一、工程背景

    珠江三角洲水資源配置工程是近年來(lái)珠江三角洲流域乃至全國(guó)范圍內(nèi)最大的節(jié)水供水水利工程之一。工程從佛山市順德區(qū)境內(nèi)的西江干流鯉魚(yú)洲島上取水，在鯉魚(yú)洲島上設(shè)置一座泵站，經(jīng)鯉魚(yú)洲泵站加壓后，通過(guò)兩條盾構(gòu)隧洞輸水到新建的高新沙水庫(kù)，工程線路總長(zhǎng)113.1km，其中盾構(gòu)隧洞長(zhǎng)84.9km，占比75%。 本工程輸水距離長(zhǎng)，工程平均埋深30~40m。所穿越地區(qū)為珠江三角洲核心城市群，房屋密集，河網(wǎng)發(fā)達(dá)，地質(zhì)條件復(fù)雜，內(nèi)外水壓高。工程最大靜內(nèi)水壓達(dá)1MPa，是目前國(guó)內(nèi)復(fù)合襯砌盾構(gòu)輸水隧洞中內(nèi)壓最大的。本處以穿越中微風(fēng)化泥質(zhì)巖層，盾構(gòu)外徑為6m的一段輸水隧洞雙層襯砌結(jié)構(gòu)為分析對(duì)象，計(jì)算所需材料參數(shù)如下表：

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

二、預(yù)研究問(wèn)題概述

    根據(jù)珠三角水資源配置工程資料數(shù)據(jù)，采用ABAQUS軟件建立二維模型，來(lái)模擬盾構(gòu)輸水隧洞雙層襯砌施工及其通水全過(guò)程情況。通過(guò)軟件分析，得到盾構(gòu)輸水隧洞周?chē)馏w和襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形規(guī)律，進(jìn)而為工程開(kāi)挖和設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

三、有限元模型建立

1 理論分析

（1）隧道襯砌施工采用軟化模量法，即在襯砌施工前，將開(kāi)挖區(qū)域單元的模量先降低，以此模擬隧道開(kāi)挖后與加上襯砌之間，周?chē)翆赢a(chǎn)生的應(yīng)力釋放與重分布的情況。

（2）周?chē)馏w與隧道管片、隧道管片與襯砌鋼管之間的接觸模型取：相互緊挨，共同承擔(dān)外部水土壓力和內(nèi)部水壓；它們之間的接觸考慮彎矩、剪力和壓力的傳遞。

2 建立模型

（1）模型尺寸

    整體尺寸100m×100m；中心部位將挖一半徑3m的隧洞；盾構(gòu)管片外徑3m，內(nèi)徑2.7m；內(nèi)襯管片外徑2.7m，內(nèi)徑2.68m。

（2）材料參數(shù)

①土體：a.周?chē)馏w：彈性模量2e6kPa；泊松比0.28。b.開(kāi)挖土體：場(chǎng)變量個(gè)數(shù)1；設(shè)置隨場(chǎng)變量變化的彈性模量；泊松比0.28。這里將隧道內(nèi)土體彈性模量軟化30％，即1.4e6 kPa。

②盾構(gòu)管片：質(zhì)量密度2.5t/m3；彈性模量3.55e7kPa；泊松比0.25。

③內(nèi)襯鋼管：質(zhì)量密度7.85t/m3；彈性模量2e8kPa；泊松比0.28。

（3）分析步

①geo；地應(yīng)力（初始地應(yīng)力平衡）。

②reduce；靜力、通用（用于對(duì)隧道內(nèi)土體進(jìn)行軟化模量，通過(guò)編譯關(guān)鍵字方式實(shí)現(xiàn)）。

③add1；靜力、通用（加上襯砌管片）。

④remove；靜力、通用（殺死隧道內(nèi)部土體）。

⑤add2；靜力、通用（加上內(nèi)襯鋼管）。

⑥pressure；靜力、通用（加上內(nèi)部水壓）。

（4）相互作用

①geo；型號(hào)改變；盾構(gòu)管片和內(nèi)襯鋼管殺死。

②add1；型號(hào)改變；盾構(gòu)管片激活。

③remove；型號(hào)改變；殺死隧道內(nèi)部土體。

④add2；型號(hào)改變；內(nèi)襯鋼管激活。

⑤創(chuàng)建相互作用屬性：a、管片與土體：接觸；力學(xué)；法向行為，接受默認(rèn)選項(xiàng)；切向行為，粗糙。b、管片與鋼管：同上。

⑥創(chuàng)建相互作用：a、remove分析步設(shè)置管片與土體之間接觸。b、add2分析步設(shè)置管片與鋼管之間接觸。

（5）邊界條件

①initial；限定模型兩側(cè)水平位移和底部?jī)蓚€(gè)方向上的位移。

②geo；所有土體施加體力-20。

③pressure；鋼管內(nèi)部施加徑向1e3kPa的壓強(qiáng)。

④initial；地應(yīng)力場(chǎng)；選擇整個(gè)土體；應(yīng)力1：0，坐標(biāo)1：50；應(yīng)力2：2e3kPa，坐標(biāo)2：-50；橫向系數(shù)0.5。

（6）劃分網(wǎng)格

①土體：四邊形網(wǎng)格；結(jié)構(gòu)劃分技術(shù)；CPE4（四節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變單元）；隧道內(nèi)部網(wǎng)格進(jìn)行局部加密。

②管片：周長(zhǎng)方向120個(gè)網(wǎng)格，CPE4I（平面應(yīng)變四節(jié)點(diǎn)非協(xié)調(diào)單元）。

③鋼管：周長(zhǎng)方向120個(gè)網(wǎng)格，CPE4I。

（7）修改輸入文件，設(shè)置場(chǎng)變量

    執(zhí)行模型、編輯關(guān)鍵字、model-1；在相應(yīng)位置添加下列語(yǔ)句，以此實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)土體在reduce分析步模量進(jìn)行軟化。

*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、結(jié)果處理

通過(guò)模型分析，得到輸水隧洞周?chē)馏w和雙層襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形規(guī)律，下面主要針對(duì)施工步：初始地應(yīng)力平衡、開(kāi)挖土體、施加外襯拼裝管片、施加內(nèi)襯鋼管、施加內(nèi)水壓力，對(duì)內(nèi)、外襯和土體進(jìn)行應(yīng)力和變形分析。

1 外襯拼裝管片

（1）施加外襯拼裝管片

由變形云圖可知：外襯施工完成后，其環(huán)向應(yīng)力最大值為99.76MPa，徑向變形最大值為22.77mm，最大值位置均出現(xiàn)在襯砌環(huán)中部偏下位置處。

（2）施加內(nèi)襯鋼管

由變形云圖可知：加上內(nèi)襯后，外襯環(huán)向應(yīng)力最大值為93.58MPa，徑向變形最大值為27.22mm，最大值位置均出現(xiàn)在襯砌環(huán)中部偏下位置處。

（3）施加內(nèi)水壓力

由變形云圖可知：隧洞通水后，在內(nèi)水壓力作用下，外襯環(huán)向應(yīng)力最大值為95.26MPa，徑向變形最大值為27.56mm，最大值位置依然處于襯砌環(huán)中部偏下位置。

2 內(nèi)襯鋼管

（1）施加鋼管

由變形云圖可知：內(nèi)襯施工完成后，其環(huán)向應(yīng)力最大值為65.93MPa，徑向變形最大值為20.84mm。

（2）施加內(nèi)水壓力

由變形云圖可知：隧洞通水后，在內(nèi)水壓力作用下，其環(huán)向應(yīng)力最大值為187.9MPa，徑向變形最大值為22.31mm。可以看到，內(nèi)水壓力作用下其環(huán)向應(yīng)力最大值發(fā)生了顯著增大。

3 周?chē)馏w

（1）初始地應(yīng)力平衡

由變形云圖可知：初始地應(yīng)力平衡后，土層豎向應(yīng)力最大值為1.966MPa，豎向變形最大值為78.29mm。

（2）開(kāi)挖土體

由變形云圖可知：盾構(gòu)開(kāi)挖初襯未支時(shí)，土層豎向應(yīng)力最大值為1.966MPa，豎向變形最大值為78.31mm。

（3）施加外襯拼裝管片

由變形云圖可知：外襯盾構(gòu)管片施工完成后，土層豎向應(yīng)力最大值為41.02MPa，豎向變形最大值為77.38mm。

（4）施加內(nèi)襯鋼管

由變形云圖可知：內(nèi)襯鋼管施工完成后，土層豎向應(yīng)力最大值為41.94MPa，豎向變形最大值為77.24mm。

（5）施加內(nèi)水壓力

由變形云圖可知：隧洞通水后，在內(nèi)水壓力作用下，土層豎向應(yīng)力最大值為41.91MPa，豎向變形最大值為77.22mm。

四、結(jié)論

    通過(guò)建立二維有限元模型，分析了盾構(gòu)輸水隧洞開(kāi)挖、施作內(nèi)外襯砌以及通水過(guò)程中結(jié)構(gòu)和土層的應(yīng)力和變形情況，得到了以下結(jié)論：（1）添加內(nèi)襯后，外襯環(huán)向應(yīng)力減小，說(shuō)明內(nèi)外襯聯(lián)合受力能有效降低結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的最大應(yīng)力，提高結(jié)構(gòu)承載能力和安全性。（2）輸水隧洞雙層襯砌聯(lián)合受力共同承擔(dān)內(nèi)水壓力和外水土荷載，但內(nèi)襯主要承擔(dān)內(nèi)水壓力、外襯主要承擔(dān)外水土壓力。（3）襯砌變形和位移最大值均出現(xiàn)在襯砌環(huán)中部偏下位置處，故結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)該部位要進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注和分析。

五、計(jì)算相關(guān)

（1）GPU參數(shù)

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

    機(jī)帶RAM   32.0 GB

（2）計(jì)算用時(shí)

    大約5min