TBM开挖隧洞管片衬砌结构三维有限元分析及配筋计算

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摘要：研究在高内水压力下，tbm开挖隧洞中管片衬砌能否承担内水压力作用且结构强度满足设计要求的问题，主要针对管片衬砌结构接缝对衬砌整体应力的影响。以某水电站长距离引水隧洞为例，采用有限元法建立三维模型，计算发现在内水压力作用下，管片分块衬砌受力规律不同于常规现浇混凝土衬砌，管片之间螺栓连接受力集中，接缝处产生了应力释放，使得管片其他部位应力降低，而且配筋量较同水头下整体现浇混凝土配筋量大大减少。

关键词：引水隧洞；管片衬砌；弹塑性模型；有限元

中图分类号：TV332 文献标志码：A 文章编号：1672-1683（2015）03-0606-03

Abstract：In this paper，the problems whether the segment lining of TBM excavation tunnel can sustain the internal pressure and structure strength can meet the design requirements under high internal water pressure were investigated，and the effects of segment lining structure joint on the overall stress of lining were analyzed.，Finite element method was used to develop the three-dimensional model of a long-distance tunnel at a hydropower station.The results showed that under the internal water pressure，the stress of block segment lining is different from that of conventional cast-concrete lining，stress is concentrated at the bolt connection of segment，stress releases at the seam to cause the decreasing stress in other parts of segment，and the reinforcement concrete volume is greatly reduced compared with that of the overall cast-in-place concrete.

Key words：diversion tunnel；lining；elasto-plastic model；finite element

[BT2+*4][STHZ]1 工程基本资料

新疆某水电站发电引水隧洞采用有压方式向下游输水，输水隧洞长39.53 km，圆形断面，洞径5.2 m，设计输水流量51.5 m3/s。根据地形及地质条件，输水隧洞进口前段7.9 km和出口末端2.0 km采用钻爆法施工，其它洞段均采用开敞式TBM掘进机施工。本文仅对TBM开挖段进行分析。引水隧洞穿越的岩性较复杂，主要有灰岩、花岗岩、凝灰岩、砂岩、凝灰质粉砂岩、钙质粉砂岩和泥质粉砂岩等。根据前期地质资料，输水隧洞围岩类别以Ⅲ和Ⅳ类为主，部分地段为Ⅱ类，穿断层和构造段为Ⅴ类，其中Ⅲ类围岩约占隧洞总长70.0 %，Ⅱ类围岩约占8 %，Ⅳ类围岩约占16 %，Ⅴ类围岩约占6 %。

引水隧洞管片厚度取30 cm。为缩短施工工期，加快安装进度，管片选用六边形（蜂窝状）[1]。由于该工程为有压隧洞，管片之间采用M27螺栓连接。管片宽为1 400 mm，每环采用等分的4片管片，每环4片包括：仰拱，侧板（两块）和顶拱。单块管片弧长为4.32 m，体积为1.813 m3，重量为4.533 t。管片混凝土强度为C40、W10。在管片接头处设两道防水，第一道为氯丁橡胶遇水膨胀止水条，位于管片中间；第二道为聚硫密封胶，位于迎水面。

2 有限元模型

衬砌管片混凝土结构采用弹性介质以三维实体单元模拟，围岩采用弹塑性D-P准侧模拟其屈服状态，接缝处以接缝单元折减弹模进行模拟，螺栓连接采用杆单元模拟，喷混凝土及豆粒石回填混凝土均采用实体单元模拟[2-3]。

垂直边界面为链杆约束，即左、右边界采用水平向单链杆约束，沿隧洞线路方向也用水平向链杆约束；底面垂直向约束；在隧洞上方的边界按自由边界考虑，但考虑其上部岩体的压力作用，其压力值根据隧洞埋深情况确定[4]。有限元模型及管片衬砌网格模型见图1、图2。

5.2 衬砌管片结构配筋计算

各断面配筋计算成果见表4。

以内侧及外侧节点应力极值沿衬厚按直线分布计算内力。衬砌结构内水工况下为小偏心受拉构件，由《水工混凝土结构设计规范》（SL 191-2008）小偏心受拉构件计算。由表4看出，管片整体配筋直径最大为22 mm，含筋率144.76 kg/m3。

6 结语

本文结合长距离深埋TBM开挖、管片衬砌隧洞工程实例，采用三维有限元建模方法建立管片及围岩整体结构模型，分析计算了典型断面衬砌结构应力以及配筋量，通过计算发现，由于管片衬砌存在接缝，在高内水压力下，接缝处应力水平较高，而管片内部整体应力水平较低，原因是在接缝处应力发生释放，部分由连接螺栓传递为衬砌中的压应力。

由于运输设备条件限制，管片厚度较厚安装困难，因此管片衬砌厚度采用30 cm，对应含筋率在74.65 ～144.76 kg/m3范围，较现浇混凝土衬砌配筋量大大降低，符合配筋要求，说明有限元计算模型充分考虑了围岩承担内水压力的能力以及管片衬砌结构接缝应力释放的特殊性，为衬砌厚度的减薄和降低配筋量提供了较为合理的依据。[HJ1.8mm]

参考文献（References）：

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