淺談水工隧洞設(shè)計(jì)方法

李向東

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 山西太原 030024）

水工隧洞的襯砌包括剛架、錨噴支護(hù)及鋼筋混凝土襯砌3種結(jié)構(gòu)型式。根據(jù)隧洞穿越的圍巖條件不同，在水工隧洞設(shè)計(jì)時(shí)，常采用2種或3種結(jié)構(gòu)型式組合，以達(dá)到施工安全和圍巖穩(wěn)定的目的。由于《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》中并未指導(dǎo)性地給出不同結(jié)構(gòu)型式所承受圍巖壓力等外荷載的比例，設(shè)計(jì)人員常忽視圍巖自承能力、噴錨支護(hù)對(duì)外荷載的分擔(dān)，造成襯砌結(jié)構(gòu)斷面尺寸和投資浪費(fèi)、工期延長(zhǎng)等不良后果。本文結(jié)合山西大水網(wǎng)建設(shè)情況，利用有限元分析工具，對(duì)水工隧洞（城門洞型）受力情況進(jìn)行了定性的探討。

1 隧洞工程特性及地質(zhì)情況

山西大水網(wǎng)某水工隧洞等別為Ⅲ等，建筑物為3級(jí)，環(huán)境類別為二類。采用城門洞型斷面，洞段主要穿過(guò)地層為黃綠色小竹葉狀灰?guī)r與泥質(zhì)條帶灰?guī)r互層夾厚層鮞狀灰?guī)r、泥質(zhì)條帶灰?guī)r，灰黃、黃白色厚層含隧石條帶白云巖。洞頂圍巖厚度10.0～100.0 m，部分洞段可能存在上層滯水，隧洞圍巖類別總體為Ⅳ類。圍巖堅(jiān)固系數(shù)f=1～2.5，單位彈性抗力系數(shù)k0=100～300 MPa/m，飽和抗壓強(qiáng)度 Rc=10～20 MPa,泊松比 ν=0.32～0.35，變形模量0.5～2GPa。隧洞結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1。

2 結(jié)構(gòu)力學(xué)方法分析

圖1 隧洞結(jié)構(gòu)圖

噴錨支護(hù)在混凝土硬化的不同階段，受力是不同的，對(duì)結(jié)構(gòu)作用的貢獻(xiàn)也是不同的。采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法分析時(shí)，常將噴錨支護(hù)作為結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備，不考慮其對(duì)圍巖壓力的分擔(dān)作用。鋼筋混凝土襯砌所受的圍巖壓力，采用普氏塌落拱方法計(jì)算，各荷載計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

利用理正巖土系列5.5版隧洞襯砌設(shè)計(jì)按平面桿件對(duì)襯砌計(jì)算襯砌內(nèi)力，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2、圖3。

表1 荷載取值情況表

圖2 剪力圖（標(biāo)準(zhǔn)值） 單位：kN

圖3 彎矩圖（標(biāo)準(zhǔn)值） 單位：kN·m

3 有限元方法分析

利用midas GTS NX軟件，采用有限元計(jì)算方法，模擬在一個(gè)42m（高）×43m（寬）×30m（長(zhǎng)）的圍巖脫離體中，開(kāi)挖上文中的隧洞。將圍巖、錨桿、噴混凝土及二襯混凝土作為一個(gè)結(jié)構(gòu)整體，共同承受不同工況的外荷載。為總結(jié)普遍規(guī)律，忽略圍巖應(yīng)力場(chǎng)的影響。計(jì)算所采用的參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 計(jì)算參數(shù)表

為了更好地模擬隧洞結(jié)構(gòu)實(shí)際受力情況，分析時(shí)考慮了施工不同階段結(jié)構(gòu)和圍巖間的相互作用。在建模中，對(duì)實(shí)際施工作業(yè)進(jìn)行歸納和簡(jiǎn)化，并將施工程序輸入有限元模型進(jìn)行施工階段模擬和分析：每次掘進(jìn)2m，掘進(jìn)同時(shí)對(duì)上次掘進(jìn)2m打錨桿及掛網(wǎng)噴混凝土襯砌，完成全部噴混凝土襯砌后進(jìn)行二襯作業(yè)。

為與結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計(jì)算結(jié)果相比較，本文只分析完成隧洞襯砌后最終狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)及圍巖受力情況，列舉結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、應(yīng)力圖如圖4至圖9所示。

圖4 系統(tǒng)錨桿內(nèi)力圖（單位：kN）

圖5 噴混凝土彎矩圖（單位：kN·m/m）

圖6 噴混凝土剪力圖（單位：kN/m）

圖7 鋼筋混凝土襯砌彎矩圖（單位：kN·m/m）

圖8 鋼筋混凝土襯砌剪力圖（單位：kN/m）

圖9 圍巖應(yīng)力圖（單位：kPa）

4 結(jié)果分析

由于有限元分析方法考慮，將圍巖與錨桿形成的承載拱及噴混凝土作為承載結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，比結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計(jì)算結(jié)果偏小，二襯各節(jié)點(diǎn)荷載比較見(jiàn)表3。

根據(jù)表3可知，由錨桿和圍巖共同作用形成的圍巖承載拱對(duì)圍巖壓力具有一定的自承能力，分擔(dān)了約40%～60%的外荷載，而剩余的由隧洞結(jié)構(gòu)承受的荷載當(dāng)中，掛網(wǎng)噴混凝土襯砌與鋼筋混凝土襯砌的承載比例為20%～60%。

分析隧洞的成洞及應(yīng)力釋放過(guò)程可知，隧洞在開(kāi)挖后初期變形量較大，造成最早形成的由錨桿加強(qiáng)的圍巖承載拱，首先在圍巖壓力作用下產(chǎn)生變形，而其次進(jìn)行的掛網(wǎng)噴混凝土襯砌在自身抗彎剛度范圍內(nèi)抵抗上述變形，并產(chǎn)生相應(yīng)的內(nèi)力。水工隧洞鋼筋混凝土襯砌施工時(shí)，圍巖應(yīng)力重分布基本完成，變形也基本達(dá)到最終狀態(tài)，因此其承受的內(nèi)力理論上小于噴錨一次支護(hù)的內(nèi)力。除承受由噴混凝土傳遞的外力所必須的厚度外，混凝土襯砌還應(yīng)根據(jù)規(guī)范和工程經(jīng)驗(yàn)，考慮一定的尺寸余量，作為對(duì)地質(zhì)條件等不可預(yù)知不利因素的安全儲(chǔ)備。這與有限元分析的應(yīng)力和內(nèi)力結(jié)果是一致的，而與常規(guī)隧洞設(shè)計(jì)過(guò)程中忽視圍巖自承及噴錨支護(hù)作用、重視二次襯砌的理念相矛盾。

表3 節(jié)點(diǎn)荷載比較表

5 結(jié)論與建議

水工隧洞有限元設(shè)計(jì)分析充分展示了圍巖與錨桿形成的承載拱及掛網(wǎng)噴混凝土襯砌對(duì)結(jié)構(gòu)荷載的分擔(dān)作用。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分利用噴錨支護(hù)施工速度快及開(kāi)挖完成后可立即施工的優(yōu)點(diǎn)，適當(dāng)增大錨桿數(shù)量及掛網(wǎng)噴混凝土厚度，增加施工及運(yùn)行過(guò)程中圍巖及結(jié)構(gòu)的安全性，縮短工期，降低工程投資。