盾构输水隧洞双层衬砌有限元分析

一、工程背景

    珠江三角洲水资源配置工程是近年来珠江三角洲流域乃至全国范围内最大的节水供水水利工程之一。工程从佛山市顺德区境内的西江干流鲤鱼洲岛上取水，在鲤鱼洲岛上设置一座泵站，经鲤鱼洲泵站加压后，通过两条盾构隧洞输水到新建的高新沙水库，工程线路总长113.1km，其中盾构隧洞长84.9km，占比75%。 本工程输水距离长，工程平均埋深30~40m。所穿越地区为珠江三角洲核心城市群，房屋密集，河网发达，地质条件复杂，内外水压高。工程最大静内水压达1MPa，是目前国内复合衬砌盾构输水隧洞中内压最大的。本处以穿越中微风化泥质岩层，盾构外径为6m的一段输水隧洞双层衬砌结构为分析对象，计算所需材料参数如下表：

	E/kPa	γ/（kN/）	c/kPa	ψ/°	μ
土体	2e6	20	300	36	0.28
管片	3.55e7	25	/	/	0.25
钢管	2e8	78.5	/	/	0.28

二、预研究问题概述

    根据珠三角水资源配置工程资料数据，采用ABAQUS软件建立二维模型，来模拟盾构输水隧洞双层衬砌施工及其通水全过程情况。通过软件分析，得到盾构输水隧洞周围土体和衬砌结构的内力和变形规律，进而为工程开挖和设计提供指导。

三、有限元模型建立

1 理论分析

（1）隧道衬砌施工采用软化模量法，即在衬砌施工前，将开挖区域单元的模量先降低，以此模拟隧道开挖后与加上衬砌之间，周围土层产生的应力释放与重分布的情况。

（2）周围土体与隧道管片、隧道管片与衬砌钢管之间的接触模型取：相互紧挨，共同承担外部水土压力和内部水压；它们之间的接触考虑弯矩、剪力和压力的传递。

2 建立模型

（1）模型尺寸

    整体尺寸100m×100m；中心部位将挖一半径3m的隧洞；盾构管片外径3m，内径2.7m；内衬管片外径2.7m，内径2.68m。

（2）材料参数

①土体：a.周围土体：弹性模量2e6kPa；泊松比0.28。b.开挖土体：场变量个数1；设置随场变量变化的弹性模量；泊松比0.28。这里将隧道内土体弹性模量软化30％，即1.4e6 kPa。

②盾构管片：质量密度2.5t/m3；弹性模量3.55e7kPa；泊松比0.25。

③内衬钢管：质量密度7.85t/m3；弹性模量2e8kPa；泊松比0.28。

（3）分析步

①geo；地应力（初始地应力平衡）。

②reduce；静力、通用（用于对隧道内土体进行软化模量，通过编译关键字方式实现）。

③add1；静力、通用（加上衬砌管片）。

④remove；静力、通用（杀死隧道内部土体）。

⑤add2；静力、通用（加上内衬钢管）。

⑥pressure；静力、通用（加上内部水压）。

（4）相互作用

①geo；型号改变；盾构管片和内衬钢管杀死。

②add1；型号改变；盾构管片激活。

③remove；型号改变；杀死隧道内部土体。

④add2；型号改变；内衬钢管激活。

⑤创建相互作用属性：a、管片与土体：接触；力学；法向行为，接受默认选项；切向行为，粗糙。b、管片与钢管：同上。

⑥创建相互作用：a、remove分析步设置管片与土体之间接触。b、add2分析步设置管片与钢管之间接触。

（5）边界条件

①initial；限定模型两侧水平位移和底部两个方向上的位移。

②geo；所有土体施加体力-20。

③pressure；钢管内部施加径向1e3kPa的压强。

④initial；地应力场；选择整个土体；应力1：0，坐标1：50；应力2：2e3kPa，坐标2：-50；横向系数0.5。

（6）划分网格

①土体：四边形网格；结构划分技术；CPE4（四节点平面应变单元）；隧道内部网格进行局部加密。

②管片：周长方向120个网格，CPE4I（平面应变四节点非协调单元）。

③钢管：周长方向120个网格，CPE4I。

（7）修改输入文件，设置场变量

    执行模型、编辑关键字、model-1；在相应位置添加下列语句，以此实现隧道内土体在reduce分析步模量进行软化。

*initial conditions,type=field,variable=1

soil-1.soil-remove,1

*Field,VARIABLE=1

soil-1.soil-remove,2

有限元分析模型

四、结果处理

通过模型分析，得到输水隧洞周围土体和双层衬砌结构内力和变形规律，下面主要针对施工步：初始地应力平衡、开挖土体、施加外衬拼装管片、施加內衬钢管、施加内水压力，对内、外衬和土体进行应力和变形分析。

1 外衬拼装管片

（1）施加外衬拼装管片

由变形云图可知：外衬施工完成后，其环向应力最大值为99.76MPa，径向变形最大值为22.77mm，最大值位置均出现在衬砌环中部偏下位置处。

（2）施加內衬钢管

由变形云图可知：加上內衬后，外衬环向应力最大值为93.58MPa，径向变形最大值为27.22mm，最大值位置均出现在衬砌环中部偏下位置处。

（3）施加内水压力

由变形云图可知：隧洞通水后，在内水压力作用下，外衬环向应力最大值为95.26MPa，径向变形最大值为27.56mm，最大值位置依然处于衬砌环中部偏下位置。

2 內衬钢管

（1）施加钢管

由变形云图可知：內衬施工完成后，其环向应力最大值为65.93MPa，径向变形最大值为20.84mm。

（2）施加内水压力

由变形云图可知：隧洞通水后，在内水压力作用下，其环向应力最大值为187.9MPa，径向变形最大值为22.31mm。可以看到，内水压力作用下其环向应力最大值发生了显著增大。

3 周围土体

（1）初始地应力平衡

由变形云图可知：初始地应力平衡后，土层竖向应力最大值为1.966MPa，竖向变形最大值为78.29mm。

（2）开挖土体

由变形云图可知：盾构开挖初衬未支时，土层竖向应力最大值为1.966MPa，竖向变形最大值为78.31mm。

（3）施加外衬拼装管片

由变形云图可知：外衬盾构管片施工完成后，土层竖向应力最大值为41.02MPa，竖向变形最大值为77.38mm。

（4）施加內衬钢管

由变形云图可知：內衬钢管施工完成后，土层竖向应力最大值为41.94MPa，竖向变形最大值为77.24mm。

（5）施加内水压力

由变形云图可知：隧洞通水后，在内水压力作用下，土层竖向应力最大值为41.91MPa，竖向变形最大值为77.22mm。

四、结论

    通过建立二维有限元模型，分析了盾构输水隧洞开挖、施作内外衬砌以及通水过程中结构和土层的应力和变形情况，得到了以下结论：（1）添加內衬后，外衬环向应力减小，说明内外衬联合受力能有效降低结构中产生的最大应力，提高结构承载能力和安全性。（2）输水隧洞双层衬砌联合受力共同承担内水压力和外水土荷载，但內衬主要承担内水压力、外衬主要承担外水土压力。（3）衬砌变形和位移最大值均出现在衬砌环中部偏下位置处，故结构设计时，对该部位要进行重点关注和分析。

五、计算相关

（1）GPU参数

    处理器      AMD Ryzen 7 4800H with Radeon Graphics 2.90 GHz

    机带RAM   32.0 GB

（2）计算用时

    大约5min