東山供水工程TBM隧洞管片內(nèi)力及位移的計算比較

張 亮

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院 山西太原 030024）

東山供水工程TBM隧洞管片內(nèi)力及位移的計算比較

張 亮

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院 山西太原 030024）

東山供水工程TBM掘進(jìn)段隧洞采用C45預(yù)制混凝土管片襯砌。管片存在環(huán)間接縫和縱向接縫。接縫對于管片內(nèi)力和位移的影響應(yīng)加以考慮。對于管片的環(huán)間接縫，分別基于自由圓環(huán)鉸和彈性圓環(huán)鉸進(jìn)行了計算對比，結(jié)果表明，后者更能準(zhǔn)確真實反映接縫的影響，且接縫對于本工程管片內(nèi)力和位移影響較小，在承受較高地下水位的荷載下，也能保持管片結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

管片；接縫；彈性圓環(huán)鉸理論；內(nèi)力

1 項目背景

山西省東山供水工程是山西省大水網(wǎng)建設(shè)的骨干項目，也是山西省“十二五”期間重點建設(shè)工程之一。工程由晉中東部的左權(quán)縣、榆社縣、武鄉(xiāng)縣調(diào)水到晉中南部的太谷縣、祁縣、平遙縣、介休市和靈石縣。引水工程全長254.6 km，其中隧洞長72.2 km，隧洞線路占整個供水線路的近三分之一，隧洞埋深大，洞外水壓力大，地質(zhì)條件復(fù)雜。

9#隧洞是山西省晉中東山供水工程的控制性工程，全長22.648 km，其中近15 km為TBM掘進(jìn)洞室。

2 管片設(shè)計

東山工程TBM隧洞分為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類三種圍巖段，管片采用C45預(yù)制混凝土，四片拼合，環(huán)向縫錯開，厚250 mm。管片為圓形斷面，開挖直徑4.16 m，斷面內(nèi)徑3.4 m。單管片型式為六邊形蜂窩狀結(jié)構(gòu)，寬1.2 m，并在每個管片周圍設(shè)遇水膨脹橡膠止水帶，管片與管片環(huán)向縫之間用兩個定位連接銷鎖定，縱向縫內(nèi)設(shè)置圓柱形PVC導(dǎo)向桿。襯砌后隧洞凈直徑3.4m。管片與圍巖之間的空隙，頂拱及側(cè)拱270°范圍充填豆礫石并進(jìn)行回填灌漿，豆礫石回填灌漿結(jié)石強度為C15；底拱90°范圍采用M15水泥砂漿灌漿，以達(dá)到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和防滲止水效果。

3 管片應(yīng)力計算

3.1 計算模型與邊界條件

管片內(nèi)力計算，重點難點之一在于模擬管片環(huán)向上的4條接縫。在襯砌管片設(shè)計中對接縫一般有3種模擬形式：①均質(zhì)彈性圓環(huán)法，不考慮接頭影響，管片為等剛度自由變形的彈性均質(zhì)環(huán)；②自由鉸圓環(huán)，認(rèn)為接頭處剛度為0，可以自由轉(zhuǎn)動；③彈性圓環(huán)鉸，考慮連接螺栓和錯縫安裝的約束作用，接頭具有一定剛度，可以承擔(dān)部分彎矩，六邊形管片屬于擠壓式接頭、鑲嵌式安裝的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，接頭除可以承擔(dān)擠壓應(yīng)力與剪切應(yīng)力以外，也可以承擔(dān)部分彎矩。從管片整體剛度的角度來說，均質(zhì)彈性圓環(huán)法剛度最大，自由鉸圓環(huán)剛度最小。本文將對后這三種模擬接縫理論進(jìn)行計算比較。

計算模型忽略縱向環(huán)間錯縫的影響，只考慮環(huán)內(nèi)接縫。計算模型簡圖如圖1所示。

圖1 計算模型圖

3.2 計算工況與荷載

外水壓力：根據(jù)隧洞穿越的圍巖類別及地下水分布狀況，分別考慮60 m、80 m、90 m、170 m外水壓力。

內(nèi)水壓力：因內(nèi)水壓力屬于有利因素，且水頭較小(約1.5 m)，本文計算中不予考慮。

彈性抗力：圍巖的彈性抗力是襯砌受力朝向圍巖變形，圍巖對襯砌呈現(xiàn)出的一種被動抗力。可以減小由荷載特別是內(nèi)水壓力產(chǎn)生的襯砌內(nèi)力。因彈性抗力為有利因素，取值具有不確定性，一般不予考慮。

圍巖壓力：

圍巖壓力主要有鉛直圍巖壓力和側(cè)向圍巖壓力。相關(guān)計算采用《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》，算式如下：

垂直方向：qv=（0.2～0.3）γRB

水平方向：qH=（0.05～0.1）γRH

式中：qv、qH——鉛直及側(cè)向圍巖壓力強度，KN/m2；

B、H——洞室的開挖寬度和高度，取4.16 m；

γR——巖石容重，取26 kN/m3。

灌漿壓力和自重：

襯砌施工中要對頂拱中心角360°范圍內(nèi)進(jìn)行豆礫石回填灌漿，且要在Ⅳ、Ⅴ類巖石洞段進(jìn)行固結(jié)灌漿。灌漿壓力一般在0.2～0.5 MPa，固結(jié)灌漿壓力一般為0.3～1 MPa。固結(jié)灌漿壓力一般可由施工方法和構(gòu)造措施減免，回填灌漿壓力與襯砌自重組合，一般宜作為施工期一種荷載組合情況加以考慮。本次設(shè)計灌漿壓力取0.20 MPa，相當(dāng)于10 m高水柱，按均勻分布于襯砌上考慮。

為簡化計算，同時對比施工期和運行期工況，運行期工況比施工期增加了有利荷載（內(nèi)水壓力），所以本次計算只考慮施工期典型工況，分別按Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類及破碎涌水帶四種圍巖段情況進(jìn)行計算。管片接縫模擬圖見圖2。

圖2 管片接縫模擬圖

如基于自由鉸圓環(huán)理論，a=b≈0，即接縫處按鉸接考慮，剛度為0；如基于彈性圓環(huán)鉸理論，考慮接縫存在一定的剛度，根據(jù)以往工程經(jīng)驗和實際比對，本工程按圓心角0.20°，截面厚度按60 mm考慮，即（α=44.9°，a=b=60 mm）。

3.3 計算成果與分析

在不同荷載工況下的管片內(nèi)力計算結(jié)果如表1、表2、表3所示。

以170 m外水荷載工況為例，管片內(nèi)力和位移的比較情況見表4。

在管片存在接縫的情況下，管片的內(nèi)力進(jìn)行了重分布，接縫處彎矩減少，拱頂處彎矩增加。在完全自由鉸的情況下，彎矩增加到最大值，接縫處剪力也增加到最大值?？芍?，對接縫剛度的取值對管片內(nèi)力影響較大，彈性圓環(huán)鉸法合理利用接縫剛度，計算結(jié)果更符合管片內(nèi)力分布規(guī)律。

表1 管片內(nèi)力計算成果（完整管片環(huán)）

表2 管片內(nèi)力計算成果(自由圓環(huán)鉸法)

表3 管片內(nèi)力計算成果（彈性圓環(huán)鉸法）

表4 管片內(nèi)力和位移比較

采用彈性圓環(huán)鉸法計算得到管片彎矩M、剪力Q和軸力T最大值后，可根據(jù)水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（SL191-2008）相關(guān)公式，進(jìn)行配筋驗算，可知管片混凝土的正截面軸心受壓、正截面受彎、斜截面受剪均可滿足結(jié)構(gòu)要求。

4 結(jié)論

根據(jù)上述計算可知，在60 m、80 m、90 m、170 m外水壓力荷載作用下，采用彈性圓環(huán)鉸理論考慮管片接縫，管片內(nèi)力計算滿足結(jié)構(gòu)要求。管片位移滿足規(guī)范要求，在施工過程和竣工運行時，應(yīng)加強隧洞的各項應(yīng)力和位移監(jiān)測，及時掌握第一手工程資料，以保證隧洞安全穩(wěn)定運行。也為今后的計算研究提供數(shù)據(jù)參考。

Calculation and Comparison of Internal Force and Displacement of the Tunnel Segments for the Dongshan Water Supply Project

Z HANG Liang

The TBM tunnel of the Dongshan Water Supply Project uses C45 prefabricated concrete segments lining.The segments contains inter-annular seams and longitudinal seams，and the seam effect on the segments internal forces and displacements should be considered.For the inter-annular seams，the comparisons were made based on the following theories，F(xiàn)ree-ring and Elastic-ring Hinge.The results show that the latter one could reflect the influence of seams more accurately，and the effect of seams is relatively small for this project.The structural stability of the segments could be maintained under high groundwater load.

tunnel segments；seams；Elastic-ring Hinge Theory；internal forces

TV554

B

1006-8139（2017）02-014-03

2017-03-14

張 亮（1983-），男，2007年碩士研究生畢業(yè)于武漢大學(xué)巖土工程專業(yè)，工程師，主要從事水利水電設(shè)計研究工作。