩種工況的接縫張開量要大。當內(nèi)水壓為0.10 MPa時，管片接縫張開量最大為0.270 5 mm；當內(nèi)水壓為0.15 MPa時，管片接縫張開量最大為0.441 9 mm，根據(jù)表5盾構(gòu)管片接頭健康評價指標，盾構(gòu)管片的接縫張開量均在0～2 mm范圍內(nèi)，可以忽略。當內(nèi)水壓為0.20 MPa時，管片的接縫張開量較大，鄰接塊(L1塊)與標準塊(B1塊)處接縫張開量為2.040 2 mm，標準塊(B3塊)與鄰接塊(L2塊)處接縫張開量為2.812 0 mm，盾構(gòu)管片的接縫張開量均在2～4 mm范圍內(nèi)，根據(jù)表4盾構(gòu)管片接頭健康評價指標，應(yīng)注意接縫張開較大位置處的接縫防水問題。

a F～L1管片接縫張開云圖

表5 不同工況下盾構(gòu)管片各接縫位置處張開量(mm)

圖5 不同內(nèi)水壓下盾構(gòu)管片最大接縫張開量曲線示意

4.2 管片接縫防滲性能分析

彈性密封墊是盾構(gòu)管片接縫常用的防水材料，主要靠接觸面之間的接觸力來抵抗外水壓力。而管片接縫張開量對彈性密封墊接觸面之間的接觸力有較大的影響。張子新等[17]定義不同接縫張開量下密封墊的耐水壓與接縫未發(fā)生張開變形下密封墊耐水壓的比值為耐水壓折減系數(shù)fw，張開量越小，密封墊耐水壓折減系數(shù)越小，接觸應(yīng)力越大，防水能力越好，得到了張開量對耐水壓折減系數(shù)的影響：

fw(O)=-0.206O+1

(1)

式中：

fw(O)——張開量對耐水壓折減系數(shù)，0

O——張開量大小，mm。

本文在研究不同內(nèi)水壓力作用下管片接縫張開量大小的基礎(chǔ)上，結(jié)合接縫張開量對耐水壓力折減系數(shù)的影響關(guān)系，可以得到本工程在不同工況下接縫的防滲性能(見表6所示)。

從表6可以看出，隨著隧洞內(nèi)水壓力的增大，管片接縫處隨之出現(xiàn)不同的張開量，而張開量的增大會導致接縫彈性密封墊接觸力減小，導致接縫防滲性能減弱；在內(nèi)水壓力為0.2 MPa時，相鄰塊與標準塊之間的耐水壓折減系數(shù)已經(jīng)衰減至0.420 728，需要重視此處的抗?jié)B問題，采用注漿等方法予以處理。

表6 不同工況下盾構(gòu)管片各接縫位置處耐水壓折減系數(shù)

5 結(jié)語

本文依托榕江—關(guān)埠引水隧洞工程，針對該工程采用的管片設(shè)計形式建立了管片—接頭—螺栓組合結(jié)構(gòu)的三維數(shù)值模型，以此模型探討了隧洞管片及接縫在不同內(nèi)水壓力作用下的力學特性與張開特性，得出以下結(jié)論：

1) 本文建立的管片—接頭—螺栓組合結(jié)構(gòu)的三維數(shù)值模型能夠較好地反映隧洞所處工程與水文地質(zhì)情況，可以得到隧洞管片及接縫在不同內(nèi)水壓力作用下的力學特性與張開特性；

2) 內(nèi)水壓荷載的作用，對盾構(gòu)隧洞運行期管片結(jié)構(gòu)的力學性能有著顯著的影響。隨著內(nèi)水壓力增大，盾構(gòu)管片的最大拉應(yīng)力值與最大壓應(yīng)力值也不斷增大，主應(yīng)力值變化較為明顯。而且隨著內(nèi)水壓的增加，其盾構(gòu)管片的豎向變形值逐漸增加。當內(nèi)水壓為0.2 MPa時，盾構(gòu)管片豎向變形值最大，為3.303 mm，且內(nèi)水壓從0.15 MPa增加到0.2 MPa，盾構(gòu)管片豎向變形的變形趨勢也明顯增大。

3) 內(nèi)水壓荷載作用下，要特別注意接縫張開較大位置處的接縫防水問題。隨著內(nèi)水壓不斷增加，相同管片接縫位置處的管片接縫張開量也逐漸增加，當內(nèi)水壓為0.20 MPa時，管片的接縫張開量中標準塊(B3塊)與鄰接塊(L2塊)處接縫張開量最大，為2.812 0 mm。

4) 建立接縫張開量對彈性密封墊耐水壓折減系數(shù)的公式，用于預測防水密封墊在管片不同部位接縫處的不同張開量下的耐水壓折減情況，可以為工程中隧道接縫防水能力設(shè)計提供參考依據(jù)。