研究水工隧洞設(shè)計(jì)方法

摘 要：水工隧洞結(jié)構(gòu)復(fù)雜，這也其受力情況變得十分復(fù)雜，增加了設(shè)計(jì)的難度。因此，在水工隧洞設(shè)計(jì)過程中，要對不同的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，選擇一種合理的設(shè)計(jì)方法，對其進(jìn)行應(yīng)用，從而確保最終設(shè)計(jì)的合理性。

關(guān)鍵詞：水工隧洞； 設(shè)計(jì)方法；工程質(zhì)量

中圖分類號(hào)：TV672.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7344（2018）27-0156-02

不同的水工隧洞在具體施工過程中面臨的巖石條件也會(huì)有所不同，在選擇設(shè)計(jì)方法過程中，應(yīng)當(dāng)在前期做好施工環(huán)境和地質(zhì)條件探測，制定一套合理的施工該方案，從而確保施工的順利開展。通過大量工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，水工隧洞設(shè)計(jì)方法的選擇，會(huì)對工程施工的效率、質(zhì)量，安全性造成直接影響，因此，做好相應(yīng)的研究與分析工作是必要的。

1 水工隧洞設(shè)計(jì)方法的常見類型

1.1 結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計(jì)是對水工水隧洞具體相關(guān)理論進(jìn)行合理應(yīng)用的基礎(chǔ)上，充分結(jié)合水工隧洞的水文、地形地質(zhì)等情況，構(gòu)建一個(gè)合理力學(xué)分析模型，完成相應(yīng)的設(shè)計(jì)[1]。該方法的具體特點(diǎn)是設(shè)計(jì)思路清晰、目標(biāo)明確，適合應(yīng)用在排沙水工隧洞、輸水隧洞中，可以保證水工過隧洞施工該方案的合理性，提高工程的整體施工效率和施工質(zhì)量。

1.2 有限元設(shè)計(jì)

該方法在具體應(yīng)用過程中，采取控制單一變量法，分析在隧洞設(shè)計(jì)過程中，可能會(huì)對設(shè)計(jì)造成異性影響的各項(xiàng)因素，從而使水工隧洞設(shè)計(jì)的合理性能夠得到進(jìn)一步提高。該方法主要適合應(yīng)用在一些工程施工方案相對比較清晰的水工隧洞中。

1.3 預(yù)期設(shè)計(jì)

預(yù)期設(shè)計(jì)是在充分結(jié)合水工隧洞施工的具體方案，最終形成的一種合理的設(shè)計(jì)方案，在水工隧洞具體施工開展前，對整個(gè)工程的進(jìn)度、成本、質(zhì)量等各項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行預(yù)測，在此基礎(chǔ)上，選擇合理的設(shè)計(jì)方法，預(yù)測工程的具體情況過程中，要確保施工現(xiàn)場布局的合理性，同時(shí)，針對周期相對較長的工程，要在對旋轉(zhuǎn)半徑進(jìn)行合理控制的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)對支洞和輔助洞的合理設(shè)計(jì)，并且依據(jù)設(shè)計(jì)完成相應(yīng)的施工[2]。

1.4 功能反饋設(shè)計(jì)

對先進(jìn)的監(jiān)測技術(shù)與設(shè)備進(jìn)行合理應(yīng)用，對水工隧洞功能進(jìn)行不斷調(diào)整。功能反饋設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用，可以使隧洞后期設(shè)計(jì)的合理性得到進(jìn)一步提高，避免工程出現(xiàn)質(zhì)量問題。

2 選擇水工隧洞設(shè)計(jì)方法的依據(jù)

2.1 抗裂指標(biāo)

選擇的水工隧洞設(shè)計(jì)方法應(yīng)當(dāng)能夠滿足工程在具體施工過程中的最低要求，尤其是要滿足抗裂性能方面的要求，對選用的設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用進(jìn)行合理測試。堆砌式水工隧洞是抗裂水工隧洞設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)常用方式，具體堆砌過程中，主要對對鋼筋混凝土進(jìn)行合理應(yīng)用，使鋼筋混凝土的抗裂性能夠滿足相應(yīng)的要求標(biāo)準(zhǔn)[3]。但是，從實(shí)際施工情況來看，由于受工程具體施工過程中，水泥材質(zhì)情況的影響，采用堆砌式水工隧洞容易發(fā)生開裂現(xiàn)象，這將會(huì)對工程的質(zhì)量造成影響，因此在選擇設(shè)計(jì)方法時(shí)，必須要計(jì)算水泥鋼筋材料的具體膨脹系數(shù)，同時(shí)要在對當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)地理環(huán)境以及組分進(jìn)行充分分析的基礎(chǔ)上，完成對灌漿配方的研制，從而提高工程最終質(zhì)量。

2.2 保證水工隧洞檢修的安全性

選擇水工隧洞設(shè)計(jì)方法時(shí)，要確保檢修工作的自身的安全性。施工中過程中應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持“預(yù)防為主，安全第一”的原則。在設(shè)計(jì)水工隧洞的路線時(shí)，應(yīng)當(dāng)對周邊的具體條件情況進(jìn)行充分考慮，確保檢修的安全性，將檢修安全作為設(shè)計(jì)方法的選擇依據(jù)，體現(xiàn)了人的主體作用[4]。①檢修安全可以調(diào)動(dòng)相關(guān)工作人員的積極性，消除顧慮。②解決設(shè)計(jì)過程中遇到的各項(xiàng)問題。③選擇水工隧設(shè)計(jì)方法，應(yīng)當(dāng)因地制宜，確保設(shè)計(jì)方案的合理性。

3 水工隧洞設(shè)計(jì)實(shí)例

3.1 工程概況

貴州地區(qū)某水工隧洞定圍巖厚度為12～88m，隧道圍巖為Ⅳ類，圍巖的各項(xiàng)內(nèi)容的參數(shù)如表1所示。

3.2 分析設(shè)計(jì)方案

3.2.1 結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計(jì)

混凝土硬化期間，噴錨支護(hù)的受力情況會(huì)有所不同，通過對結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行應(yīng)用，通常要將噴錨支護(hù)作為結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備，并不需要對很周邊圍壓力的分擔(dān)作用加以考慮。

3.2.2 有限元設(shè)計(jì)

通過對計(jì)算用軟件進(jìn)行合理應(yīng)用，模擬出一個(gè)圍巖脫離體，在進(jìn)行隧道開挖期間，應(yīng)當(dāng)將混凝土、圍堰、錨桿等各項(xiàng)內(nèi)容作為一個(gè)整體，從而分析其在具體應(yīng)用過程中，承受的外部荷載。

在具體分析過程中，為了能夠完成隧洞具體結(jié)構(gòu)受力情況的合理模擬，要對工程在施工建設(shè)過程中，不同階段，圍巖和結(jié)構(gòu)間的相互作用進(jìn)行合理分析，同時(shí)還要將工程具體施工中采用的施工程序合理的輸入到有限元模型中，呈現(xiàn)工程建設(shè)過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)，從而使相應(yīng)的施工人員能夠完成對工程具體情況的合理分析。

3.3 結(jié)果分析

在工程具體建設(shè)過程中，通過對有限元設(shè)計(jì)法進(jìn)行應(yīng)用，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對圍巖與錨桿形成的承載拱，以及相應(yīng)的噴射混凝土內(nèi)容進(jìn)行針對分析，通過分析可以發(fā)現(xiàn)，錨桿和圍巖共同形成的圍巖，分擔(dān)了40～60%外部荷載，隧道結(jié)構(gòu)承擔(dān)剩余荷載。分析隧洞成洞以及應(yīng)力釋放，可以發(fā)現(xiàn)，開挖初期階段，隧洞出現(xiàn)了較大規(guī)模的變形，此時(shí)，掛網(wǎng)噴混凝土襯砌會(huì)形成內(nèi)力。

水工隧洞設(shè)計(jì)過程中對有限元設(shè)計(jì)法進(jìn)行合理應(yīng)用，能夠使圍巖與錨桿，以及掛網(wǎng)噴混凝土襯砌承擔(dān)荷載的分擔(dān)作用可以得到充分發(fā)揮。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)期間，應(yīng)當(dāng)對開挖施工，以及噴錨支護(hù)的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行合理應(yīng)用，依據(jù)工程的具體情況，適當(dāng)提高錨桿密度，增加掛網(wǎng)噴混凝土厚度，通過該方式，使圍巖結(jié)構(gòu)的安全性能夠得到進(jìn)一步提高，同時(shí)，降低工程的整體造價(jià)，縮短工期，使工程能夠在質(zhì)量達(dá)到要求的基礎(chǔ)上，按期竣工，并且具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)束語

水工隧洞設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，在具體設(shè)計(jì)過程中，要結(jié)合工程的具體情況，選擇一種合理的設(shè)計(jì)方案，確保設(shè)計(jì)的合理性。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員在具體工作中，應(yīng)當(dāng)對工作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，不斷對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)與完善，從而促進(jìn)行業(yè)的健康發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]李 騰，蘇 凱，張智敏，等.高壓水工隧洞透水襯砌設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2017，36（S2）：4047～4053.

[2]鄧 建，肖 明，陳俊濤.水工隧洞混凝土襯砌地震動(dòng)響應(yīng)過程分析[J].工程科學(xué)與技術(shù)，2017，49（02）：36～44.

[3]孫奔博，胡良明，付曉龍.圍巖類型及襯砌厚度對水工隧洞地震動(dòng)力響應(yīng)的影響分析[J].水利水電技術(shù)，2017，48（03）：19～24+45.

[4]文喜雨，蘇 凱，周亞峰.高壓水工隧洞透水襯砌設(shè)計(jì)方法與理論研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2016，49（06）：824～830.

收稿日期：2018-8-2