有压隧洞在局部外压作用下的衬砌受力研究

姚右文，崔伟杰，陈晓江

（中国电建华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311100）

随着水电站事业的蓬勃发展，国内地下工程建设规模日益扩大，在水工地下工程设计和施工技术方面积累了丰富经验[1]。水工地下隧洞的主要结构是衬砌，而衬砌受到的主要荷载是水荷载。对于高水头有压隧洞，运行期混凝土衬砌会产生裂缝，检修期若放空速度太快则裂隙闭合，导致衬砌外部产生巨大的外水压力，进而引发衬砌塌落事故，这在国内外都屡见不鲜[2]。

1 问题的提出

张有天[3]对岩石隧道衬砌外水压力做了初步讨论，指出SL 279—2016《水工隧洞设计规范》[4]外水压力折减系数取值的不足之处，提出外水压力应按照渗流荷载考虑并提出衬砌和围岩应该有条件地考虑联合承载。然而渗流场的大小取决于复杂的水文地质条件，围岩和衬砌的粘结力确定则需要较高的试验条件，这些在一般水工设计时都无法精确定论，故水工设计工作者往往还是会按照规范[4]考虑外水压力。综上所述，不考虑围岩的承载，将外水荷载按照面力施加虽然足够保守，但是在研究中还是发现了一些问题。

按照以上讨论，在设计圆形水工隧洞时，若将外水压力均匀作用在衬砌外壁时，整个衬砌结构被均匀压缩，没有产生拉应力，在设计衬砌配筋时外水压力将不作为控制性工况。然而大量水工隧洞衬砌破坏的事实与经验表明，水荷载往往不是均匀作用的，而是局部作用在衬砌外表面。对于受局部外压的圆形有压隧洞，由内压工况控制设计出来的隧洞结构是否能满足要求，本文对此作了相应研究与分析。

2 工程案例

某水电站位于四川省凉山彝族自治州木里县境内的雅砻江中游河段上，枢纽主要建筑物由挡水建筑物、泄洪消能建筑物及引水发电系统等组成。其中高压隧洞断面有城门洞型和圆形2种。按照原设计，圆形隧洞衬砌厚度0.8 m，净跨度10.4 m，设计时按照内水压力作为配筋设计工况，取配筋面积4 908 mm2。按照SL 279—2016《水工隧道设计规范》[4]，外水压力设计值为76.0 m，设计时考虑圆形断面均匀受压，故不作为控制性工况。现研究此圆形隧洞在局部外水压力作用下的受力情况并对原配筋设计进行复核。

2.1 计算边界与条件

计算采用大型通用有限元软件ABAQUS进行模拟，衬砌结构采用实体单元，围岩对衬砌的约束作用采用非线性弹簧来模拟，模型网格及配筋截面见图1。衬砌采用C25混凝土，弹性模量Ec=2.8×104N/mm2，泊松比为0.167，密度25 kN/m3。衬砌周边围岩为花岗闪长岩，呈微风化～新鲜，为块状～镶嵌结构，围岩类别为Ⅱ～Ⅲ类。计算所取的岩石物理力学参数见表1。

图1 有限元计算网格示意图

表1 岩体物理力学参数表

计算假定如下：①围岩为均质各向同性材料；②不考虑围岩的初始应力状态及开挖后的二次应力状态影响，衬砌不承受来自围岩的初应力；③在外水压力作用下，为保守考虑不计围岩对衬砌的粘结力。计算的边界如下：①衬砌与围岩接触面的节点受到径向和切向变形约束；②衬砌沿轴向前后表面受到轴向方向的约束。

衬砌结构计算考虑的荷载主要包括外水压力。计算工况及荷载组合见表2。

表2 计算工况及荷载组合表

2.2 计算结果分析

根据有限元计算可知，一开始衬砌的最大应力和位移出现在局部外压作用范围中心，随着局部外压作用范围不断扩大，其应力极值点逐渐向两侧转移，当作用范围达到90°时，应力极值点在作用两侧。外压作用范围30°时见图2，外压作用范围90°时见图3，位移极值点出现位置不变。根据计算结果整理得出图4～5，随着外水压力作用范围的变大，衬砌结构受到的最大拉应力在局部外压作用范围30°内逐渐增大之后逐渐降低，最大拉应力出现在作用范围的衬砌内侧中心；衬砌结构的最大位移在局部外压作用范围90°内逐渐增大，之后逐渐减小，出现位置保持在作用范围的中心。在此基础上，选取直径为6，8，12 m的隧洞进行计算分析，根据ABAQUS软件计算结果可知衬砌受力规律：随着局部外压作用范围的增大，应力极值点从中间向两侧转移，位移极值点位置不变。不同直径的隧洞计算得到的应力云图在本文中不再展示。

图 2 局部外压作用范围30°图

图 3 局部外压作用范围90°图

图4 应力变化规律图

图5 位移变化规律图

2.3 危险局部外压的确定

根据以上分析可以得出，局部危险外压必然存在于某一范围内，选取15°～45°作用范围局部加密研究其受力规律。根据有限元计算可得到表3和图6～7，由此可得出，算例中随着外水压力的作用范围加大，最大拉应力先增大后减小，在30°时最大拉应力值最大，为3.7 MPa。

表3 局部危险外压的确定表

图6 应力变化规律图

现按照[5]DLT 5057—2009《水工混凝土结构设计规范》附录D复核配筋，所需配筋面积为745 mm2。但混凝土最大拉应力超过其设计拉应力的3倍左右，极有可能撕裂混凝土从而产生裂缝，达到进一步的破坏。

图7 位移变化规律图

3 结 论

根据研究成果，每次局部危险外压的确定需要大量的敏感性分析，影响因素不仅仅局限于外压的作用范围，还与其衬砌厚度和外水荷载密切相关，待进一步研究。本文探讨圆形隧洞受局部外压时的受力规律，得到以下结论：

（1）随着局部外压作用范围的增大，应力极值点从中间向两侧转移，位移极值点位置不变。

（2）设计圆形隧洞时，不能仅考虑内水压力，局部外水压力的受力情况也应作复核；圆形隧洞局部危险外压实际存在，最大拉应力发生在衬砌内侧，并在一定范围内出现极值；

（3）算例中，局部危险外压发生在作用范围为30°的附近，最大拉应力为混凝土设计拉应力的3倍左右。