李 蘭

(塔城地區(qū)庫(kù)魯斯臺(tái)草原生態(tài)修復(fù)工程建設(shè)管理局，新疆 塔城 834700)

隨著政府在水利工程建設(shè)領(lǐng)域投資力度的不斷加大，近年來(lái)新建水利工程的數(shù)量迅速增多，部分工程的規(guī)模也日漸擴(kuò)大。在水利工程建設(shè)中，地下洞室工程是重要的組成部分[1]。地下洞室工程的地質(zhì)環(huán)境往往比較復(fù)雜，因而對(duì)建設(shè)技術(shù)提出了更高的要求[2]。雖然我國(guó)的水工隧洞施工技術(shù)日漸成熟，但是這些工程在建設(shè)和使用期間仍存在襯砌裂縫、開(kāi)裂、管片結(jié)構(gòu)破損等諸多病害問(wèn)題[3]。由此可見(jiàn)，預(yù)防和治理水工隧洞的病害，是目前水利工程建設(shè)中亟待解決的問(wèn)題。關(guān)于水工隧洞病害的研究顯示，施工中的襯砌缺陷是病害產(chǎn)生的主要原因，而襯砌厚度不足又是水工隧洞施工中最常見(jiàn)的缺陷形式[4]。顯然，隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的減薄處是隧洞結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)，在內(nèi)水壓力和外力的綜合作用下，極易誘發(fā)一系列的結(jié)構(gòu)病害，并對(duì)水工隧洞的安全性造成嚴(yán)重影響[5]。鑒于襯砌減薄對(duì)地下洞室結(jié)構(gòu)安全的重要影響，學(xué)者在相關(guān)研究領(lǐng)域進(jìn)行了深入探索。王華牢等[6]運(yùn)用有限元模型研究了襯砌厚度不足對(duì)不同級(jí)別圍巖的襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力與安全系數(shù)，認(rèn)為襯砌厚度不足會(huì)造成缺陷部位結(jié)構(gòu)安全系數(shù)的減?。悔w東平等[7]以實(shí)際工程為背景，研究了隧洞襯砌厚度不足的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)變化規(guī)律及裂縫的分布形式。但是，以往的研究沒(méi)有針對(duì)不同減薄位置對(duì)結(jié)構(gòu)受力與變形特征的影響?；诖?，本文以數(shù)值模擬的方法來(lái)研究襯砌減薄位置對(duì)輸水隧洞結(jié)構(gòu)安全性影響，以期為地下洞室工程襯砌厚度不足的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與管控提供理論和技術(shù)支持。

1 數(shù)值模擬模型的構(gòu)建

1.1 模擬方法的選擇

鑒于傳統(tǒng)有限元方法在處理移動(dòng)邊界問(wèn)題以及靜態(tài)不連續(xù)問(wèn)題方面的能力有一定的欠缺，美國(guó)西北大學(xué)教授Belytschko于1999年提出了基于最小重構(gòu)網(wǎng)格的有限元法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)彈性裂紋擴(kuò)展的有效模擬[8]。在不斷完善的基礎(chǔ)上，Daux等引入了連接函數(shù)，最終定義了擴(kuò)展有限元法[9]。該方法作為非連續(xù)體變形計(jì)算領(lǐng)域的新方法，在處理和計(jì)算各種結(jié)構(gòu)斷裂問(wèn)題方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，因此得到了廣泛的應(yīng)用[10]。因此，本文利用已經(jīng)引入擴(kuò)展有限元分析法的Abaqus軟件進(jìn)行建模，進(jìn)行襯砌減薄位置對(duì)輸水隧洞結(jié)構(gòu)安全性影響的數(shù)值模擬研究。

1.2 模型的建立

研究的工程背景為某輸水工程Ⅴ級(jí)圍巖洞段，該段隧洞為馬蹄型斷面，斷面尺寸為4.2m×4.0m。根據(jù)相關(guān)研究成果，地下洞室工程在施作二襯之后，初支結(jié)構(gòu)承擔(dān)的圍巖荷載將大幅減少，并主要由二襯結(jié)構(gòu)承擔(dān)襯砌荷載與圍巖壓力[11]。因此，研究中將初支和二襯結(jié)構(gòu)視為一個(gè)整體，厚度取0.6m。結(jié)合相關(guān)研究成果，模型的邊界范圍按照洞徑的5倍跨度計(jì)算，水平方向和豎直方向均為60m，洞軸線方向?yàn)?m[12]。以洞軸線指向下游的方向?yàn)閅軸的正方向；以垂直于Y軸指向左側(cè)的方向?yàn)閄軸正方向；以豎直向上的方向?yàn)閆軸的正方向。對(duì)模型的四周施加水平位移約束，模型的底部施加豎向和水平位移約束，模型的頂部設(shè)置為自由邊界條件，同時(shí)施加0.85MPa的等效圍巖荷載[13]。模擬計(jì)算過(guò)程中圍巖巖體采用M-C本構(gòu)模型；襯砌混凝土采用線彈性模型。對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)采用CPE4R線性四邊形單元模擬，圍巖結(jié)構(gòu)采用CPE4R線性四邊形單元和CPE3線性三角形單元模擬，對(duì)襯砌周邊區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理[14]。整個(gè)模型劃分為15603個(gè)網(wǎng)格單元，16576個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格劃分示意圖如圖1所示。

圖1 模型網(wǎng)格劃分示意圖

圍巖與襯砌的物理力學(xué)參數(shù)結(jié)合相關(guān)研究成果和工程現(xiàn)場(chǎng)采樣試驗(yàn)來(lái)獲取，具體數(shù)值見(jiàn)表1。

表1 材料的物理力學(xué)參數(shù)

1.3 計(jì)算方案

為了獲得隧洞襯砌在不同位置上的厚度不足對(duì)襯砌位移和裂縫參數(shù)的影響，共設(shè)置6組計(jì)算方案，其中方案1為無(wú)缺陷襯砌方案，是其余各組的對(duì)照，方案2—方案6分別在拱頂、拱肩、拱腰、邊墻及仰拱部位存在襯砌厚度不足，減薄范圍為22.5°，減薄深度為20cm。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 襯砌變形的計(jì)算結(jié)果與分析

利用上節(jié)構(gòu)建的模型，對(duì)不同計(jì)算方案下的隧洞襯砌位移進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2中的數(shù)據(jù)可知，襯砌薄減部位位于拱頂時(shí)，該部位的豎向位移變形量最大，與襯砌無(wú)缺陷的方案1相比，增加了約5%；襯砌薄減部位位于邊墻時(shí)，邊墻的水平位移變形量最大，與襯砌無(wú)缺陷的方案1相比，增加了約6%；在其余方案中，由于襯砌結(jié)構(gòu)為典型的非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，有缺陷的左側(cè)邊墻水平位移較右側(cè)邊墻大。因此，襯砌薄減部位位于拱頂或邊墻部位時(shí)，分別對(duì)隧道的沉降位移和水平位移影響較大，但是影響度在10%以?xún)?nèi)，并不顯著。

表2 各方案下襯砌最終變形量 單位：mm

2.2 襯砌裂損狀態(tài)的計(jì)算結(jié)果與分析

為了分析薄減對(duì)隧洞襯砌裂損狀態(tài)的影響特點(diǎn)，研究中利用構(gòu)建的模型對(duì)不同計(jì)算方案下的襯砌裂縫的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制出如圖2—7所示的不同計(jì)算方案下的裂損荷載及裂縫參數(shù)結(jié)果。由圖2—7可知，各個(gè)方案下襯砌裂縫出現(xiàn)的位置基本相同，主要分布在襯砌的仰拱、拱頂以及邊墻部位。從裂縫出現(xiàn)的順序來(lái)看，首先是仰拱，然后是拱頂，最后是兩側(cè)邊墻。不同方案下的額裂縫數(shù)量有所不同，方案2和方案3的裂縫數(shù)量最多，都是7條，同時(shí)仰拱部位的裂縫發(fā)展快、深度大，對(duì)襯砌安全會(huì)造成較大影響。在非對(duì)稱(chēng)襯砌結(jié)構(gòu)的方案3、方案4和方案5下，兩側(cè)裂縫出現(xiàn)的位置和順序稍有區(qū)別，一般是存在缺陷的一側(cè)裂縫出現(xiàn)較早，同時(shí)位置分布也呈現(xiàn)出不對(duì)稱(chēng)的特點(diǎn)。此外，在襯砌存在缺陷的各個(gè)方案下，襯砌的首條裂縫出現(xiàn)時(shí)的荷載小于方案1，同時(shí)裂縫的平均深度較大，這也從側(cè)面說(shuō)明襯砌減薄會(huì)加劇隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的裂損。

圖2 方案1裂損荷載及裂縫參數(shù)

圖3 方案2裂損荷載及裂縫參數(shù)

圖4 方案3裂損荷載及裂縫參數(shù)

圖5 方案4裂損荷載及裂縫參數(shù)

圖6 方案5裂損荷載及裂縫參數(shù)

圖7 方案6裂損荷載及裂縫參數(shù)

2.3 襯砌裂縫發(fā)展規(guī)律

為了進(jìn)一步研究不同方案下襯砌裂縫發(fā)展變化規(guī)律，選取6個(gè)計(jì)算方案中都存在的仰拱與拱頂裂縫以及邊墻部位最先出現(xiàn)的裂縫作為對(duì)比研究對(duì)象，統(tǒng)計(jì)其出現(xiàn)時(shí)的荷載以及初始和最終面積，結(jié)果如圖8—11所示。由圖8—11可知，襯砌的薄減缺陷會(huì)加快襯砌各部位裂縫的出現(xiàn)，原因是上述缺陷的存在會(huì)降低整個(gè)襯砌結(jié)構(gòu)的承載力；無(wú)論隧洞襯砌是否存在薄減缺陷或薄減缺陷出現(xiàn)在襯砌的什么位置，最先出現(xiàn)裂縫的是襯砌的仰拱部位，同時(shí)該部位的裂縫發(fā)展快、面積大，且在方案2條件下的裂縫面積最大。襯砌結(jié)構(gòu)為對(duì)稱(chēng)狀態(tài)時(shí)，左右兩側(cè)邊墻的裂縫在特征量上具有相似性；而襯砌結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)時(shí)，缺陷一側(cè)較早出現(xiàn)裂縫，同時(shí)裂縫的面積較大，但是差距并不明顯。

圖8 仰拱裂縫發(fā)展特征

圖9 拱頂裂縫發(fā)展特征

圖10 左邊墻裂縫發(fā)展特征

圖11 右邊墻裂縫發(fā)展特征

3 結(jié)論

地下洞室病害整治工程的經(jīng)驗(yàn)顯示，襯砌厚度不足是最常見(jiàn)的缺陷形式，而減薄部位是整個(gè)地下洞室工程結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)，極易在外力的作用下產(chǎn)生結(jié)構(gòu)病害，進(jìn)而影響工程安全。本次研究利用擴(kuò)展有限元軟件研究了減薄位置對(duì)隧洞襯砌結(jié)構(gòu)安全性的影響，獲得襯砌薄減部位對(duì)輸水隧洞結(jié)構(gòu)安全性的影響規(guī)律，對(duì)相關(guān)工程設(shè)計(jì)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)具有重要理論價(jià)值。顯然，本次研究的結(jié)論僅依靠數(shù)值模擬結(jié)果獲得，而實(shí)際工程中受到的干擾和影響因素更多，因此還需要通過(guò)實(shí)際工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)本研究結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證。