壁后空洞对电力隧道长期受力变形的影响规律

李 靖 何明锋 李文武 陈 晖

(1.金华供电公司，浙江 金华 321000； 2.金华电力设计院，浙江 金华 321000； 3.金华电力设计院送电所，浙江 金华 321000)

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壁后空洞对电力隧道长期受力变形的影响规律

李 靖1何明锋2李文武3陈 晖3

(1.金华供电公司，浙江 金华 321000； 2.金华电力设计院，浙江 金华 321000； 3.金华电力设计院送电所，浙江 金华 321000)

为研究软岩隧道在空洞存在情况下管片的长期受力变形特性,采用有限元数值模拟的方法，研究管片壁后空洞对管片内力和变形在全寿命阶段的影响规律,并与无空洞工况模拟结果作了对比，得出了空洞对所在区域附近剪切应变和水平位移产生较大影响，在全寿命阶段对管片弯矩影响较大的结论。

壁后空洞，软岩隧道，有限元，稳定性

0 引言

近年来，高速公路带动大量的隧道及隧道群出现，另外，电缆隧道等城市市政工程建设也更多地开始利用城市地下空间，施工中越来越频繁地涉及到软岩隧道工程。但隧道受施工运营中各种问题影响，难免会出现各种不同程度的损害，管片壁后空洞是最典型最常见的病害形式。

当软岩隧道管片壁后出现空洞时，管片的受力出现了恶化，在空洞周围形成局部的应力集中，同时，围岩应力状态也会发生改变。若管片壁后空洞较大，在长期使用过程中，空洞在围岩蠕变作用下，可能会产生进一步的失稳破坏，甚至导致隧道塌方。因此有必要分析空洞对管片结构力学性能的影响。

目前国内空洞下管片安全性评估计算，普遍采用荷载—结构模型与安全系数的方法，但荷载—结构模型存在简化计算，忽略围岩本身蠕变特性的问题。所以本文采用地层—结构模型和管片应力的方法更直观地去讨论壁后空洞对软岩隧道长期稳定性的影响。分析比较不同工况、不同空洞分布及大小的情况下壁后空洞对软岩隧道全寿命周期不同阶段的稳定性影响。

1 数值模拟方法及本构

1.1 数值模拟方法

有限元法、边界元法、有限差分法、离散元法、不连续变形分析法是当今岩土工程领域结构分析中最为常用的数值方法。对于软岩则需要采用有限元法、边界元法、有限差分法等适用于连续介质的数值计算方法。本研究采用其中最为常用的有限元法，有限元软件可基于Biot耦合理论，计算二维问题，适用于本文隧道壁后空洞问题的研究。

围岩结构的荷载主要是由围岩体的重力和原岩体的构造压力两部分组成。对于城市市政工程中的浅埋隧道，水平压力通常很小，覆土重力起主要控制因素，所以可以使用自重应力场来确定垂直压力和水平压力。本文研究隧道的类型即为浅埋顶管隧道，通过在自重应力场基础上，施加竖向地应力来模拟软岩的上层覆土及地面上构筑物的压力。

为研究软岩中壁后空洞对隧道围岩及隧道管片内力分布的影响，本论文在软岩隧道拱腰处设置空洞，并与无空洞工况结果作对比，分析两种工况下隧道应力应变和轴力弯矩随时间的变化。

1.2 软岩本构模型

软岩在我国分布极广，工程性质明显不同于硬质岩石和软弱土体，国内外许多学者都对当地的软岩进行了实验研究[1-5]，得到了软岩的物理力学特性。本研究采用粘弹塑性本构模型。该模型考虑了一般应力路径下应力应变特性和流变特性[6]，模型参数较少，适用于之后软岩隧道长期稳定性的数值模拟分析。

本文建立的有限元模型与背景工程相对应，软岩本构模型所涉及的各项参数通过采集原装岩样进行室内试验来确定，管片材料选用与工程设计相同的材料。岩层的初始总应力场定为重力场加0.1 MPa的地层竖向应力，静止土压力系数取0.8。围岩的参数以及管片参数如表1,表2所示。

表1 围岩材料参数

表2 管片材料参数

为验证有限元模型可靠度，将有限元法与工程设计分别计算得到的轴力弯矩作对比。图1,图2是有限元模型与工程设计分别计算得到的轴力和弯矩对比图。

可以看到两者的管片轴力和弯矩分布模式基本相同，证实了有限元模型参数的可信度及有限元分析方法的可靠度。

2 有限元模型

图3为背后空洞的软岩隧道有限元模型，模型宽41 m，高18 m，中间为顶管隧道部分，顶管外径3.54 m。模型底部施加竖直约束，两侧施加水平约束，土体单元均采用四边形实体单元，隧道结构采用弹塑性梁单元，模型包括1 244个单元，1 308个节点。底部及两个侧边为非排水边界，地面排水，地层中初始孔隙水压力为静水压力。

为说明软岩地层中壁后空洞对隧道长期稳定性的影响，空洞出现在第二个计算步中，即顶管施工阶段。如表3所示，对软岩隧道分别进行有、无空洞两种工况对比分析。有限元模拟一共分为6个计算步。具体的计算步及所对应的施工内容如表4所示。

表3 工况表

表4 有空洞情况下顶管开挖计算步

3 计算结果分析

图4,图5是两个工况下隧道建成后围岩的最大主应力云图、剪切应变图，上图为存在侧腰空洞时隧道围岩的应力情况，下图为没有空洞时隧道围岩的应力情况。

从图4可以看出两种工况对围岩整体应力值影响不大，仅在图5剪切应力图中可以看到拱腰处有空洞情况下，空洞一侧的围岩剪切应变要高于无空洞情况下相同位置的剪切应变，但是图中都可以看到空洞的存在会导致空洞周围有限的区域内发生应力集中现象，将空洞位置放大后如图6所示。类似的结果在图7的位移云图中也可以看到，整体围岩位移基本不受空洞影响，仅在空洞附近位移大小有所差别，围岩最大水平位移出现在隧道与空洞的夹角位置，因为这里的围岩受到隧道侧向变形挤压最明显。开挖结束，有空洞情况下最大水平位移是-0.70 mm，最大竖向位移是-2.14 mm，无空洞情况下最大水平位移是-0.56 mm，最大竖向位移是-2.06 mm。

图8是两个工况下隧道管片的弯矩图。从图8可以看到，空洞的出现对隧道管片弯矩的影响还是比较明显的，对空洞附近的变化最明显，空洞影响一直延伸到拱顶附近。另外，从图8中可以看出，轴力值随时间变化，空洞影响越来越小，而空洞对弯矩影响始终存在。

4 结语

1)通过有限元计算结果和设计值对比，本研究所采用的下负荷面粘弹塑性本构模型，能较为准确的表述软岩层的受力特性，对于模拟研究软岩隧道工程中围岩在各种工况下力学参数变化特性有较强的适用性。

2)在全寿命周期中，壁后空洞对于围岩整体的应力分布和位移场影响较小，但空洞会使所在区域附近产生应力集中，产生较大的剪切应变和水平位移。

3)空洞对隧道管片弯矩影响较大，且影响范围从拱腰延伸至拱顶，而且对管片弯矩的影响持续整个寿命周期。

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The influence law of post wall cavity to power tunnel long stress and deformation

Li Jing1He Mingfeng2Li Wenwu3Chen Hui3

(1.JinhuaPowerSupplyCompany,Jinhua321000,China;2.JinhuaElectricPowerDesignInstitute,Jinhua321000,China;3.PowerTransmissionOffice,JinhuaElectricPowerDesignInstitute,Jinhua321000,China)

In order to research the segment long stress and deformation characteristics of soft rock tunnel in cavity presence, using the finite element numerical simulation method, this paper researched the influence law of segment post wall cavity to segment internal force and deformation in whole life stage, and compared with no cavity condition simulation results, obtained on the cavity to near area shear strain and horizontal impaction had greater impact, had greater influence to segment bending moment in whole life stage.

post wall cavity, soft rock tunnel, finite element, stability

1009-6825(2017)01-0168-03

2016-10-25

李 靖(1983- )，男，高级工程师； 何明锋(1979- )，男，高级工程师； 李文武(1976- )，男，高级工程师； 陈 晖(1979- )，男，高级工程师

U459.9

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