基于沉降变异影响下水工隧洞衬砌结构开裂机理研究

【摘要】我国西北地区基本上是干旱和半干旱地区，降水量较少，水资源地区分布极不均匀，因而建设了一批引水供水工程，比如引大入秦工程、引洮供水一期工程等。黄土高原有着其独特的地形地貌及地质，工程的建设需要考虑诸多因素，特别是隧洞工程，在大型水利工程项目中占有很大的比例。目前陕西地区正在兴建的水工隧洞数量众多，当地的隧洞工程地质多为黄土，因此充分考虑这种地质状况，认真研究黄土水工隧洞的衬砌结构计算，进而分析其开裂的机理，对水工隧洞的建设与稳定运行有着重要的意义。

【关键词】沉降变异；水工隧洞；衬砌结构；开裂机理

1、前言

由于黃土湿陷性造成的建筑物地基变形，其特点是一大二块，一般变形都比较强烈，常常是正常压缩变形的数倍，有时甚至是数十倍；湿陷变形通常是比较迅速的，远比正常压密的固结时间快得多，许多工程事故证明，往往地基浸水一、两天内就能“见效”。湿陷性对工程建筑物有百害而无一利。

2、黄土水工隧洞的特点及结构设计

2.1 黄土隧洞的特点

黄土隧洞破坏变形的形式主要有掉块、塌方、剥落（“片帮”）、滑塌等，黄土隧洞围岩的坚固系数f=0.4～0.6，开挖后围岩有一定的自稳能力，但自稳时间短，此外还存在底板湿陷变形问题。黄土隧洞的地应力大小主要取决于隧洞上覆土层的重量，洞室开挖后，由于围岩临空，围岩应力重分布，洞壁处切向应力达到最大值，从而迫使岩体向洞内松弛变形。如果岩体强度足以抵抗上述应力集中，则洞室就会保持稳定，否则，就会由于松弛位移变形导致破坏。一般在洞室顶部出现拉应力，而使顶部围岩松动掉块、塌方，洞室两壁出现楔形剪切体，产生滑移破坏。

2.2黄土水工隧洞结构设计

（1）断面形式选择

黄土隧洞围岩均为轻、重粉质壤土，部分洞段为饱水土，属于极软岩。隧洞洞身围岩均属于V类极软岩。为适应极差的围岩工程地质条件，承担较大的山岩荷载，黄土隧洞一般选用三心圆拱曲墙弧底（反拱）类马蹄型断面型式—V～VI型。

（2）一、二次支护设计

黄土隧洞极不稳定，隧洞开挖后围岩有一定的自稳能力，但自稳时间短，如不及时支护，容易出现塌方、冒顶等突发事故。黄土隧洞的变形与否及稳定程度除与其土性、含水量、结构与构造有关外，还与施工方法和支护形式有关，宜采用全断面衬砌支护型式。

对于这种分一、二次支护的复合式衬砌，其一次支护形式主要采用及时挂网喷混凝土，加设钢拱架（钢格栅），必要时加设锚杆及超前钢管管棚。在引洮供水一期工程黄土隧洞的施工过程中，经变形观测，一次支护后围岩没有发生明显的变形，洞室稳定，说明一次支护措施得当。二次支护主要采用全断面现浇钢筋砼，浇筑段长8～12m，设永久伸缩缝。

由于隧洞衬砌都是超静定结构，故在开始设计时必须根据经验设定厚度，再进行静力分析。分析结果，如认为设定的厚度不适当，则应重行设定厚度，进行分析。根据经验资料。对于素混凝土的衬砌，以岩体坚固系数为横坐标，以衬砌厚度与净跨距的比值为纵坐标，建立相应的曲线。已知净跨距和坚固系数后，即可求出所需衬砌项拱的厚度。

3、水工隧洞平面有限元模型

3.1分析问题类型

本文根据水工隧洞工程其实际的特点，在平面应变的模型中我们对整个研究范围均采用实体单元进行模拟计算，在静力分析过程中，水工隧洞纵向有很长的延伸，而研究的该段其断面的大小和形状沿着纵向不变，所以水工隧洞属于平面应变问题。

3.2材料属性

在计算前需要对这两种材料设置物理力学性质，如：材料的弹性模量、粘聚力、泊松比、内摩擦角、容重、抗拉强度、抗压强度。

3.3单元属性定义

在网格划分前，还要对模型中我们使用的单元属性来进来定义，即把各种材料特性值分别赋予给其模型，使得该模型具有与实际工程一样的特性。它包含了单元类型定义、实常数定义、材料特性定义、截面定义等。

3.4有限元网格划分

整个分析步骤当中最为重要一步为网格划分，其恰当与否直接关系到计算成功与否，它的目的是把水工隧洞模型进行细化处理成节点和单元，因此该步骤对分析的经济性和准确性起着决定性影响。本文对水工隧洞模型的围岩、混凝土衬砌均采用四节点平面应变缩减积分单元（CPE4R）进行网格划分，划分方法为：在衬砌较近区域内划分较密集的网格，在离隧洞相对较远的围岩区域处划分相对稀疏的网格，这样可以较好的分析水工隧洞的应力和应变。

3.5计算荷载

根据水工隧洞设计规范可知，水工隧洞的计算荷载有围岩压力、衬砌自重、内水压力，外水压力。在运行期水库截流后蓄水到正常水位时，主要是通过衬砌来承担外水压力，按照水工隧洞设计规范和本文的实际工程概况可知，城门洞型水工隧洞一般为无压隧洞，因为本文是对水工隧洞衬砌做规律性的分析，内水的水头很小，且内水压力对本文分析为有利因素荷载，在此我们将设置其最不利的工况，因此不考虑有利因素内水水头。

3.6边界条件

该平面模型中的围岩计算范围中左右边界采用水平约束，允许其竖向变位，下边界采用竖向约束，允许其水平变位，其余部位均为自由节点。

结语：

总而言之，本文以汉村隧洞为依托，采用有限元法对该隧洞的混凝土衬砌进行了结构计算，研究了水工隧洞在不同工况下的应力、位移分布规律，并分析了高跨比对隧洞衬砌工作状态的影响，对隧洞衬砌结构的开裂机理进行了比较深入的分析研究，对从事隧洞研究的技术人员具有一定的借鉴意义。

参考文献：

[1]张蕾.关于水工隧洞衬砌结构限裂的分析[J].科技创新与应用，2014（31）：209-209.

[2]李燕波.高地热条件下水工隧洞衬砌稳定性及早期抗裂性研究[D].乌鲁木齐：新疆农业大学，2016.

[3]周月霞.水工隧洞混凝土裂缝分析及加固研究[D].北京：中国水利水电科学研究院，2016.

[4]毛爽.水工隧洞衬砌结构的缺陷检测及稳定性分析[J].江西建材，2015（01）：128-129.

推荐访问： 衬砌 隧洞 沉降 水工 机理

---