复杂隧洞衬砌结构的三维有限元分析及结构配筋

董正中，肖 明，杨 莹(武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072)

0 引 言

随着我国大型水电站建设的展开，水电站隧洞衬砌结构向着体形大型化，地质条件多样化，受力条件复杂化的方向发展[1]。衬砌自身的结构形式也日益复杂。如何分析衬砌结构的力学特性，以及如何计算衬砌结构的配筋，使之同时满足安全性和经济性的要求，是一个重要的课题。压力隧洞的传统计算方法[2,3]假定围岩及衬砌材料为连续各向同性的弹性介质，忽视了围岩及衬砌材料的非线性性质的不利影响，并且是将围岩与衬砌结构分开进行计算，从而导致隧洞混凝土衬砌厚度及配筋量偏大。因此，有必要对考虑隧洞围岩、衬砌联合承载及材料非线性情形下的衬砌结构进行分析计算。基于此，本文首先采用三维弹塑性损伤有限元分析方法，对复杂受力条件下衬砌结构进行计算，研究探讨了各工况下隧洞衬砌结构的受力特点；其次利用有限元插值应力场在衬砌截面上积分计算内力，基于内力结果在配筋截面上进行配筋计算，以保证衬砌配筋满足要求，并提出优化建议。

该方法基于三维有限元计算，综合考虑了初始地应力场，开挖卸荷，复杂地质条件及地下水位等多种因素，研究了衬砌结构的稳定特性，并直接由有限元结果插值进行配筋计算。为在工程实际中选择经济合理的衬砌形式以及提高隧洞运行的安全度提供依据。相较于传统衬砌结构设计评价方法更高效，精确，可为类似工程提供借鉴与参考。……