同步注浆层刚度对盾构输水隧洞抗震性能的影响.pdf

李 根（辽宁省水利事务服务中心，辽宁 沈阳 110003）摘 要在输水隧洞盾构施工过程中，将同步注浆层作为减震层可以加快施工进度，减少工程投入，具有重要的经济意义和技术价值。此次研究以具体工程为背景，利用数值模拟方式，探讨盾构施工输水隧洞同步注浆层刚度对隧洞抗震性的影响。结果显示，在盾构工程设计施工过程中，减小同步注浆减震层刚度可以有效提升输水隧洞抗震性。关键词输水隧洞；同步注浆层；减震层；抗震性中图分类号 TV431文献标识码B文章编号 10020624（2023）08004403同步注浆层刚度对盾构输水隧洞抗震性能的影响0 引 言地震灾害给人们的生命财产安全造成十分严重的影响，位于地震高发区及高烈度地震区的地下洞室结构受地震的破坏更为严重1。部分专家学者对近年来发生的汶川地震等破坏性地震对水工隧洞的破坏性影响进行深入调研，发现大部分输水隧洞地震破坏主要表现为衬砌结构和围岩同时坍塌引发的塌方或衬砌塌落2。相关研究表明，在地震波的作用下，地层的大幅度相对位移和变形是造成输水隧洞围岩和衬砌结构破坏的主因3。针对这一情况，诸多学者进行了深入的地下结构抗震减震工程措施研究，认为围岩加固和设置减震层均可以产生良好的效果。在输水隧洞盾构施工过程中，盾构钢壳和管片之间会形成一定的环形缝隙，需要对缝隙进行同步注浆，其注浆结实体则成为管片和周围岩土体之间的过渡性衔接材料4。因此，通过改善同步注浆层性能，使其达到类似减震层的效果，可以有效减轻地震作用下隧洞结构的动力响应。同步注浆层要发挥减震层的作用，就需要其有足够的韧性。基于此，此次研究选择EPS（聚苯乙烯泡沫塑料）水泥基注浆材料作为同步注浆材料，以具体工程为背景探讨其刚度对盾构输水隧洞抗震性能的影响，以便为相关理论研究和工程实践提供支持和借鉴。1 有限元计算模型1.1 有限元模型的构建此次研究以辽宁省丹东市某水利工程输水隧洞为例进行模拟计算。该输水隧洞地质条件比较复杂，沿线发育有多条大断层，区域内的地震互动相对比较强烈。选择的输水隧洞洞段埋深为350.0 m，含有1条断层破碎带，隧洞为圆形开挖断面，洞径为4.5 m，围岩以IV 类为主。鉴于隧洞埋深较大，如果建模至地表必然会导致模型的单元数过于庞大，严重影响计算效率，且非必须5。因此，隧洞的顶部仅向上取35.0 m，断层设置为正断层。输水隧洞的洞轴线指向下游的方向为Y轴正方向，与Y轴垂直指向右侧的方向为X轴正方向，以竖直向上的方向为Z轴正方向，3个方向的计算范围分别为60.0，80.0和60.0 m。对模型的围岩、衬砌结构和注浆层采用六面体九节点实体单元模拟，整个模型划分为13 220个单元、14 017个节点。东北水利水电水利科研2023年第8期 441.2 边界条件和模型参数在模型计算过程中，围岩和衬砌结构采用Z-P 屈服准则，底部和顶部采用粘弹性人工边界条件，四周采用自由场人工边界条件6。结合地应力测试结果，模型的X，Y和Z向侧压力分别取1.0，0.7和1.0 MPa，模型材料的物理力学参数如表1所示。其中，同步注浆圈的物理力学参数随不同刚度方案调整。表1 模型材料物理力学参数1.3 地震波的输入在模型计算过程中，将地震波的输入方法嵌入输水隧洞衬砌动力损伤本构模型及围岩和衬砌动力联合承载的分析中，考虑无线域地震波的传播及在地表自由面的反射7，地震波选择的是日本阪神地震的 Kobe NS 波8。由于该地震波的主要幅值加速度均集中在前15 s，在使用过程中为了缩短计算时间，减小其缩量，截取其地震动能较为强烈的15 s作为模型的入射波。根据背景工程项目区的8级抗震设防烈度，将入射波的峰值加速度值调整为0.3g，然后经过滤波、基线校正及幅值的折减处理，最终获取如图1所示的地震波加速度时程曲线。在地震波的加载过程中，由有限元模型X向（横向）和Z向（竖向）垂直射入。图1 地震波加速度时程曲线1.4 计算方案在模拟计算过程中，将同步注浆减震层的厚度设置为10 cm不变，研究不同减震层刚度对抗震性能的影响。在实际工程施工中，同步注浆减震层的刚度可以通过 EPS 颗粒的掺入量进行调整，此次模拟计算主要通过调整减震层的弹性模量实现。结合注浆材料的力学特征，设置100，500，1 000，2 000 MPa等4种不同水平进行计算，通过对计算结果的对比分析，获得减震层刚度对隧洞抗震性的影响。2 计算结果与分析2.1 加速度峰值研究中利用构建的有限元模型，对不同弹性模量同步注浆减震层刚度方案下的隧洞衬砌结构加速度进行计算，从计算结果中提取出X向和Z向地震波作用下的加速度峰值，结果如表2所示。从表2可以看出，在同步注浆减震层刚度不变的情况下，衬砌各关键部位的加速度峰值计算结果比较接近，说明衬砌各部位受到地震波的影响基本相同。另一方面，随着同步注浆层弹性模量的减小，衬砌各部位的加速度峰值也呈现出不断减小的变化特点。由此可见，减小同步注浆减震层的刚度，对提高输水隧洞衬砌结构的抗震性较为有利。表2 加速度峰值计算结果2.2 隧洞位移研究中利用构建的有限元模型，对不同弹性模量同步注浆减震层刚度方案下的隧洞衬砌结构位移量进行计算，从计算结果中提取出X向和Z向地震波作用下的位移量最大值，结果如表 3 所示。从表3可以看出，在地震波的影响下，输水隧洞衬砌结构的拱顶和拱底部位的位移变形量最大，左拱脚和右拱脚部位的位移变形量最小。对同一衬砌部位而言，随着同步注浆层弹性模量的减小，位移量也呈现出不断减小的变化特点。其中，拱顶和拱底的减小幅度相对较大，拱脚部位的减小幅度相对较小。材料围岩衬砌变形模量/GPa3.128.5泊松比0.280.16粘聚力/MPa0.511.88内摩擦角/（）35.540.0密度/（gcm-3）2.722.55抗拉强度/MPa1.051.38抗压强度/MPa21.212.1210-115-2129630时间/s加速度/（ms-2）地震波方向X向Z向弹性模量/MPa2 0001 0005001002 0001 000500100衬砌关键部位加速度峰值/（ms-2）左拱脚3.5023.4113.3033.1873.8573.7063.6053.509左拱腰3.5433.4753.3793.2803.7063.5633.4583.362左拱肩3.5343.4353.3263.2283.6933.5433.4473.343拱顶3.6383.5513.4453.3313.5903.4563.3693.268右拱肩3.5333.4463.3393.2263.6903.5403.4443.336右拱腰3.5343.4473.3413.2273.7073.5603.4513.355右拱脚3.4993.4303.2843.1623.8563.7093.6043.508拱底3.5013.4273.3333.2313.6263.4793.3923.306东北水利水电2023年第8期水利科研 45收稿日期 2022-08-23表3 衬砌位移量计算结果2.3 衬砌应力研究中利用构建的有限元模型，对不同弹性模量同步注浆减震层刚度方案下的隧洞衬砌结构第一主应力进行计算，从计算结果中提取出X向和Z向地震波作用下的第一主应力峰值，结果如表4所示。从表4可以看出，在地震波的作用下，输水隧洞拱脚部位的第一主应力值相对较大，拱腰部位相对较小。随着同步注浆减震层弹性模量的减小，各部位的第一主应力峰值均呈现出不断减小的变化特点。由此可见，减小同步注浆减震层的弹性模量，对控制地震波作用下衬砌结构应力具有比较明显的作用。表4 衬砌第一主应力计算结果3 结 语高烈度地震会对地下洞室工程产生严重损伤，且维修加固极为困难。因此，采取科学有效的防震措施极为必要。基于此，此次研究以具体工程为背景，利用数值模拟的方式探讨了盾构施工输水隧洞同步注浆层刚度对隧洞抗震性的影响。计算结果对同步注浆减震层在输水隧洞抗震设计中的应用具有重要的支持和促进作用。当然，影响同步注浆层抗震性能的因素是多方面的，在后续研究中需要进一步探讨隔震层厚度、材料属性等其他因素的影响，以获得更科学和全面的研究结论。参 考 文 献1柳颂.衬砌混凝土等级对输水隧洞地震响应的影响研究 J.水利科学与寒区工程，2012（6）：115-118.2李志环.衬砌混凝土等级对输水隧洞地震响应的影响研究 J.黑龙江水利科技，2019，47（12）：80-83.3李明杰.ABAQUS在输水隧洞衬砌结构计算中的应用J.中国水能及电气化，2020（3）：52-57.4徐吉吉成，周耀强，刘灿平，刘晓青.考虑外衬环间缝非线性接触的穿越不良地质段的双层衬砌盾构隧洞地震响应数值分析 J.水电能源科学，2022，40（7）：119-123.5谢文斌，李锦琪，刘高，等.活动断裂带深埋隧洞减震的铰接间距效应 J.兰州大学学报(自然科学版)，2022，58（3）：385-391.6赵勐，肖明，陈俊涛，金汉城.地震动斜入射下层状岩体隧洞接触响应分析 J.湖南大学学报（自然科学版），2021，48（5）：129-139.7顾小兵，杨春宝，席志斌.隧洞穿越活断层抗断技术及应用 J.水利规划与设计，2021（9）：112-114.8丁秀丽，张雨霆，张传健，颜天佑，黄书岭.隧洞穿越活动断层应对措施及其适应性研究综述 J.隧道与地下工程灾害防治，2019（1）：20-35.地震波方向X向Z向弹性模量/MPa2 0001 0005001002 0001 000500100衬砌关键部位位移量/mm左拱脚0.7800.7450.7070.6690.8590.8090.7720.737左拱腰1.6521.5901.5171.4431.7281.6301.5521.479左拱肩2.8592.6752.4922.3242.9882.7592.5822.407拱顶4.4944.1403.7443.3654.4354.0293.6623.301右拱肩2.6992.5342.3632.1942.8192.6042.4362.268右拱腰1.3861.3261.2611.1941.4541.3701.3021.241右拱脚0.7050.6780.6370.6010.7770.7330.6980.667拱底3.7803.4923.1662.8523.9153.5453.2212.918地震波方向X向Z向弹性模量/MPa2 0001 0005001002 0001 000500100衬砌关键部位第一主应力峰值/MPa左拱脚4.3463.9953.6063.2334.7874.3403.9353.560左拱腰1.6871.6231.5481.4741.7651.6651.5841.510左拱肩2.9192.7312.5442.3733.0502.8172.6362.458拱顶3.2122.9592.6762.4053.1702.8802.6172.359右拱肩2.7562.5872.4122.2402.8782.6582.4872.316右拱腰1.4151.3541.2871.2191.4841.3991.3301.267右拱脚3.9293.6343.2442.9034.3303.9303.5603.220拱底2.7022.4952.2632.0382.7982.5332.3022.086同时，联合调度方案将为平原区水库与引水工程实行联合调度提供有力的技术指导。参 考 文 献1陈飞，丁跃元，李原园，等.华北地区地下水超采治理实践与思考 J.南水北调与水利科技（中英文)，2020，18（2）：191-198.2岳素杰.莘县地下水超采治理措施及成效 J.山东水利，2021（8）：77-78.3李群智，梁伟，王晓.聊城市莘县地下水超采区综合治理探讨 J.地下水，2020，42（3）：77-78.4杨得瑞，杜丙照，黄利群，等.加强地下水管理 促进高质量发展 J.中国水利，2021（7）：1-4.5刘新征，李清林，冯新华.聊城市地下水超采原因及恢复对策 J.山东水利，2020（12）：24-25.收稿日期 2023-03-05（上接第24页）东北水利水电水利科研2023年第8期 46Study on extreme temperature difference between upper andlower pouring layers of RCC gravity dam in cold areaYANG Jing-weiAbstractIn the northern cold region,temperature control and crack prevention are very important for theconstruction of RCC dam.Based on the background of specific projects,the study explores the permissibletemperature difference limits of the upper and lower pouring layers in different confined areas of different concretetypes in the area of large temperature difference,providing necessary support and reference for the construction ofrelated similar projects.Key wordsRCC；temperature control and crack prevention；temperature difference in layersInfluence of synchronous grouting layer stiffnesson seismic performance of shield tunnelLI GenAbstractIn the process of tunnel shield construction,using synchronous grouting layer as damping layer canspeed up construction progress and reduce project investment,which has important economic significance andtechnical value.In this study,the influence of the stiffness of synchronous grouting layer on the seismic resistanceof the tunnel under shield construction is discussed by numerical simulation.The results show that reducing thestiffness of the damping layer can effectively improve the seismic resistance of the tunnel during the design andconstruction of shield engineering.Key wordswater conveyance tunnel；synchronous grouting layer；damping layer；seismic resistanceRisk regionalization of mountain flood in small watershedof Shilou County based on GISWU Bo，ZHANG SenAbstractMountain flood disaster risk assessment is of great significance to effectively prevent mountain flooddisaster and reduce post-disaster loss.Taking Shilou County of Shanxi Province as the study area,starting fromthe formation conditions of mountain flood disaster,rainfall,terrain,river system and historical flood were selectedas risk assessment indicators,and population density,cultivated land area percentage and gross product per unit areawere selected as vulnerability assessment indicators.The Analytic Hierarchy Process(AHP)was used to determinethe weight of each index,the location and distribution range of each level of risk area,and then divided intogrades.The analysis results can be used as the basis for the relevant construction departments in the constructionof flood control engineering measures and regional development and construction,and can also be used as a referencefor the work arrangement and deployment of flood control departments.Key wordsmountain flood disaster；AHP；risk regionalization；GIS；small watershed；Shilou CountyApplication of blasting vibration wireless monitoring systemon reconstruction foundation excavation near to Fengman DamLUO An，LIU Zhen-yu，LI DaAbstractInternet of Things technology has been widely used in the construction of water conservancy andhydropower projects.In the dam foundation blasting excavation construction of Fengman Dam reconstructionproject,the blasting vibration monitoring adopts YBJ-III remote micro dynamic recorder connected with othersensors,which is transmitted in real time through 3G network to form a wireless sensor network of Internet ofThings.The collected signal is transmitted wirelessly to the computer data center to realize the monitoring andcontrol of blasting operations.The wireless blasting vibration monitoring system based on the Internet of Thingstechnology has a high degree of security and network flexibility,and the overall cost is low.It can be widely usedin the blasting vibration monitoring of hydraulic dam foundation excavation.Key wordsFengman Dam；blasting；Internet of Things；vibration monitoringWater Resources&Hydropower of NortheastN0.8 2023（Total No.469）72