水位變化對隧洞襯砌管片變形影響研究

趙玉軍

（酒泉市水利綜合事務(wù)中心,甘肅 酒泉 735000）

1 引言

隨著我國城市建設(shè)的快速發(fā)展,隧洞建設(shè)規(guī)模和里程也越來越長,隧洞形狀、地質(zhì)條件也越來越復(fù)雜。實(shí)際工程中出現(xiàn)許多由于隧洞設(shè)計及施工不當(dāng)導(dǎo)致的變形及開裂問題,帶來了嚴(yán)重的社會影響。其中隧洞在開挖過程中需要進(jìn)行襯砌支護(hù),但受多種因素的影響,襯砌管片容易發(fā)生變形和開裂,因此關(guān)于襯砌開裂的影響因素是目前國內(nèi)外研究重點(diǎn)和難點(diǎn)。艾國平等[1]基于數(shù)值模擬研究了富水地層管片上浮計算方法。結(jié)果表明,較低的地下水壓力對抑制管片上浮具有積極影響,開挖過程中應(yīng)合理控制管片注漿比。張志華等[2]基于離散元數(shù)值模擬研究了水位波動下地鐵行車荷載對越江隧洞管片變形的影響。結(jié)果表明,洪水位下管片的拉壓應(yīng)力比正常水位下大4 倍,實(shí)際工程中應(yīng)加強(qiáng)管片監(jiān)測和維護(hù)。鄭中剛[3]采用數(shù)值模擬研究了富水地層泥水盾構(gòu)管片上浮效應(yīng),給出了注漿參數(shù)對管片上浮的影響規(guī)律。方勇等[4]基于物理模型試驗(yàn)研究了下穿黃河盾構(gòu)隧洞管片襯砌結(jié)構(gòu)受力特征,研究了水壓及土壓力對襯砌變形的影響,結(jié)果表明,正常水壓下,管片結(jié)構(gòu)的軸力隨側(cè)壓力系數(shù)的增大而增大,彎矩減小。黃清飛[5]基于理論解析法研究了水位對盾構(gòu)隧洞管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響,推導(dǎo)了不同上覆條件下水位變化對襯砌管片的內(nèi)力計算方法。本文基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬詳細(xì)的分析水位變化對隧洞襯砌管片的變形影響。

2 工程概況及現(xiàn)場監(jiān)測

2.1 工程概況

工程為城市內(nèi)隧洞工程,隧洞位于軟土地層,隧洞區(qū)間穿越的巖層由上至下分別為素填土、淤泥質(zhì)黏土、砂礫土、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。各層土體的厚度見圖1。隧洞最大埋深為26 m。本文研究隧洞區(qū)間主要處于中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖地層。隧洞圍巖質(zhì)量為Ⅲ級。

圖1 隧洞地層典型斷面圖

自2020年進(jìn)入雨季以來,研究區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)降雨,水位大幅上升并超出警戒線。水位上升一方面會導(dǎo)致隧洞積水,另一方面動靜水壓力可能會作用于襯砌管片結(jié)構(gòu),造成變形和開裂。

2.2 現(xiàn)場監(jiān)測

根據(jù)研究區(qū)的水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件,考慮隧洞區(qū)間多處于中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖,選取兩處典型斷面進(jìn)行混凝土應(yīng)變監(jiān)測。應(yīng)變計采用表面粘貼式混凝土應(yīng)變計,可實(shí)時監(jiān)測混凝土應(yīng)變及應(yīng)變差值等。應(yīng)變計布置的位置主要有兩處斷面的的拱底、拱腰及拱頂處。

監(jiān)測持續(xù)時長為4 個月。監(jiān)測內(nèi)容主要包括溫度、混凝土應(yīng)變以及地下水位在監(jiān)測周期內(nèi)的變化情況。圖2 匯總得到研究區(qū)監(jiān)測時段內(nèi)水位變化過程。結(jié)果表明,研究區(qū)自7 月開始進(jìn)入雨季,導(dǎo)致水位大幅上升,到7 月11 日,水位達(dá)到23.8 m。隨后,水位持續(xù)下降,到監(jiān)測結(jié)束時,水位為16 m。

圖2 研究區(qū)監(jiān)測期水位變化曲線

圖3 匯總得到監(jiān)測時段內(nèi),襯砌管片6 個測點(diǎn)的應(yīng)變變化規(guī)律。結(jié)果表明,在整個監(jiān)測期間,應(yīng)變保持比較穩(wěn)定,但監(jiān)測初始時期,應(yīng)變值波動比較大,這主要是由于粘貼過程中對應(yīng)變計產(chǎn)生一定的應(yīng)力導(dǎo)致的。根據(jù)監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)變與水位變化對比分析發(fā)現(xiàn)：

圖3 管片應(yīng)變變化曲線

（1）管片應(yīng)變值隨水位的增大而增大。強(qiáng)降雨后水位下降過程中拱底應(yīng)變值隨水位的下降而減小。其中1#應(yīng)變計由2880 降低至2800,降低了80；2#應(yīng)變計由3050 降低至3000,累計降低50。

（2）水位進(jìn)一步降低,3#應(yīng)變計應(yīng)變由從2540 增大至2600,4#應(yīng)變計從2800 上升到2860。總體來看,水位降低會導(dǎo)致襯砌管片拱腰位置縱向處于受拉狀態(tài)。

（3）根據(jù)5#應(yīng)變計和6#應(yīng)變計的變化發(fā)現(xiàn),5#和6#應(yīng)變計應(yīng)變減小,總體來看,水位降低會導(dǎo)致襯砌管片拱頂位置縱向處于受壓狀態(tài)。

3 數(shù)值模擬

3.1 計算參數(shù)

為進(jìn)一步分析管片的變形規(guī)律,本文建立數(shù)值模型進(jìn)行深入分析。模型整體尺寸為24 m×50 m×39 m。模型計算參數(shù)主要參考既有相關(guān)研究和工程經(jīng)驗(yàn),結(jié)果匯總于表1。

表1 模型計算物理力學(xué)參數(shù)

3.2 計算結(jié)果

計算中將水位高度折算為水壓力作為均布荷載施加于模型頂部位置,最終獲得隧洞拱頂、拱底和拱腰位置處不同水位情況下隧洞縱向應(yīng)力的變化情況,見圖4~圖6。其中應(yīng)力為正表示受拉,負(fù)值為受壓。結(jié)果表明,隧洞拱底位置剪應(yīng)力最大,此外,隧洞拱頂和拱底均處于受拉狀態(tài),而拱腰處于受壓狀態(tài)。

圖4 拱底縱向應(yīng)力變化曲線

圖5 拱腰縱向應(yīng)力變化曲線

進(jìn)一步分析計算結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)水位由21 m 降低至16 m時。拱底區(qū)域A 環(huán)管片應(yīng)力由870 kPa 降低至640 kPa,降低了26%。拱腰位置由560 kPa 降低至420 kPa,降低了25%。拱頂位置由290 kPa 降低至50 kPa,降低了83%；對于B 環(huán)管片而言,拱底區(qū)域應(yīng)力由810 kPa 降低至610 kPa,降低了25%。拱腰位置由510 kPa 降低至390 kPa,降低了23%。拱頂位置由300 kPa 降低至80 kPa,降低了273%。因此,水位越高,隧洞管片縱向應(yīng)力越大。此外,拱頂處應(yīng)力的變化速率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于拱底區(qū)域。這是由于隧洞頂部受水位的變化影響更大。另一方面由于水位的上升導(dǎo)致水的上浮力主要作用至拱底和拱腰位置,進(jìn)一步可導(dǎo)致隧洞發(fā)生不均勻變形及下沉等工程問題。

4 結(jié)論

本文基于某水工隧洞工程，基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬研究水位變化對襯砌管片的變形影響，得到如下結(jié)論：

（1）當(dāng)水位變化時,隧洞拱底位置剪應(yīng)力最大。此外,隧洞拱頂和拱底均處于受拉狀態(tài),而拱腰處于受壓狀態(tài)。水位下降幅度越大,管片產(chǎn)生的作用力越大。

（2）隧洞拱頂受水位的波動比其他區(qū)域更大,其他條件相同的情況下,當(dāng)水位由21 m 降低至16 m 時。拱底、拱腰和拱底位置處的應(yīng)力均顯著降低,其中以拱底區(qū)域A 環(huán)管片應(yīng)力為例,應(yīng)力由870 kPa 降低至640 kPa,拱腰位置由560 kPa 降低至420 kPa,拱頂位置由290 kPa 降低至50 kPa。

（3）水位越高,隧洞管片縱向應(yīng)力越大。由于隧洞頂部受水位的變化影響更大導(dǎo)致拱頂處應(yīng)力的變化速率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于拱底區(qū)域。

通過本文的研究,水位變化對隧洞襯砌管片的影響比較大。實(shí)際工程施工中,應(yīng)充分考慮水位上升可能導(dǎo)致的管片變形和開裂,尤其是雨季施工中要做好降水措施,并進(jìn)行相關(guān)的監(jiān)測,出現(xiàn)問題及時排除和治理。