有压隧洞管片衬砌在高水头荷载下应力变形研究

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1、有压隧洞管片衬砌在高水头荷载下应力变形研究　　摘要：某拟建输水隧洞在III类围岩中采用开敞式TBM开挖，喷混凝土作为初期支护，钢筋混凝土管片作为衬砌，承担110m水头的内水压力和200m水头的外水压力，水荷载较大。在考虑管片之间及外包结构的接触关系、管片配筋和混凝土联合受力的条件下，采用有限元法模拟分析了管片衬砌在水荷载下的应力和变形特性，认为外水压力是管片衬砌设计的控制性荷载，从而提出了可供结构设计计算参考的管片模型简化处理方式。研究认为，在本文的围岩、支护、水荷载条件下，将钢筋混凝土管片作为隧洞衬砌是可行的。关键词：有压隧洞；管片衬砌；有限元；ABAQUS中图分类号：T

2、V672文献标识码：A文章编号：1672-1683（2014）01-0154-0410有压隧洞若采用管片衬砌，在承受高内（或外）水压力时须满足三方面要求：第一，管片满足承载力要求，在高水压作用下不破坏；第二，混凝土裂缝宽度满足隧洞衬砌的限裂要求；第三，管片之间接头缝隙张开量不会导致止水失效。其中，第二、第三个要求的目的是控制隧洞的渗漏量；管片承载力、裂缝宽度与结构应力有关，而应力和变形是相关的；管片接头缝隙状况与管片之间的相对位移有关。目前，虽然已经有将钢筋混凝土管片作为有压隧洞衬砌的成功实例[1-4]，但在水工隧洞中所占的比例较少。希腊雅典调水二期工程隧洞[1]和南非-莱

3、索托一期引水工程部分隧洞[2]采用管片衬砌，承受最大内水压力约70m水头；在南水北调中线北京团城湖输水隧洞中也应用了管片加钢筋混凝土内衬的组合形式，承担的内水压力为30m水头[3]；南水北调中线穿黄隧洞所承受最大内水压力51.7m水头，也采用了组合衬砌：管片作为初期支护，二次衬砌采用预应力混凝土[4]。实践证明，在做此类设计时，应用有限元类的三维数值应力变形分析进行辅助设计，是十分必要的。佘成学等[5]曾使用有限元法分析研究青松电站引水隧洞采用管片衬砌的可能性，该管片衬砌受到最大内水压力为88.4m水头；赵大洲等[6]研究了南水北调西线工程深埋长隧洞采用管片衬砌结构受力状况

4、，向衬砌所施加的最大内水压力达到1.2MPa。但是总体来看，管片衬砌承受100m水头以上的已建工程未见于公开报道。本文将以一个承受内、外水压力分别为110m和20010m水头的管片衬砌隧洞为例，利用有限元方法分析管片结构在内外水压力下的应力、变形特征，提出管片衬砌设计的控制性荷载和计算模型的简化处理方式，论证管片衬砌在高水头荷载下应用的可能性，以期对相关工程设计和论证提供参考。1工程结构概况拟建有压输水隧洞全长50km，最大埋深约500m，沿线围岩以III类围岩为主，围岩的变形模量为7GPa。隧洞拟采用开敞式TBM开挖，开挖洞径为6.0m，开挖后将喷射100mm厚的C20混

5、凝土进行支护，采用钢筋混凝土管片作为永久衬砌，衬砌内径为5.0m，衬砌与支护之间回填C20豆粒石混凝土，见图1。每节管片为矩形结构，厚度为0.3m，宽1.1m。4块管片拼装成环、形成隧洞衬砌。沿隧洞纵向，管片相邻两环纵缝错开拼装。管片之间使用钢螺栓连接，接头处设止水。管片混凝土强度等级为C30，内部双层对称配HRB335钢筋，钢筋直径为18mm，间距100mm分布。由于管片制作和拼装误差会造成接头处出现缝隙，设计假定该缝隙宽2mm。该隧洞承受最大内水压力为110m水头。通过地质勘测分析和综合评价，衬砌承受最大外水压力为200m水头。2计算模型10建立沿隧洞纵向单节管片宽度的

6、三维有限元模型，包含管片混凝土、环向配筋、接头缝隙、连接螺栓、回填豆粒石混凝土、喷混凝土支护、围岩等分区，见图1和图2。使用大型通用有限元软件ABAQUS计算分析，模拟混凝土与钢筋的联合作用效应、混凝土材料的强度状况、各结构之间的非线性接触关系。2.1接触模型[HJ1.75mm]对于管片结构计算而言，接头的模拟是关键问题之一。管片接头模型主要有以下三种处理方式：（1）组合完毕的管片截面刚度按EI处理，因接头处薄弱，把接头处刚度折减为kEI（k　　3结果分析3.1内水压力作用下衬砌状况出于设计安全考虑，管片衬砌承受内水压力工况的结构有限元计算时，未考虑外水压力对其的平衡作用。

7、计算结果表明，在1.1MPa的内水压力作用下，衬砌变形不连续，管片接头之间的缝隙张开约0.3mm。整体上看，管片基本沿其外法线向外变形，管片跨中变形较大、端部变形较小，跨中向外最大位移为0.4mm，见图3。管片与豆粒石混凝土之间的接触压力并非均匀分布，而是呈端部大、跨中小的趋势，管片跨中、端部与豆粒石混凝土之间的接触压力分别为0.77MPa、1.12MPa，见图4。由于管片接头的存在，连接成环的衬砌具有柔性结构的特征，具有很强的适应内水压力变形的能力，绝大部分内水压力因衬砌变形而传递给豆粒石、初期支护、围岩等外围结