有壓隧洞在局部外壓作用下的襯砌受力研究

姚右文，崔偉杰，陳曉江

（中國電建華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311100）

隨著水電站事業(yè)的蓬勃發(fā)展，國內(nèi)地下工程建設規(guī)模日益擴大，在水工地下工程設計和施工技術(shù)方面積累了豐富經(jīng)驗[1]。水工地下隧洞的主要結(jié)構(gòu)是襯砌，而襯砌受到的主要荷載是水荷載。對于高水頭有壓隧洞，運行期混凝土襯砌會產(chǎn)生裂縫，檢修期若放空速度太快則裂隙閉合，導致襯砌外部產(chǎn)生巨大的外水壓力，進而引發(fā)襯砌塌落事故，這在國內(nèi)外都屢見不鮮[2]。

1 問題的提出

張有天[3]對巖石隧道襯砌外水壓力做了初步討論，指出SL 279—2016《水工隧洞設計規(guī)范》[4]外水壓力折減系數(shù)取值的不足之處，提出外水壓力應按照滲流荷載考慮并提出襯砌和圍巖應該有條件地考慮聯(lián)合承載。然而滲流場的大小取決于復雜的水文地質(zhì)條件，圍巖和襯砌的粘結(jié)力確定則需要較高的試驗條件，這些在一般水工設計時都無法精確定論，故水工設計工作者往往還是會按照規(guī)范[4]考慮外水壓力。綜上所述，不考慮圍巖的承載，將外水荷載按照面力施加雖然足夠保守，但是在研究中還是發(fā)現(xiàn)了一些問題。

按照以上討論，在設計圓形水工隧洞時，若將外水壓力均勻作用在襯砌外壁時，整個襯砌結(jié)構(gòu)被均勻壓縮，沒有產(chǎn)生拉應力，在設計襯砌配筋時外水壓力將不作為控制性工況。然而大量水工隧洞襯砌破壞的事實與經(jīng)驗表明，水荷載往往不是均勻作用的，而是局部作用在襯砌外表面。對于受局部外壓的圓形有壓隧洞，由內(nèi)壓工況控制設計出來的隧洞結(jié)構(gòu)是否能滿足要求，本文對此作了相應研究與分析。

2 工程案例

某水電站位于四川省涼山彝族自治州木里縣境內(nèi)的雅礱江中游河段上，樞紐主要建筑物由擋水建筑物、泄洪消能建筑物及引水發(fā)電系統(tǒng)等組成。其中高壓隧洞斷面有城門洞型和圓形2種。按照原設計，圓形隧洞襯砌厚度0.8 m，凈跨度10.4 m，設計時按照內(nèi)水壓力作為配筋設計工況，取配筋面積4 908 mm2。按照SL 279—2016《水工隧道設計規(guī)范》[4]，外水壓力設計值為76.0 m，設計時考慮圓形斷面均勻受壓，故不作為控制性工況。現(xiàn)研究此圓形隧洞在局部外水壓力作用下的受力情況并對原配筋設計進行復核。

2.1 計算邊界與條件

計算采用大型通用有限元軟件ABAQUS進行模擬，襯砌結(jié)構(gòu)采用實體單元，圍巖對襯砌的約束作用采用非線性彈簧來模擬，模型網(wǎng)格及配筋截面見圖1。襯砌采用C25混凝土，彈性模量Ec=2.8×104N/mm2，泊松比為0.167，密度25 kN/m3。襯砌周邊圍巖為花崗閃長巖，呈微風化～新鮮，為塊狀～鑲嵌結(jié)構(gòu)，圍巖類別為Ⅱ～Ⅲ類。計算所取的巖石物理力學參數(shù)見表1。

圖1 有限元計算網(wǎng)格示意圖

表1 巖體物理力學參數(shù)表

計算假定如下：①圍巖為均質(zhì)各向同性材料；②不考慮圍巖的初始應力狀態(tài)及開挖后的二次應力狀態(tài)影響，襯砌不承受來自圍巖的初應力；③在外水壓力作用下，為保守考慮不計圍巖對襯砌的粘結(jié)力。計算的邊界如下：①襯砌與圍巖接觸面的節(jié)點受到徑向和切向變形約束；②襯砌沿軸向前后表面受到軸向方向的約束。

襯砌結(jié)構(gòu)計算考慮的荷載主要包括外水壓力。計算工況及荷載組合見表2。

表2 計算工況及荷載組合表

2.2 計算結(jié)果分析

根據(jù)有限元計算可知，一開始襯砌的最大應力和位移出現(xiàn)在局部外壓作用范圍中心，隨著局部外壓作用范圍不斷擴大，其應力極值點逐漸向兩側(cè)轉(zhuǎn)移，當作用范圍達到90°時，應力極值點在作用兩側(cè)。外壓作用范圍30°時見圖2，外壓作用范圍90°時見圖3，位移極值點出現(xiàn)位置不變。根據(jù)計算結(jié)果整理得出圖4～5，隨著外水壓力作用范圍的變大，襯砌結(jié)構(gòu)受到的最大拉應力在局部外壓作用范圍30°內(nèi)逐漸增大之后逐漸降低，最大拉應力出現(xiàn)在作用范圍的襯砌內(nèi)側(cè)中心；襯砌結(jié)構(gòu)的最大位移在局部外壓作用范圍90°內(nèi)逐漸增大，之后逐漸減小，出現(xiàn)位置保持在作用范圍的中心。在此基礎上，選取直徑為6，8，12 m的隧洞進行計算分析，根據(jù)ABAQUS軟件計算結(jié)果可知襯砌受力規(guī)律：隨著局部外壓作用范圍的增大，應力極值點從中間向兩側(cè)轉(zhuǎn)移，位移極值點位置不變。不同直徑的隧洞計算得到的應力云圖在本文中不再展示。

圖 2 局部外壓作用范圍30°圖

圖 3 局部外壓作用范圍90°圖

圖4 應力變化規(guī)律圖

圖5 位移變化規(guī)律圖

2.3 危險局部外壓的確定

根據(jù)以上分析可以得出，局部危險外壓必然存在于某一范圍內(nèi)，選取15°～45°作用范圍局部加密研究其受力規(guī)律。根據(jù)有限元計算可得到表3和圖6～7，由此可得出，算例中隨著外水壓力的作用范圍加大，最大拉應力先增大后減小，在30°時最大拉應力值最大，為3.7 MPa。

表3 局部危險外壓的確定表

圖6 應力變化規(guī)律圖

現(xiàn)按照[5]DLT 5057—2009《水工混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》附錄D復核配筋，所需配筋面積為745 mm2。但混凝土最大拉應力超過其設計拉應力的3倍左右，極有可能撕裂混凝土從而產(chǎn)生裂縫，達到進一步的破壞。

圖7 位移變化規(guī)律圖

3 結(jié) 論

根據(jù)研究成果，每次局部危險外壓的確定需要大量的敏感性分析，影響因素不僅僅局限于外壓的作用范圍，還與其襯砌厚度和外水荷載密切相關(guān)，待進一步研究。本文探討圓形隧洞受局部外壓時的受力規(guī)律，得到以下結(jié)論：

（1）隨著局部外壓作用范圍的增大，應力極值點從中間向兩側(cè)轉(zhuǎn)移，位移極值點位置不變。

（2）設計圓形隧洞時，不能僅考慮內(nèi)水壓力，局部外水壓力的受力情況也應作復核；圓形隧洞局部危險外壓實際存在，最大拉應力發(fā)生在襯砌內(nèi)側(cè)，并在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)極值；

（3）算例中，局部危險外壓發(fā)生在作用范圍為30°的附近，最大拉應力為混凝土設計拉應力的3倍左右。