分析水工隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵問題

摘 要：地下隧洞設(shè)計是一項復(fù)雜的工作，在具體施工過程中會出現(xiàn)各種不同類型的問題。因此，在具體設(shè)計過程中，應(yīng)當(dāng)對水工隧洞的類型進(jìn)行介紹的基礎(chǔ)上，對圍巖壓力、襯砌自重、圍巖彈性抗力、回填灌漿壓力和內(nèi)外水壓力等隧洞荷載類型，隧洞中鋼筋混凝土襯砌、伸縮縫間距設(shè)計與環(huán)向裂縫寬度等各項內(nèi)容進(jìn)行分析，從而確保最終設(shè)計結(jié)構(gòu)的合理性，提高工程的設(shè)計質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：隧洞結(jié)構(gòu)；工程質(zhì)量；設(shè)計問題

中圖分類號：TV672+.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）17-0114-02

水工隧洞是現(xiàn)代水利水電工程建設(shè)中的一項重要建筑物結(jié)構(gòu)，其設(shè)計水平高度會對工程的整體質(zhì)量造成直接影響。水工隧洞因為荷載與結(jié)構(gòu)的本身的特殊性，計算方法與設(shè)計理論都不完善，存在一些需要改進(jìn)的地方，因此，做好相應(yīng)的分析工作是必要的。

1 水工隧洞的類型

水工隧洞的類型按用途可分為泄洪隧洞、引水洞、排沙洞、放空洞和導(dǎo)流洞；按洞內(nèi)水流狀態(tài)可分為有壓洞和無壓洞；在設(shè)計水工隧洞時，盡量考慮一洞多用，以降低工程造價，如面板壩中導(dǎo)流、取水、放空三洞合一等，本文以面板壩中的導(dǎo)流洞進(jìn)行分析。

1.1 獨立導(dǎo)流洞

獨立導(dǎo)流洞主要作用為施工期導(dǎo)流，導(dǎo)流洞作為水利樞紐中的關(guān)鍵導(dǎo)流建筑時，面板壩通常采用隧洞導(dǎo)流，很多情況下采用低圍堰截流，高強(qiáng)度填筑大壩臨時斷面擋水的方式度過第一個汛期，導(dǎo)流洞在導(dǎo)流過程中洞內(nèi)流態(tài)為無壓流、明滿流交替和有壓流的過程。

1.2 一洞多用

一洞多用導(dǎo)流洞除了考慮其主要作用施工期導(dǎo)流外，還要考慮隧洞的其它功能，如放空和取水等功能要求導(dǎo)流洞作為永久隧洞來進(jìn)行設(shè)計。施工期主要作用是施工導(dǎo)流，施工期結(jié)束后作為永久建筑物使用。

2 內(nèi)外水荷載的合理處理

在巖層中開挖隧洞后，引起洞孔附近應(yīng)力重新分布，巖體產(chǎn)生新的變形，圍巖不僅是形成圍巖壓力的主體，而且也是承受壓力的承載結(jié)構(gòu)主體。隧洞襯砌在地下水位以下，其在應(yīng)用過程中受到外水壓力，以及相應(yīng)滲流形成的滲透體積，在圍巖與襯砌進(jìn)行密切接觸時，對具體工作條件應(yīng)進(jìn)行聯(lián)合分析，此時，襯砌外緣也會承受作為邊界荷載的外水壓力。

在具體分析過程中，因為滲流場分析計算工作量相對較大，這也增加了相應(yīng)模型的選取，同時在參數(shù)計算過程中也存在一定困難，因此滲流場分析法并不合適在一般隧洞工程中的應(yīng)用，因此，通常會選擇“外水壓力折減系數(shù)”法，完成相應(yīng)的估算操作[2]。在具體設(shè)計過程中，在取值時，需要充分考慮滲流水頭損失造成的影響，排水設(shè)施卸壓，以及無外水壓力作用造成的影響，從而完成相應(yīng)的分析工作。

例如，貴州某水庫調(diào)壓井與隧洞襯砌的質(zhì)量相對較差，工程出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的內(nèi)水外滲現(xiàn)象，這也就會導(dǎo)致調(diào)壓井與襯砌外表面受到較大的外水壓力，襯砌由于受到不均勻力的影響，從而會受到破壞，在該情況下，需要通過對鋼襯進(jìn)行應(yīng)用，從而完成相應(yīng)的加固處理。

3 隧洞中鋼筋混凝土的襯砌的合理設(shè)計

3.1 裂縫的合理控制

通過大量的工程實例可以發(fā)現(xiàn)，水工隧洞在施工中，采用混凝土和鋼筋混凝土襯砌，勢必會出現(xiàn)一些裂縫，這些裂縫的出現(xiàn)主要是因為混凝土在應(yīng)用過程中的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)不如其抗壓性。通過試驗可以確定，隧洞混凝土襯砌在具體應(yīng)用過程中，其能夠承受的溫度變化只有7～10℃，由此可見，受荷載和降溫兩項因素的共同作用，將會引起拉力裂縫。混凝土結(jié)構(gòu)在應(yīng)用過程中出現(xiàn)裂縫，此時，鋼筋與襯砌混凝土變形發(fā)生了一定程度變形協(xié)調(diào)，整個結(jié)構(gòu)都保持低應(yīng)力狀態(tài)，因此鋼筋對混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂性能幾乎沒有任何貢獻(xiàn)。

混凝土結(jié)構(gòu)在具體應(yīng)用過程中，如果發(fā)生了開裂情況，內(nèi)水將會通過裂縫向外部滲透，此時隧洞洞室的內(nèi)壁承受的水壓力荷載與內(nèi)水壓力荷載相近，這一現(xiàn)象表明，此時無論隧洞圍巖是否可以承擔(dān)內(nèi)水壓力，都必須由其承擔(dān)，如果在具體設(shè)計過程中，要想讓隧道襯砌高內(nèi)水壓力進(jìn)行承擔(dān)，則需要采用鋼襯，也就說，只能依據(jù)限制裂縫的具體寬度，完成對鋼筋混凝土襯砌的合理設(shè)計。

3.2 襯砌裂縫寬度分析

水工壓力隧洞襯砌在具體應(yīng)用過程中出現(xiàn)的裂縫的規(guī)律，與一般鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在應(yīng)用中出現(xiàn)的裂縫的規(guī)律的差異十分明顯，造成該現(xiàn)象的主要原因是隧洞結(jié)構(gòu)特點，襯砌開裂后的應(yīng)力狀態(tài)情況有著密切聯(lián)系。從實際情況來看，如果洞段圍巖的一些薄弱處的襯砌出現(xiàn)了裂縫，要立即消除裂縫處的拉應(yīng)力，并且要重新調(diào)整近處襯砌、圍巖的具體應(yīng)力情況。壓力水進(jìn)入后，會逐漸向裂縫兩側(cè)擠壓，從而使裂縫附近襯砌拉應(yīng)力得到合理釋放，同時在該過程中，裂縫會在壓力作用下，發(fā)生快速擴(kuò)展。由此可見，裂縫近側(cè)，隨著壓應(yīng)力的變大，造成的影響范圍也將會進(jìn)一步擴(kuò)大，隨著混凝土裂縫的擴(kuò)大，此時結(jié)構(gòu)中的鋼筋應(yīng)力也將會進(jìn)一步加大，并且能夠起到限制裂縫的具體寬度，以及改善混凝土應(yīng)力情況的效果。

4 伸縮縫間距設(shè)計與環(huán)向裂縫寬度分析

一般來說，針對隧洞中出現(xiàn)的接縫，可以采取鑿毛、設(shè)置水結(jié)構(gòu)、布設(shè)鋼筋等方式進(jìn)行處理。如果在水工壓力隧洞工程中，如果存在防止內(nèi)水外滲對圍巖結(jié)構(gòu)造成不良影響，此時對于施工縫的具體處理，只能通過設(shè)置止水結(jié)構(gòu)的方式進(jìn)行，并且在該過程中需要相關(guān)工作人員注意，為了避免結(jié)構(gòu)造成破壞，對工程的整體質(zhì)量造成影響，結(jié)構(gòu)中的縱向鋼筋不得穿過縫面。具體來說，如果水工壓力隧洞在具體施工過程中，具有限防滲要求，環(huán)向施工縫的具體布置，應(yīng)當(dāng)在與伸縮縫間設(shè)計進(jìn)行相互協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)上完成，從而保證設(shè)計的合理性。

現(xiàn)階段，無論國內(nèi)外，有關(guān)隧洞設(shè)計的規(guī)范，以及相應(yīng)的計算方法，通常都只對隧洞襯砌橫斷面結(jié)構(gòu)的具體內(nèi)力大小，以及相應(yīng)的配筋情況進(jìn)行考慮，并不會對隧洞襯砌中的軸向受力情況進(jìn)行考慮。但是，隧洞襯砌在應(yīng)用過程中會出現(xiàn)環(huán)向裂縫，這一情況表明，忽視隧洞結(jié)構(gòu)的軸線受力分析，是具體設(shè)計中的一項重要缺陷。目前，水工壓力隧洞襯砌伸縮縫間距設(shè)計有設(shè)計工程師依據(jù)自身的工作經(jīng)驗進(jìn)行評估，這也造成該結(jié)果經(jīng)常會出現(xiàn)問題，無法確保結(jié)構(gòu)自身運行的安全性與合理性。針對該問題，應(yīng)當(dāng)依據(jù)隧洞結(jié)構(gòu)所處位置環(huán)境問題的具體變化、約束襯砌的具體條件、圍巖的平整情況，通過對巖體提出的隧洞襯砌與圍巖接觸面上的剪應(yīng)力與剪應(yīng)力方向位移成線性關(guān)系的理論進(jìn)行合理應(yīng)用，提高最終鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。

5 結(jié)束語

襯砌與圍巖兩者相互協(xié)調(diào)工作是水工壓力隧洞設(shè)計的核心，同時圍巖也是承載的主要主體。在隧洞中，為了確保襯砌與圍巖兩者能夠相互聯(lián)合工作，應(yīng)當(dāng)做好相應(yīng)的回填灌漿作業(yè)，同時要確保襯砌與圍巖相互緊密接觸是必要的，只有這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計才是合理的。否則，如果在隧洞中，襯砌與圍巖兩者出現(xiàn)脫離情況，將會導(dǎo)致隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的具體工作條件與設(shè)計計算模型出現(xiàn)違背的情況，襯砌則需要獨立承受內(nèi)水壓力，以及一定范圍內(nèi)的滲流體積，這將會對襯砌結(jié)構(gòu)的安全性造成較為嚴(yán)重的影響。

由此可見，為了保證水工高壓隧洞運行的安全性，在具體設(shè)計過程中，應(yīng)當(dāng)從實際出發(fā)，做好具體設(shè)計過程中各項關(guān)鍵問題的分析工作。同時，在隧洞具體施工過程中，要做好相應(yīng)的回填灌漿作業(yè)。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2018-5-15