集渣坑部位的TBM施工服務(wù)區(qū)異形大斷面襯砌研究

強(qiáng)麗峰，單柏翔，游 艇

（1.遼寧省柴河水庫(kù)管理局，遼寧鐵嶺 112000；2.遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧沈陽(yáng) l10006）

0 引言

近年來(lái)，隨著引水隧洞工程的快速發(fā)展，隧洞工程的特點(diǎn)呈現(xiàn)多樣化，相比以前與大壩相結(jié)合的泄洪洞、發(fā)電支洞等更長(zhǎng)，斷面更大，更復(fù)雜。在引水隧洞工程當(dāng)中，分為有壓隧洞和無(wú)壓隧洞；根據(jù)斷面形式又分為圓形、城門(mén)洞形、馬蹄形等。

在隧洞開(kāi)挖過(guò)程中，無(wú)論采用鉆爆法還是TBM隧道掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖，較差圍巖，如Ⅳ、Ⅴ類(lèi)，外水壓力均通過(guò)固結(jié)灌漿和阻水灌漿降到很小或忽略不計(jì)，所以無(wú)壓隧洞襯砌，無(wú)論哪種斷面形式，基本屬于結(jié)構(gòu)配筋或配筋計(jì)算很小，也比較容易解決；對(duì)于圓形有壓隧洞斷面，先后有潘家錚等[1]，張有天等[1]，李寧等[1～2]，從多方面進(jìn)行了分析，規(guī)范[3～4]給出其它斷面隧洞采用邊值解法，而對(duì)于長(zhǎng)距離TBM有壓引水隧洞，因組裝TBM需要更大斷面，且長(zhǎng)距離引水隧洞中結(jié)構(gòu)需要布置集渣坑或其它功能結(jié)構(gòu)，需布置異形大斷面，而進(jìn)行異形大斷面的襯砌配筋計(jì)算和工程實(shí)例很少，且無(wú)經(jīng)驗(yàn)可參考。針對(duì)以上情況，本文以某大型引水隧洞工程為例，針對(duì)TBM擴(kuò)大洞室異形斷面的襯砌問(wèn)題，采用ANSYS有限元軟件對(duì)異形斷面受力情況進(jìn)行分析，對(duì)傳統(tǒng)數(shù)值解法進(jìn)行了優(yōu)化，為同類(lèi)工程的設(shè)計(jì)、施工提供了依據(jù)和參考。

1 工程概況

1.1 概況

主體工程為隧洞工程，主洞長(zhǎng)35 441.338 m，樁號(hào)47+590.457—83+031.795，縱坡i=0.28‰。共布置5條施工支洞，分別為7，9，10，11和 12號(hào)。主洞采用2臺(tái)TBM施工（TBM3和TBM4），TBM3在9號(hào)支洞的擴(kuò)大洞室內(nèi)組裝并開(kāi)始掘進(jìn)，TBM4在11號(hào)支洞的擴(kuò)大洞室內(nèi)組裝并掘進(jìn)。

3號(hào)集渣坑位于TBM4的施工服務(wù)區(qū)內(nèi)，主洞TBM施工段斷面為圓形，開(kāi)挖洞徑為8.50 m，施工服務(wù)區(qū)初始斷面為城門(mén)洞型，成洞斷面尺寸均為10.9 m×11.0 m（寬×高），成洞斷面尺寸及平面布置參見(jiàn)圖1，2所示。

1.2 工程地質(zhì)條件

此段洞室埋深除四道嶺溝小于100 m外，其它段洞室埋深均在100 m以上，局部大于300 m。圍巖巖性為侏羅系果松組安山巖、火山角礫巖、角礫熔巖、巖屑凝灰?guī)r及紫紅色凝灰?guī)r，微風(fēng)化為主，除紫紅色凝灰?guī)r為軟質(zhì)巖外，其它巖石均屬硬質(zhì)巖，其中安山巖、火山角礫巖、角礫熔巖及巖屑凝灰?guī)r段，巖體多為完整性差～較完整，巖體呈鑲嵌結(jié)構(gòu)～次塊狀結(jié)構(gòu)，圍巖穩(wěn)定性較好，紫紅色凝灰?guī)r段。由于其本身巖石硬度的關(guān)系，且?guī)r體隱形節(jié)理發(fā)育，巖體多較破碎，巖體呈碎裂結(jié)構(gòu)，圍巖穩(wěn)定性差。另各巖組間安山巖、角礫熔巖與巖屑凝灰?guī)r、紫紅色凝灰?guī)r接觸帶均破碎，且?guī)r層傾角較緩，對(duì)圍巖穩(wěn)定影響較大。以滴水為主，局部線流。

圖1 TBM組裝洞室平面布置圖

圖2 TBM擴(kuò)大洞室斷面圖

2 襯砌計(jì)算方法

目前，對(duì)于圓形斷面、城門(mén)洞型、馬蹄型等常規(guī)斷面，均形成了較為統(tǒng)一、成熟的計(jì)算理論。有壓圓形隧洞，在圍巖相對(duì)均質(zhì)，且?guī)r體覆蓋厚度滿足最小覆蓋厚度（不包括全、強(qiáng)風(fēng)化厚度），并不會(huì)發(fā)生滲透失穩(wěn)和水力劈裂的條件下，可采用彈性力學(xué)解析方法，即厚壁圓筒作用理論?？紤]圍巖的彈性抗力，假定在內(nèi)水壓力作用下，隧洞混凝土襯砌沿徑向開(kāi)裂[5～6]，對(duì)于大斷面、特殊斷面、高水頭壓力隧洞或重要隧洞，需進(jìn)行有限元結(jié)合計(jì)算[7-9]。

在國(guó)內(nèi)隧洞以往的計(jì)算中，襯砌配筋較為保守，很多隧洞按限裂（不允許出現(xiàn)裂縫）進(jìn)行設(shè)計(jì)，而實(shí)際上在滿足止水和混凝土保護(hù)層厚度的情況下，均可按正常使用極限狀態(tài)的適應(yīng)一定環(huán)境的裂縫寬度計(jì)算，有限裂的特殊隧洞除外。隧洞襯砌在軸心受拉、偏心受拉及大偏心受壓情況，考慮裂縫寬度分布不均勻性及荷載長(zhǎng)期作用影響后的最大裂縫寬度，可按式（1）計(jì)算。

式中：ωmax——最大裂縫寬度，mm；α1，α2——計(jì)算系數(shù)；σs——襯砌結(jié)構(gòu)正常使用情況受拉鋼筋應(yīng)力；σd——受拉鋼筋直徑，mm；μ——受拉鋼筋配筋率；ftk——混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，N/mm2；ν——與受拉鋼筋表面形狀有關(guān)的系數(shù)。

采用有限元模型計(jì)算斷面結(jié)構(gòu)應(yīng)力，并提取受拉鋼筋應(yīng)力σs，再根據(jù)式（1）計(jì)算受拉鋼筋面積。

3 異形斷面受力分析

3.1 建模及參數(shù)選取

TBM施工服務(wù)區(qū)，存在集渣坑異形斷面配筋計(jì)算，利用ANSYS有限元軟件先建立規(guī)則的城門(mén)洞型斷面模型，再建立異形斷面模型，然后對(duì)比分析各部位受力規(guī)律，進(jìn)行針對(duì)性的修正配筋。

隧洞圍巖采用2D實(shí)體4結(jié)點(diǎn)四邊形PLANE42單元，初期支護(hù)中的噴射混凝土采用BEAM3單元，支護(hù)錨桿采用LINK1單元。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地勘資料，確定圍巖物理力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表1所示。計(jì)算邊界為左右邊界取洞徑的4～5倍，上下邊界取洞徑的4～5倍，最后確定計(jì)算范圍為109.7 m×110 m。邊界條件的約束仍為左右邊界水平方向位移約束，下邊界豎向位移約束，同時(shí)施加重力加速度以及地面荷載。

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)表

3.2 有限元受力分析

因TBM施工服務(wù)區(qū)斷面尺寸較大，工程采用左右導(dǎo)洞、分層開(kāi)挖模式，先從左側(cè)較好圍巖開(kāi)挖，后挖右側(cè)，再上后下，逐漸開(kāi)挖至整個(gè)斷面。ANSYS開(kāi)挖也按此模式模擬，并分若干個(gè)子步驟模擬圍巖應(yīng)力釋放的過(guò)程，起初釋放65%的圍巖壓力，通過(guò)提取結(jié)點(diǎn)力并反加35%的結(jié)點(diǎn)力來(lái)實(shí)現(xiàn)釋放100%的圍巖壓力，并施加襯砌，最后進(jìn)行求解計(jì)算。

本文分別計(jì)算出規(guī)則城門(mén)洞型斷面和異形斷面應(yīng)力分布，再對(duì)比整個(gè)斷面對(duì)應(yīng)位置處的應(yīng)力變化，根據(jù)規(guī)則斷面配筋局部調(diào)整異形斷面的配筋。從后處理中提取了襯砌部分的計(jì)算結(jié)果，應(yīng)力分析如圖3，4所示。

圖3 規(guī)則襯砌斷面應(yīng)力圖

圖4 異形襯砌斷面應(yīng)力圖

從圖3，4中可以看出，2種斷面拱頂基本為拉應(yīng)力，城門(mén)洞型襯砌斷面拱頂最大拉應(yīng)力為2.38 MPa左右，底板兩側(cè)底角位置受力最大，為3.91 MPa；異形斷面拱頂最大拉應(yīng)力為2.55 MPa左右，與規(guī)則斷面基本相同，底板右底角最大應(yīng)力為0.27 MPa，小于規(guī)則斷面相應(yīng)位置應(yīng)力，而集渣坑底角處應(yīng)力最大為5.96 MPa，遠(yuǎn)大于規(guī)則斷面的最大應(yīng)力，說(shuō)明異形斷面受集渣影響最大的位置在底板，而頂拱和邊墻影響較小，基本與規(guī)則斷面相同。

3.3 對(duì)比配筋計(jì)算

根據(jù)SL191-2008《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》查得環(huán)境類(lèi)別，并確定最大控制裂縫寬度ωmax為0.25 mm，從圖3，4中提取最大襯砌混凝土拉應(yīng)力，因襯砌混凝土不承受拉力，拉力全部由鋼筋承擔(dān)，并得出受拉鋼筋應(yīng)力σs，利用式（1）計(jì)算配筋，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 配筋計(jì)算表

4 結(jié)論

結(jié)合最新水工隧洞規(guī)范，利用裂縫限寬實(shí)現(xiàn)了大型規(guī)則斷面的配筋計(jì)算；通過(guò)對(duì)規(guī)則城門(mén)洞斷面和存在集渣坑的TBM施工服務(wù)區(qū)異形大斷面有限元受力對(duì)比分析，有效解決了異形大斷面的配筋問(wèn)題，并為以后工程提供參考。