输水隧洞管片衬砌接缝相互作用的数值研究_李立权.pdf

2023 年第 2 期水利技术监督工程实践DOI:10.3969/j.issn.1008-1305.2023.02.062输水隧洞管片衬砌接缝相互作用的数值研究李立权(深圳市水务工程检测有限公司，广东 深圳 518000)摘要:对管片衬砌接缝分析有助于保证隧洞安全施工和使用。文章采用基于 DEM 的二维数值程序对由 6 个管片环组成的典型管片衬砌模型进行了数值模拟，以罗田水库 铁岗水库输水隧洞为例研究和分析了隧洞预制混凝土衬砌接缝的相互作用机理和设计参数。结果表明:所有衬砌变形和旋转仅发生在接缝位置。随着荷载量的增加，纵向接缝处的径向应力增加，最大弯矩出现在强度较弱的破碎带。可为输水隧洞管片衬砌结构的各种参数计算与分析模拟提供参考。关键词:输水隧洞;数值模拟;管片衬砌;接触问题;破碎带中图分类号:TV672.1文献标识码:A文章编号:1008-1305(2023)02-0250-05收稿日期:2022-09-08作者简介:李立权(1983 年)，男，工程师。E-mail:gonggpiantoutong 目前，使用隧洞掘进机(TBM)建造的隧洞直径不断增加1，迫使在拥挤的地下空间开挖更大深度隧洞，导致需要承担更高的荷载水平和不利条件2-4。管片衬砌可提高施工速度，也降低了隧洞开挖成本。因此，管片衬砌系统被广泛应用于软土地下隧洞的施工5。其中，最具挑战性的部分是由于接触问题引起隧洞衬砌产生应力并导致管片隧洞衬砌失效。影响衬砌中产生应力的决定因素之一是管片衬砌之间的接缝效应，该效应通常被忽略。管片衬砌中存在 2 种类型的接缝:纵向接缝和周向接缝;在不考虑隧洞介质的情况下，管片衬砌中存在接触问题，大多数接触问题是在接缝位置发生不均匀荷载时出现的6。不均匀的纵向地面沉降可能会导致隧洞混凝土节段衬砌产生应力。应力集中容易引起衬砌管片开裂、接头螺栓屈服、接头错位和接头张力破碎，从而导致严重的泥浆渗漏和漏水问题。因此，有必要考虑裂缝的演变来评价隧洞混凝土管片衬砌的性能。孙钧等7 根据软土隧洞的经验，将由管片组成的隧洞衬砌简化为均质环，并假定衬砌混凝土具有弹性以提高数值收敛性，同时借助应力集中来显示可能的开裂。结果表明，接缝开度和接触缺陷增加了衬砌的失稳，减小了经验变形，增加了内部弯曲力。刘国庆8 研究了利用三维数值模型分析一些设计参数对实际衬砌结构响应的影响。发现当节段隧洞衬砌承受纵向分布荷载时，其接缝的交错结构产生了相邻环之间的力相互作用机制，从而产生了所谓的耦合效应。陈柯润9 使用有限元分析程序，对直径为 6m 节段隧洞衬砌中的接缝数、接缝方向、侧向土压力系数和隧洞深度对衬砌弯矩的影响进行了数值研究。但此分析中未考虑节段接缝的刚度。本文在管片衬砌设计之前解释和预测了管片衬砌接缝相互作用中的接触缺陷。事实上，该问题的主要理论涉及确定作用在接缝处的总力和力矩，该力和力矩在节段中产生与其初始接触缺陷相适应的变形。与管片衬砌接缝相互作用有关的关键点是超越接触问题并克服与界面相关的困难。1隧洞衬砌二维数值模拟本文对罗田水库 铁岗水库输水隧洞 6 段典型断面进行了模拟，数值模型由 6 个部分组成，有关管片尺寸、详细施工布置和编号的信息如图 1 所示。管片外径为 6m，内径为 5.4m，厚度为 0.3m。1 个节段环由 1 个关键段(KP)、2 个相邻段(BP 和CP)和 3 个标准段(A1P-A3P)组成。关键段偏离垂直方向 18。除了接缝行为外，破碎层 结构相互作用对衬砌结构响应也有显著影响。环形节段衬砌是一种多铰结构，其对施加荷载的稳定性取决于周围的地面响应。此外，关键段对管片衬砌稳定性起重要作052工程实践水利技术监督2023 年第 2 期图 1节段排列和编号用。为此，本文仅研究了破碎带地层在关键段接缝位置与隧洞衬砌相交的地质剖面。为考虑管片衬砌的实际荷载情况，在关键段位置定义了与管片环相交的 75坡度、厚 2.5m 的破碎带地层。本文最坏的情况发生在破碎带，垂直于隧洞顶部并与隧洞衬砌相交的关键段位置。在这种情况下，破碎带的全部荷载都作用在衬砌系统上。尽管隧洞位于地下 500m 深处，但在数值模拟中仅施加了 20m 的覆盖层，剩余荷载作为外部等效荷载输入。因此，为减少数值模拟中的时间步长，根据图2(a)中的覆盖层岩石荷载作用，等效荷载作用在管片 破碎带界面上。管片 地层界面上分布的等效荷载如图 2(b)所示。软弱地层作为圆形隧洞衬砌起不均匀荷载作用，这种不均匀的荷载类型会引入高剪应力和拉应力，从而威胁到圆形混凝土结构的稳定性。2接缝和管片衬砌建模2.1界面理论根据界面理论，当密度和刚度等物理参数发生变化时，改变后的边界表现为界面。对材料和结构的检查表明，同质性是一种简化现实的假设。界面通常以不同的尺度存在并影响材料的特性和结构响应。2 个相邻平面之间的界面由法向刚度和剪切刚度表示。为了创建模型和界面，需要材料的以下特性:法向刚度、剪切刚度、内聚力、摩擦角、抗拉强度。本研究中使用的界面允许在定义的数值模拟中滑动和分离。对于这种类型的界面，强度特性(如摩擦角、内聚力 c 和抗拉强度)比刚度特性更重要。2.2基本接缝与混凝土砌块尺寸(0.3m 1m)相比，管片衬砌系统可能存在一些接缝，这些接缝非常薄(厚度12 18mm)，但在整个管片衬砌系统的力学性能中起着不可或缺的作用。为了更好地模拟真实的节点响应，在接触单元建模中提出了 3 种主要接触模型，用于评估纵向接缝对衬砌内力的影响。在衬砌接触点使用铰链(HL 模型)。使用梁单元对节段进行建模，在其接触位置考虑理想铰链。该方法通常比其他接触模型在衬砌中产生更多的弯矩。降低衬砌刚度(模型)。将折减系数应用于衬砌的弯曲刚度(EI)。梁旋转弹簧模型(BS 模型)。节段由梁单元和使用旋转弹簧的纵向节点建模。其中，第 1 种方法无法准确模拟实际施工条件，将接缝视为铰链，但忽略了部分弯矩传递能力。在第 2种模型中，其通过弯曲刚度的比率影响整个衬砌。第 3 个模型假设环中的所有节段具有相同长度，这在大多数情况下是不存在的。总之，所有上述方法都忽略了接触点的法向和切向刚度与作用在接触表面上的法向应力的相关性。节段隧洞衬砌建模涉及多个组件，包括预制混凝土节段、接缝中的密封材料和回填灌浆。在本研究中，定义了具有适当属性的界面元素来表示这些图 2覆盖层岩石荷载和管片 地层界面上的等效荷载1522023 年第 2 期水利技术监督工程实践组件。界面由 2 个可能相互接触的平面之间的法向刚度和剪切刚度定义。采用接触函数来模拟每种滑动材料的相互作用。同时，岩体与隧洞衬砌系统之间的圆形间隙通常含有水化灌浆材料，在模拟隧洞衬砌与围岩相互作用时，通常不考虑水化灌浆材料，而在围岩内表面与管片外表面之间设置接触面。当隧洞结构在土压力作用下发生变形时，岩体与管片之间的接触相互作用会限制隧洞变形。也就是说，接触力包括防止进一步变形的法向力和滑动摩擦力。全部界面包括段 段界面、岩体周围界面、段 岩体界面、段 破碎带地层界面，如图 3 所示。图 3数值模拟中的不同界面界面参数见表 1，界面两侧最弱值被选为内聚力和摩擦角参数。表 1数值模拟中的界面参数界面法向刚度/(GPa m1)剪切刚度/(GPa m1)内聚力c/kPa摩擦角/()段 岩体403190032岩体 地层21.4泥灰岩90032页岩45028砂岩5025段 地层4031泥灰岩90032页岩45028砂岩5025段 段40310462.3材料特性使用罗田水库 铁岗水库输水隧洞的典型断面对隧洞周长建模。该过程涉及各种材料，如不同的岩体类型和混凝土砌块，采用莫尔 库仑破坏准则建模。围岩的性质见表 2。表 2围岩(泥灰岩)性质密度/(kg m3)2600饱和密度/(kN m3)2.75USC/MPa30内聚力/kPa900摩擦角/()32杨氏模量/GPa1泊松比0.23地质强度指数(GSI)30孔隙率 e0.2为了更好地评价在改变地质条件下泥灰岩地层的性质与页岩和砂岩的性质相关。这些材料的岩土特性见表 3。表 3破碎地层岩土特性材料r/(kg m3)rs/(kN m3)孔隙率e内聚力c/kPaE/MPa摩擦角/()泊松比页岩22002.50.4450500280.29砂岩20002.30.650350250.32在此基础上，为了考虑最坏的荷载情况，在隧洞覆盖层上方(30、35、40m)存在水的不同水平处，使用太沙基岩体荷载理论计算饱和覆盖层岩石的等效荷载。结果汇总见表 4。表 4基于太沙基岩石荷载理论的饱和覆岩等效荷载材料隧道上方埋深 H/m等效饱和覆盖层岩石荷载/kN泥灰岩30207.53524240276.5页岩3021435217.540248.5砂岩301783520840233.5数值模拟中使用的节段衬砌参数见表 5。表 5分析中使用的节段衬砌特性密度/(kg m3)杨氏模量/GPa泊松比内聚力c/MPa摩擦角/()抗拉强度/MPa2700240.25464252工程实践水利技术监督2023 年第 2 期3数值建模分析本文采用离散元程序(UDEC)模拟了非连续介质在静态或动态载荷作用下的响应。隧洞衬砌的加载过程分为 2 个步骤:在隧洞周围施加土压力，模拟隧洞初始状态，评估荷载水平应力比变化对管片的影响。将与 k 值(水平与垂直应力之比)0.5、1、1.5 和 2 相关的边界条件应用于模型，并对每种情况进行单独分析。在破碎区和隧洞衬砌界面引入由隧洞覆盖层引起的 500m 等效荷载计算得出的不均匀荷载。3.1不同应力场对管片衬砌变形的影响当单个环加载时(如图4 所示)，会根据其柔韧性变形，直到地面提供必要的反作用力以平衡荷载。管片衬砌中高强混凝土砌块之间的界面参数成功地提高了衬砌系统的柔性，但作为薄弱的“接缝”降低了整个衬砌系统的强度。虽然混凝土段未受损(无裂缝)，但环的移动主要由纵向接缝中的集中变形引起，从而在保守假定管片是刚性的基础上得到合理的结果。这意味着所有衬砌变形和旋转仅发生在接缝位置。图 4挤压荷载对管片衬砌和成型变形的影响隧洞上方 40m 埋深和砂岩性质所规定的地层条件在不同应力场下的分段衬砌变形情况如图 5所示。图 5不同应力场下管片衬砌的变形结果表明，随着地层材料强度的降低和应力集中系数的同时增加，段 破碎带界面处管片衬砌变形急剧增加。此外，对于 2 段的应力集中系数(k=2)，关键段周围的变形是对称的。由图 5 可知，管片衬砌的变形为曲线形状，其收敛方向为隧洞内侧。这是因为节段的梯形形状，即节段的外半径大于内半径。3.2不同应力场对纵向接缝中弯矩的变化本文还研究了与破碎区相互作用的关键段位置处的诱导弯矩，如图 6 所示。图 6关键段 破碎带界面处纵向接缝中的诱导弯矩由图 6 可知以下不同状态的结果:根据泥灰岩、页岩和砂岩特性设置的地层条件;根据隧洞上方30、35、40m 覆盖层的埋深计算段 地层界面的等效局部荷载;主应力场设置为 0.5、1、1.5和 2。由上述结果可以推断，交错节段接缝的周向抗剪刚度增强将导致隧洞横截面附加变形和弯矩的减少。但应力集中系数的增加同时导致纵向接缝处横3522023 年第 2 期水利技术监督工程实践截面弯矩的增加。纵向接缝处的弯矩随着隧洞上方周向刚度和埋深的增加而减小。因此，对于有效的隧洞衬砌设计，应降低抗弯刚度，增加抗剪刚度，以减少附加力，并增加隧洞在地面差异刚度下的纵向稳定性。节点附加力矩与地面纵向位移产生的剪力密切相关。3.3不同应力场对开口长度变化的影响在关键段 破碎带局部荷载作用下，纵向接缝界面张开。在结构荷载转换处，局部荷载的增加会影响纵向连接的能力。当接缝张开时，接缝相互作用仅发生在 2 个节段相互接触的点上。应力集中系数与接缝开口长度之间的关系如图 7所示。图 7关键段 破碎带界面处应力集中系数与开口长度的关系曲线显示了在不同应力集中系数下，由施加的局部载荷和接缝中产生的开口长度引起的梯度变化。隧洞上方埋深的增加加剧了关键段 破碎带界面处的挤压荷载。然而，定义界面的复杂加载条件可能导致接缝开口长度(r)和应力集中系数(k)之间的不规则关系。本文还进一步分析研究了管片衬砌接缝的相互作用机制。在关键段接缝位置处，考虑了诱导径向应力和接缝开口长度之间的相互作用，结果如图 8所示。图 8不同材料特性的诱导径向应力与接缝开口长度的关系如上所述，分配给地层的每种材料都具有特定的强度和岩土参数，比较不同地层材料(泥灰岩、页岩和砂岩)的结果似乎不合逻辑。因此，在不同的加载条件下，必须对每种情况下的结果进行解释。结果发现，诱导径向应力随着管片 地层界面处局部荷载增加而增加(与隧洞上方嵌入松散深度的增加成比例)。此外，地层材料的强度影响接缝开口长度和接缝两侧衬砌引起的径向应力，地层中破碎材料的增加导致接缝开口长度增加(管片 地层界面处环的主动挤压荷载增加)。接缝开度()和接缝开口长度(r)之间的相互作用如图 9 所示。由图 9 可知，挤压活动荷载对管片 地层界面处的纵向接缝开度的影响。(下转第 259 页)452工程实践水利技术监督2023 年第 2 期监测，结果表明，工程措施处理后，确保了边坡的稳定，消除了潜在边坡失稳隐患，同时完善了地表排水工程及坡面植被绿化，减少了水土流失，美化了自然 环 境，为 当 地 居 民 提 供 了 安 全 的 居 住环境9-10。图 6剖面图5结语(1)滑坡体表层为含碎石砂质粘性土，土质疏松，透水性强，在强降雨条件下土的物理力学性质变差，与下部的全风化层易形成滑动带，加之坡体地形较陡，且存在临空面，是滑坡产生的主要原因。(2)通过对滑坡稳定性分析，滑坡在校核工况(自重+暴雨+地下水)下，滑坡稳定系数为1.018 1.046，处于欠稳定状态，需采取支护措施。(3)根据场地的地形地质条件，施工简便性及防治效果的长期性，采取“方形钢筋砼格构+现浇砼护面墙”的方案对滑坡体进行综合治理。经过 2个水文年运行监测，结果表明边坡稳定，同时减少了水土流失，美化了自然环境，为当地居民提供了安全的居住环境。参考文献 1将乐县白莲镇墈厚村荣光公祠地灾治理工程勘查报告 福州，2020 2高骏，张有文，陈金辉，等 库岸滑坡成因分析及治理方案J 水利技术监督，2021(6):166-169 3万玲玲 矿区排矸场边坡稳定性评价分析及防护治理研究J 水利技术监督，2022(1):9-12 4何浪，任其亮 某高速公路黄土边坡稳定性研究J 公路工程，2019，44(6):214-217 5谭福林，胡新丽，张玉明，等 不同类型滑坡渐进破坏过程与稳定性研究 J 岩土力学，2016，37(2):597-604 6DZ/T 02192006 滑坡防治工程设计与施工技术规范 S 7DBJ 13-072006 建筑地基基础技术规范S 8伍永仟，黎罡，王文军，等 边坡稳定性分析及治理技术研究J 山西建筑，2022，48(3):89-91 9李德亮 某边坡崩塌分析与治理方案研究J 水利技术监督，2018(3):214-217 10马军，哈斯也提热合曼，黄涛 下天吉水库左岸边坡稳定分析及加固 J 水利技术监督，2021(8):185-191(上接第 254 页)图 9不同材料的接缝开度与接缝开口长度(下转第 284 页)9522023 年第 2 期水利技术监督工程实践4结语采用单一数据源进行三维模型生产往往建模效果不佳，不能满足生产过程中的实际需求。基于提高倾斜摄影技术在工程中建模效果的目的，本文通过分析对比基于倾斜摄影测量技术的建模方法和基于激光雷达点云数据的建模方法在实际工程应用中的优缺点，提出将二者融合进行三维建模的必要性。本文详细介绍了融合建模的关键技术和操作流程，结合案例实测数据开展实验，通过成果对比分析，结果表明激光点云数据与影像数据融合进行建模可有效提升模型质量，特别是在模型屋檐下部、建筑物顶部等结构方面改善较为显著，融合后的模型更能体现结构细节性，可更好地应用于实际项目生产中。但激光点云与影像点云融合后进行模型重建处理的耗时也会随着点云数据量的增大而增加，因此还需要进一步优化点云融合处理算法，并且对建模数据处理设备方面有一定的要求，以增加模型生产效率。参考文献 1朱庆，张利国，丁雨淋，等 从实景三维建模到数字孪生建模J 测绘学报，2022，51(6):1040-1049 2刘培状，杨秉澍 基于无人机倾斜摄影测量和 BIM 技术的三维实景模型在水利工程设计中的应用研究 J 地下水，2019，41(6):206-207 3张国卿，朱庆利，唐芳 实景建模技术在水利工程中的应用探索及精度分析 J 水利规划与设计，2018(2):165-168 4史金昊，张晓涵，宋沛林 基于 WebGIS 的三维水库信息可视化系统设计与实现J 水利规划与设计，2021(11):89-94 5胡涛 大中型水库工程移民专业 BIM 技术应用J 水利规划与设计，2021(10):140-146 6杨国东，王民水 倾斜摄影测量技术应用及展望 J 测绘与空间地理信，2016，39(1):13-15，18 7马国超，王立娟，马松，等 基于激光扫描和无人机倾斜摄影的露天采场安全监测应用 J 中国安全生产科学技术，2017，13(5):73-78 8张平 倾斜摄影和激光扫描技术在城市三维建模中的融合应用研究 J 城市勘测，2018(4):99-103 9姚国标，邓喀中，艾海滨，等 倾斜立体影像自动准稠密匹配与三维重建算法J 武汉大学学报(信息科学版)，2014，39(7):843-849 10张玉侠，兰鹏涛，金元春，等 无人机三维倾斜摄影技术在露天矿山监测中的实践与探索 J 测绘通报，2017(S1):114-116 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