內(nèi)水壓力作用下3層襯砌輸水隧洞結(jié)構(gòu)受力分析

高章榮

(贛州市天鷹勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，江西 贛州 341000)

1 概述

盾構(gòu)法施工建造引水隧洞因其施工靈活、速度快等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用。因此，引水隧洞施工問題已逐漸成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。眾多學(xué)者針對(duì)該問題開展了研究，并取得了豐碩了成果。閆治國等[1]、彭益成等[2]、曹生榮等[3]、謝小玲等[4]、楊釗等[5]通過對(duì)采用復(fù)合襯砌的引水隧洞進(jìn)行分析，王俊淞等[6]通過離心機(jī)試驗(yàn)，分析了盾構(gòu)隧道采用雙層襯砌效果。本文以某城市3層襯砌輸水隧洞工程為研究對(duì)象，通過有限元軟件建立精細(xì)化襯砌管片模型，分析了不同內(nèi)水壓力作用下3層襯砌輸水隧洞受力情況。

2 工程概況

南方某城市為解決該地區(qū)存在的缺水問題，從珠江三角洲某西部西江水系向缺水地區(qū)輸水。輸水隧洞穿越核心城市群，沿線建筑物較為密集，上覆軟土厚度大，河網(wǎng)較發(fā)達(dá)，地表水豐富、內(nèi)外水壓均較高[7- 9]。該輸水隧洞總設(shè)計(jì)長度121.3km，主干線長度為95.8km，分干線長度為25.5km。該輸水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)拼裝采用錯(cuò)峰方式，襯砌圓環(huán)通過12根螺栓連接6塊混凝土管片而成，隧洞管片厚0.3m，隧洞內(nèi)徑5.4m，外徑6.0m，環(huán)向?qū)挾葹?.2m。管片環(huán)分塊示意和分塊實(shí)物如圖1所示。

圖1 襯砌管片環(huán)分塊示意圖

研究區(qū)段全長為1782m，區(qū)間地面高程為19～68m，隧洞埋深范圍為7～36m，隧洞拱底高程為-16.3～35.2m。該區(qū)間輸水隧洞穿越全風(fēng)化片麻巖，主要包括砂土和砂質(zhì)黏土，遇水易崩解，地層局部有強(qiáng)風(fēng)化夾層，夾層厚度較深，圍巖分類等級(jí)為Ⅴ[10- 11]。根據(jù)地勘報(bào)告，主要巖土體的參數(shù)見表1。

3 三維有限元模型

根據(jù)工程設(shè)計(jì)方案，建立三維數(shù)值模型，如圖2所示。建?？紤]管片間作用、管片與螺栓作用、縱縫細(xì)部構(gòu)造作用等。采用實(shí)體單元模擬襯砌

表1 主要巖土體的參數(shù)表

管片，單元為四面體，管片和混凝土、鋼套筒和混凝土之間采用黏結(jié)單元。模型中共148562個(gè)節(jié)點(diǎn)，435875個(gè)單元。各結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

4 數(shù)值結(jié)果分析

4.1 結(jié)構(gòu)分擔(dān)內(nèi)水壓比例

該新型3層襯砌結(jié)構(gòu)下內(nèi)、外層襯砌分擔(dān)內(nèi)水壓百分比見表3。不同水壓下內(nèi)、外層襯砌承擔(dān)軸力百分比變化曲線如圖3所示。從圖3和表3中可知，3層襯砌結(jié)構(gòu)在內(nèi)水壓力下經(jīng)歷振蕩性的變化，根據(jù)軸力分配狀態(tài)，可以分為如下4個(gè)階段：內(nèi)水壓力0～0.2MPa(初始彈性階段)、內(nèi)水壓力0.2～0.6MPa(細(xì)觀開裂階段)、內(nèi)水壓力0.6～0.7MPa(局部破壞階段)、內(nèi)水壓力0.7～1.0MPa(整體破壞階段)。

表3 3層襯砌結(jié)構(gòu)下內(nèi)、外層襯砌分擔(dān)內(nèi)水壓百分比 單位：%

(1)初始彈性階段：

初始彈性階段結(jié)束時(shí)管片、自密實(shí)混凝土內(nèi)襯和鋼套筒承擔(dān)的內(nèi)水壓力分別為24.5%、41.8%、33.7%?？梢姡撾A段的內(nèi)水壓力主要由混凝土內(nèi)襯和鋼套筒兩部分承擔(dān)，隨著內(nèi)水壓力的增大，管片結(jié)構(gòu)承擔(dān)的內(nèi)水壓力越來越大，這主要是因?yàn)閮?nèi)水壓力的增大會(huì)導(dǎo)致水壓力通過混凝土內(nèi)襯傳遞至管片。

(2)細(xì)觀開裂階段：

細(xì)觀開裂階段結(jié)束時(shí)管片、自密實(shí)混凝土內(nèi)襯和鋼套筒承擔(dān)的內(nèi)水壓力分別為36.2%、35.2%、28.4%?？梢姡炷羶?nèi)襯和鋼套筒在細(xì)觀開裂階段下承擔(dān)的內(nèi)水壓力比例逐漸下降，而管片結(jié)構(gòu)承擔(dān)的內(nèi)水壓力比例很緩慢地增大。該階段管片、自密實(shí)混凝土內(nèi)襯和鋼套筒協(xié)同變形，一起承受內(nèi)水壓力，每部分結(jié)構(gòu)分擔(dān)的軸力變形不明顯。

表2 襯砌結(jié)構(gòu)主要參數(shù)表

圖2 計(jì)算模型圖

圖3 內(nèi)、外層襯砌分擔(dān)內(nèi)水壓百分比曲線

(3)局部破壞階段：

局部破壞階段結(jié)束時(shí)管片承擔(dān)的內(nèi)水壓力比例迅速上升至47.2%，鋼套筒承擔(dān)的內(nèi)水壓力比例也緩慢上升至37.7%，相反混凝土內(nèi)襯承擔(dān)的內(nèi)水壓力比例迅速下降至15.1%。這是因?yàn)榛炷羶?nèi)襯內(nèi)部沒有布設(shè)鋼筋，因此當(dāng)混凝土內(nèi)襯應(yīng)變逐漸超過其極限拉應(yīng)變后，混凝土因受拉而開裂導(dǎo)致其不能再承擔(dān)內(nèi)水壓力。從而也導(dǎo)致了另外兩個(gè)結(jié)構(gòu)承擔(dān)比例大幅提升。

(4)整體破壞階段：

整體破壞階段結(jié)束時(shí)混凝土內(nèi)襯承擔(dān)的內(nèi)水壓力比例繼續(xù)下降至10.1%，可見混凝土內(nèi)襯已不能再承擔(dān)內(nèi)水壓力了。管片結(jié)構(gòu)承擔(dān)的內(nèi)水壓力比例逐漸趨于穩(wěn)定性，穩(wěn)定在45.2%。而鋼套筒承擔(dān)的內(nèi)水壓力比例繼續(xù)上升至44.7%，這是由于鋼套筒環(huán)向應(yīng)力相較于其屈服強(qiáng)度還較小，能繼續(xù)承擔(dān)更大的內(nèi)水壓力。

4.2 混凝土開裂

管片結(jié)構(gòu)不同內(nèi)水壓力下開裂區(qū)域如圖4所示，混凝土內(nèi)襯結(jié)構(gòu)不同內(nèi)水壓力下開裂區(qū)域如圖5所示。根據(jù)上述結(jié)果繪制了兩種結(jié)構(gòu)開裂區(qū)域隨內(nèi)水壓力的變化曲線，如圖6所示。從圖6中可以看出，當(dāng)內(nèi)壓壓力處于0～0.6MPa范圍內(nèi)，自密實(shí)混凝土內(nèi)襯螺栓處出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，開裂區(qū)域面積占襯砌整環(huán)面積的2.84%。當(dāng)內(nèi)水壓力達(dá)到0.6MPa時(shí)，混凝土內(nèi)襯在拱頂位置和右側(cè)拱腰位置發(fā)生了貫穿性拉裂現(xiàn)象，這解釋了混凝土內(nèi)襯承擔(dān)的內(nèi)水壓力比例下降的現(xiàn)象。因?yàn)榛炷羶?nèi)襯和管片只可傳遞徑向壓力，所以徑向壓力發(fā)生貫穿性拉裂影響了其承擔(dān)的內(nèi)水壓力比例，無法繼續(xù)承擔(dān)環(huán)向拉力。當(dāng)內(nèi)水壓力達(dá)到1.0MPa時(shí)，自密實(shí)混凝土內(nèi)襯的開裂區(qū)域面積占襯砌整環(huán)面積達(dá)到15.63%，此時(shí)管片和鋼套筒繼續(xù)承擔(dān)內(nèi)水壓力，鋼套筒的環(huán)向應(yīng)力仍小于其屈服拉應(yīng)力。

當(dāng)內(nèi)水壓力達(dá)到0.6MPa時(shí)，管片結(jié)構(gòu)開裂區(qū)域面積只占襯砌整環(huán)面積的3.44%，且并未發(fā)生貫穿拉裂現(xiàn)象。此外，管片結(jié)構(gòu)比混凝土內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)發(fā)生開裂破壞晚，因此管片承受內(nèi)水壓力比提高。當(dāng)內(nèi)水壓力進(jìn)一步增大，在首孔位置，管片和螺栓產(chǎn)生擠壓現(xiàn)象，壓應(yīng)力大于管片自身材料的極限壓應(yīng)力，在該位置產(chǎn)生局部壓潰。在土壓力作用下，管片拱底和拱頂位置受拉。當(dāng)內(nèi)水壓力達(dá)到1.0MPa時(shí)，管片拱底和拱頂位置裂縫繼續(xù)發(fā)展，使管片承擔(dān)的內(nèi)水壓力比略微下降。

圖4 不同內(nèi)水壓力下管片結(jié)構(gòu)開裂區(qū)域圖

圖5 不同內(nèi)水壓力下混凝土內(nèi)襯開裂區(qū)域圖

圖6 結(jié)構(gòu)開裂區(qū)域隨內(nèi)水壓力的變化曲線

4.3 管片張開量

管片接頭內(nèi)外張開量隨荷載的變化曲線如圖7所示。從圖7中可以看出，當(dāng)管片都拼裝結(jié)束后，管片接頭位置外張開量都小于零，管片在拱底和拱腰位置有較小的內(nèi)張開量。當(dāng)內(nèi)水壓力處于0～0.6MPa范圍，內(nèi)外接頭張開量增長較小，張開量約為-0.05～0.02mm。當(dāng)內(nèi)水壓力增大到0.7MPa，混凝土內(nèi)襯開始出現(xiàn)拉裂現(xiàn)象，管片承擔(dān)的內(nèi)水壓力比例上升，管片接頭張開量增長幅度變大，管片左拱腰和左拱肩位置的接頭張開量分別為0.02、0.04mm。當(dāng)內(nèi)水壓力從0.7MPa增大到1.0MPa過程，管片開始出現(xiàn)開裂，裂縫逐漸增大直至整體破壞，管片張開量加速增大。該階段外張開量峰值為0.1mm，發(fā)生在管片拱底和拱頂位置，內(nèi)階段外張開量峰值為0.25mm，發(fā)生在管片拱底位置。

4.4 螺栓應(yīng)力分布

內(nèi)水壓力作用下螺栓環(huán)向應(yīng)變見表4。從表4中可以看出，該襯砌結(jié)構(gòu)下，螺栓應(yīng)力均小于抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

圖7 管片接頭內(nèi)外張開量隨荷載的變化曲線

表4 內(nèi)水壓力作用下螺栓環(huán)向應(yīng)變

5 結(jié)論

以某3層襯砌輸水隧洞工程為研究對(duì)象，通過有限元軟件建立精細(xì)化襯砌管片模型，分析了不同內(nèi)水壓力作用下3層襯砌各部分承擔(dān)內(nèi)水壓力情況，研究了襯砌結(jié)構(gòu)開裂規(guī)律。得到以下主要結(jié)論。

(1)在內(nèi)水壓力作用下，新型3層襯砌的管片張開量峰值為0.25mm，螺栓縱向應(yīng)力峰值為88.7MPa，有效利用率為35.5%(即拉應(yīng)力峰值與抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值比值)，且內(nèi)水壓力對(duì)管片張開量和螺栓縱向應(yīng)力的影響有限。

(2)在內(nèi)水壓力下新型3層襯砌下經(jīng)歷4個(gè)階段：初始彈性階段、細(xì)觀開裂階段、局部破壞階段和整體破壞階段，其對(duì)應(yīng)的內(nèi)水壓力分為0～0.2MPa、0.2～0.6MPa、0.6～0.7MPa和0.7～1.0MPa。該襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)水壓力的承載力為0.6MPa。