内水压力作用下3层衬砌输水隧洞结构受力分析

高章荣

(赣州市天鹰勘测设计有限公司，江西 赣州 341000)

1 概述

盾构法施工建造引水隧洞因其施工灵活、速度快等优点，被广泛应用。因此，引水隧洞施工问题已逐渐成为当前的研究热点之一。众多学者针对该问题开展了研究，并取得了丰硕了成果。闫治国等[1]、彭益成等[2]、曹生荣等[3]、谢小玲等[4]、杨钊等[5]通过对采用复合衬砌的引水隧洞进行分析，王俊淞等[6]通过离心机试验，分析了盾构隧道采用双层衬砌效果。本文以某城市3层衬砌输水隧洞工程为研究对象，通过有限元软件建立精细化衬砌管片模型，分析了不同内水压力作用下3层衬砌输水隧洞受力情况。

2 工程概况

南方某城市为解决该地区存在的缺水问题，从珠江三角洲某西部西江水系向缺水地区输水。输水隧洞穿越核心城市群，沿线建筑物较为密集，上覆软土厚度大，河网较发达，地表水丰富、内外水压均较高[7- 9]。该输水隧洞总设计长度121.3km，主干线长度为95.8km，分干线长度为25.5km。该输水隧洞衬砌结构拼装采用错峰方式，衬砌圆环通过12根螺栓连接6块混凝土管片而成，隧洞管片厚0.3m，隧洞内径5.4m，外径6.0m，环向宽度为1.2m。管片环分块示意和分块实物如图1所示。

图1 衬砌管片环分块示意图

研究区段全长为1782m，区间地面高程为19～68m，隧洞埋深范围为7～36m，隧洞拱底高程为-16.3～35.2m。该区间输水隧洞穿越全风化片麻岩，主要包括砂土和砂质黏土，遇水易崩解，地层局部有强风化夹层，夹层厚度较深，围岩分类等级为Ⅴ[10- 11]。根据地勘报告，主要岩土体的参数见表1。

3 三维有限元模型

根据工程设计方案，建立三维数值模型，如图2所示。建模考虑管片间作用、管片与螺栓作用、纵缝细部构造作用等。采用实体单元模拟衬砌

表1 主要岩土体的参数表

管片，单元为四面体，管片和混凝土、钢套筒和混凝土之间采用黏结单元。模型中共148562个节点，435875个单元。各结构参数见表2。

4 数值结果分析

4.1 结构分担内水压比例

该新型3层衬砌结构下内、外层衬砌分担内水压百分比见表3。不同水压下内、外层衬砌承担轴力百分比变化曲线如图3所示。从图3和表3中可知，3层衬砌结构在内水压力下经历振荡性的变化，根据轴力分配状态，可以分为如下4个阶段：内水压力0～0.2MPa(初始弹性阶段)、内水压力0.2～0.6MPa(细观开裂阶段)、内水压力0.6～0.7MPa(局部破坏阶段)、内水压力0.7～1.0MPa(整体破坏阶段)。

表3 3层衬砌结构下内、外层衬砌分担内水压百分比 单位：%

(1)初始弹性阶段：

初始弹性阶段结束时管片、自密实混凝土内衬和钢套筒承担的内水压力分别为24.5%、41.8%、33.7%。可见，该阶段的内水压力主要由混凝土内衬和钢套筒两部分承担，随着内水压力的增大，管片结构承担的内水压力越来越大，这主要是因为内水压力的增大会导致水压力通过混凝土内衬传递至管片。

(2)细观开裂阶段：

细观开裂阶段结束时管片、自密实混凝土内衬和钢套筒承担的内水压力分别为36.2%、35.2%、28.4%。可见，混凝土内衬和钢套筒在细观开裂阶段下承担的内水压力比例逐渐下降，而管片结构承担的内水压力比例很缓慢地增大。该阶段管片、自密实混凝土内衬和钢套筒协同变形，一起承受内水压力，每部分结构分担的轴力变形不明显。

表2 衬砌结构主要参数表

图2 计算模型图

图3 内、外层衬砌分担内水压百分比曲线

(3)局部破坏阶段：

局部破坏阶段结束时管片承担的内水压力比例迅速上升至47.2%，钢套筒承担的内水压力比例也缓慢上升至37.7%，相反混凝土内衬承担的内水压力比例迅速下降至15.1%。这是因为混凝土内衬内部没有布设钢筋，因此当混凝土内衬应变逐渐超过其极限拉应变后，混凝土因受拉而开裂导致其不能再承担内水压力。从而也导致了另外两个结构承担比例大幅提升。

(4)整体破坏阶段：

整体破坏阶段结束时混凝土内衬承担的内水压力比例继续下降至10.1%，可见混凝土内衬已不能再承担内水压力了。管片结构承担的内水压力比例逐渐趋于稳定性，稳定在45.2%。而钢套筒承担的内水压力比例继续上升至44.7%，这是由于钢套筒环向应力相较于其屈服强度还较小，能继续承担更大的内水压力。

4.2 混凝土开裂

管片结构不同内水压力下开裂区域如图4所示，混凝土内衬结构不同内水压力下开裂区域如图5所示。根据上述结果绘制了两种结构开裂区域随内水压力的变化曲线，如图6所示。从图6中可以看出，当内压压力处于0～0.6MPa范围内，自密实混凝土内衬螺栓处出现开裂现象，开裂区域面积占衬砌整环面积的2.84%。当内水压力达到0.6MPa时，混凝土内衬在拱顶位置和右侧拱腰位置发生了贯穿性拉裂现象，这解释了混凝土内衬承担的内水压力比例下降的现象。因为混凝土内衬和管片只可传递径向压力，所以径向压力发生贯穿性拉裂影响了其承担的内水压力比例，无法继续承担环向拉力。当内水压力达到1.0MPa时，自密实混凝土内衬的开裂区域面积占衬砌整环面积达到15.63%，此时管片和钢套筒继续承担内水压力，钢套筒的环向应力仍小于其屈服拉应力。

当内水压力达到0.6MPa时，管片结构开裂区域面积只占衬砌整环面积的3.44%，且并未发生贯穿拉裂现象。此外，管片结构比混凝土内侧结构发生开裂破坏晚，因此管片承受内水压力比提高。当内水压力进一步增大，在首孔位置，管片和螺栓产生挤压现象，压应力大于管片自身材料的极限压应力，在该位置产生局部压溃。在土压力作用下，管片拱底和拱顶位置受拉。当内水压力达到1.0MPa时，管片拱底和拱顶位置裂缝继续发展，使管片承担的内水压力比略微下降。

图4 不同内水压力下管片结构开裂区域图

图5 不同内水压力下混凝土内衬开裂区域图

图6 结构开裂区域随内水压力的变化曲线

4.3 管片张开量

管片接头内外张开量随荷载的变化曲线如图7所示。从图7中可以看出，当管片都拼装结束后，管片接头位置外张开量都小于零，管片在拱底和拱腰位置有较小的内张开量。当内水压力处于0～0.6MPa范围，内外接头张开量增长较小，张开量约为-0.05～0.02mm。当内水压力增大到0.7MPa，混凝土内衬开始出现拉裂现象，管片承担的内水压力比例上升，管片接头张开量增长幅度变大，管片左拱腰和左拱肩位置的接头张开量分别为0.02、0.04mm。当内水压力从0.7MPa增大到1.0MPa过程，管片开始出现开裂，裂缝逐渐增大直至整体破坏，管片张开量加速增大。该阶段外张开量峰值为0.1mm，发生在管片拱底和拱顶位置，内阶段外张开量峰值为0.25mm，发生在管片拱底位置。

4.4 螺栓应力分布

内水压力作用下螺栓环向应变见表4。从表4中可以看出，该衬砌结构下，螺栓应力均小于抗拉强度设计值。

图7 管片接头内外张开量随荷载的变化曲线

表4 内水压力作用下螺栓环向应变

5 结论

以某3层衬砌输水隧洞工程为研究对象，通过有限元软件建立精细化衬砌管片模型，分析了不同内水压力作用下3层衬砌各部分承担内水压力情况，研究了衬砌结构开裂规律。得到以下主要结论。

(1)在内水压力作用下，新型3层衬砌的管片张开量峰值为0.25mm，螺栓纵向应力峰值为88.7MPa，有效利用率为35.5%(即拉应力峰值与抗拉强度设计值比值)，且内水压力对管片张开量和螺栓纵向应力的影响有限。

(2)在内水压力下新型3层衬砌下经历4个阶段：初始弹性阶段、细观开裂阶段、局部破坏阶段和整体破坏阶段，其对应的内水压力分为0～0.2MPa、0.2～0.6MPa、0.6～0.7MPa和0.7～1.0MPa。该衬砌结构内水压力的承载力为0.6MPa。