考慮初期支護(hù)作用的引水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算

許 韜，戚紹禮，胡天明，殷子文

(1.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都610072；2.中國水利水電第七工程局有限公司，四川成都610213；3.河海大學(xué)，江蘇南京210098)

0 引 言

盡管有許多學(xué)者對圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)的聯(lián)合受力開展了大量的研究工作[1- 4]，也取得了一些成果，但目前，我國水工高壓隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范中并未考慮圍巖和初期支護(hù)的承載作用[5]。初期支護(hù)作為安全儲備，設(shè)計(jì)過于保守，往往導(dǎo)致二次襯砌結(jié)構(gòu)斷面尺寸偏大，配筋量增大[6]。隨著施工期安全要求的提高，在施工過程中，現(xiàn)場往往會采取超強(qiáng)的臨時(shí)支護(hù)措施，如果在這種情況下，仍然不考慮初期(臨時(shí))支護(hù)的作用，勢必造成工程投資的無謂增加，影響施工。因此，在工程設(shè)計(jì)過程中適當(dāng)考慮臨時(shí)支護(hù)的作用是必要的，也是貫徹工程設(shè)計(jì)“既安全又經(jīng)濟(jì)”原則的主要做法。本文結(jié)合固增水電站引水隧洞施工過程揭露的地質(zhì)現(xiàn)象，進(jìn)行了圍巖參數(shù)反分析，開展了考慮臨時(shí)支護(hù)措施的襯砌結(jié)構(gòu)受力分析，對襯砌配筋進(jìn)行了優(yōu)化。

1 工程概況

某水電站采用引水式開發(fā)方式，工程樞紐由攔河閘壩、進(jìn)水口、引水隧洞、調(diào)壓室、壓力管道、地面發(fā)電廠房組成。壓力引水隧洞沿木里河左岸布置，引水線路長11.06 km，平面上共設(shè)置5個(gè)轉(zhuǎn)點(diǎn)，縱坡i=2.086 9‰。引水線路位于高山峽谷地貌區(qū)，地形高差懸殊，沿線溝谷深切，多呈不對稱的“U”和“V”形谷，植被較發(fā)育。隧洞沿線支溝較為發(fā)育，從上游到下游發(fā)育規(guī)模較大的沖溝有洼開溝、撒洼溝，溝內(nèi)常年性流水，洪水期流量較大。隧洞區(qū)圍巖分類原則以巖性為基礎(chǔ)，結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造的發(fā)育情況，按DL/T 5410—2009《中小型水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》圍巖工程地質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)，將隧洞區(qū)圍巖劃分為Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ共三類，本次計(jì)算以Ⅳ類圍巖為例開展分析。

引水隧洞馬蹄形開挖馬蹄形襯砌，過流斷面尺寸為6.1 m×7.8 m(底寬×高)，并根據(jù)圍巖類別采用不同的支護(hù)形式和襯砌厚度。引水隧洞沿線垂直埋深一般為150～400 m，本次計(jì)算斷面埋深320 m。

2 分析理論與方法

2.1 本構(gòu)模型

圍巖分析計(jì)算采用經(jīng)典的傳統(tǒng)彈塑性模型，屈服準(zhǔn)則采用ABAQUS自帶的D-P準(zhǔn)則(或霍克-布朗準(zhǔn)則)，即M-C外角點(diǎn)外接圓準(zhǔn)則。D-P系列屈服準(zhǔn)則是在Mises強(qiáng)度準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，考慮平均應(yīng)力p或I1，而將Mises強(qiáng)度準(zhǔn)則推廣成為以下形式：

(1)

式中，I1為應(yīng)力張量的第一不變量；J2為應(yīng)力偏量第二不變量。α與k為與巖石內(nèi)摩擦角φ和粘結(jié)力c有關(guān)的實(shí)驗(yàn)常數(shù)，可由下式計(jì)算得到

(2)

(3)

2.2 配筋計(jì)算方法

根據(jù)相關(guān)材料整理部分計(jì)算所需數(shù)據(jù)：按照運(yùn)行工況下，即襯砌所受拉應(yīng)力最大截面分析，順?biāo)鞣较蜷L度取1 m?；炷翉?qiáng)度等級為C25，fcd=12.5 MPa，鋼筋等級采用HRB400(fsd=f′sd=360 MPa，ξb=0.518)。取保護(hù)層厚度as=35 mm，則截面有效高度為h0=h-as。

對于隧洞結(jié)構(gòu)，可以將應(yīng)力轉(zhuǎn)換成內(nèi)力，按照截面破壞內(nèi)力來計(jì)算鋼筋用量。并假定構(gòu)件破壞時(shí)截面全部裂通，拉力全部由鋼筋承受，按照受拉構(gòu)件計(jì)算。

γdNe≤fsdAs(h0-a′s)

(4)

故所需鋼筋面積

(5)

式中，AS為所需鋼筋面積；γd為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)系數(shù)；N為截面所受軸力；h為截面高度；as和a′s為截面兩端保護(hù)層厚度；fsd為鋼筋抗拉強(qiáng)度；h0為截面有效高度。

3 有限元模型建立

3.1 幾何模型與邊界條件

計(jì)算選用典型斷面建立三維模型，模型上下左右邊界距離洞軸線各50 m。隧洞沿水流方向長度取120 m。模型中襯砌剖分4層網(wǎng)格，噴射混凝土剖分1層網(wǎng)格，灌漿圈厚4.5 m，分為5層，灌漿圈和噴射混凝土層之間設(shè)置過渡薄層。有限元分析計(jì)算網(wǎng)格模型見圖1。選用OXYZ坐標(biāo)系，模型左下角為坐標(biāo)原點(diǎn)，其中，X方向?yàn)榇怪彼鞣较?，Y方向?yàn)槎摧S線方向，Z方向?yàn)樨Q直方向。模型底部固定x，y，z方向位移，左右側(cè)固定x方向位移，前后側(cè)固定y方向位移，頂部為自由面。模型頂部施加對應(yīng)埋深處的自重應(yīng)力，來模擬上部荷載。

圖1 有限元計(jì)算網(wǎng)格模型

圖3 圍巖開挖圍巖位移云圖(單位：m)

3.2 計(jì)算參數(shù)

(1)材料力學(xué)特性參數(shù)。巖土力學(xué)參數(shù)的合理性與否是進(jìn)行巖土工程穩(wěn)定性分析的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文根據(jù)位移監(jiān)測資料運(yùn)用智能優(yōu)化方法進(jìn)行參數(shù)反演，并將遺傳算法融入到反演分析的過程當(dāng)中，編寫了相關(guān)的遺傳算法的Fortran源程序；以此對ABAQUS軟件進(jìn)行了二次開發(fā)，并基于所建立的反分析模型對圍巖參數(shù)開展了反演分析研究。選取計(jì)算對應(yīng)的典型斷面4+852的監(jiān)測數(shù)據(jù)開展反分析，如圖2所示，所得圍巖參數(shù)見表1。

圖2 典型斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)(2019年)

表1 計(jì)算模型力學(xué)參數(shù)

(2)支護(hù)參數(shù)。計(jì)算選用的支護(hù)參數(shù)由設(shè)計(jì)院提供，具體如下：噴混凝土12 cm，鋼筋混凝土襯砌厚度40 cm；錨桿采用Φ25型號，長4.5 m，間排距1.5 m；工字鋼采用I16型號，間距1.5 m；在頂拱120°范圍內(nèi)進(jìn)行回填灌漿。

3.3 計(jì)算工況

本次計(jì)算共選取了施工期、檢修期和正常運(yùn)行3個(gè)工況。其中，施工期重點(diǎn)考慮了回填灌漿壓力、山巖壓力等荷載；檢修期主要考慮了外水壓力、山巖壓力、結(jié)構(gòu)自重等荷載；正常運(yùn)行期主要考慮了內(nèi)水壓力、山巖壓力、結(jié)構(gòu)自重等荷載。經(jīng)計(jì)算，結(jié)構(gòu)配筋控制工況為正常運(yùn)行工況，因此，本文均以該工況進(jìn)行整理說明。

4 成果分析

本文對有無初期支護(hù)兩種情況下的圍巖穩(wěn)定性和襯砌結(jié)構(gòu)受力特性進(jìn)行了分析計(jì)算。

4.1 圍巖穩(wěn)定性分析

圍巖穩(wěn)定性判別主要以相對位移和塑性區(qū)開展深度為判定依據(jù)，判斷圍巖穩(wěn)定性。位移值為“+”表示豎直向上，為“-”表示豎直向下。

洞室開挖后，圍巖變形主要以豎向位移為主，具體見圖3。由圖3可知，洞室底部有上升趨勢，頂拱則是下沉。在沒有任何支護(hù)措施的情況下，最大豎向位移為5.31 cm。施加支護(hù)后，最大位移為3.19 cm。

洞室施工完成后，部分巖體發(fā)生塑性變形，如圖4所示。從圖4可以看出，洞周兩側(cè)是塑性區(qū)較為集中的部位。隧洞頂部和底部并未進(jìn)入塑性狀態(tài)。裸洞開挖時(shí)塑性區(qū)范圍較大，開展深度約為2.5 m；施加支護(hù)后，開展深度減小到1.3 m左右，為保證巖體穩(wěn)定，應(yīng)加強(qiáng)隧洞兩側(cè)的支護(hù)措施。

計(jì)算結(jié)果表明，施加初期支護(hù)后，圍巖變形、應(yīng)力有了很大改善，塑性區(qū)范圍也明顯縮小。因此，施加初期支護(hù)可以提高圍巖自身的承載能力，減小圍巖變形，提高圍巖的穩(wěn)定性，從而加強(qiáng)圍巖在運(yùn)行期內(nèi)水壓力作用下的承載比，減少襯砌受力。

圖4 圍巖開挖塑性區(qū)分布

圖5 運(yùn)行期無支護(hù)襯砌受力(單位：kPa)

圖6 運(yùn)行期有支護(hù)襯砌受力(單位：kPa)

4.2 襯砌結(jié)構(gòu)受力分析

運(yùn)行期隧洞內(nèi)充水，襯砌在內(nèi)水壓力作用下，應(yīng)力以受拉為主。以下仍按照有無初期支護(hù)兩種情況來分析襯砌受力。

無初期支護(hù)時(shí)，襯砌受力以垂直水流方向?yàn)橹?，最大拉?yīng)力出現(xiàn)在邊墻底板交接處，應(yīng)力集中。順?biāo)鞣较蜃畲罄瓚?yīng)力為0.69 MPa，垂直水流方向最大拉應(yīng)力為2.56 MPa。應(yīng)力云圖見圖5。

有初期支護(hù)時(shí)，襯砌受力以垂直水流方向?yàn)橹?，最大拉?yīng)力出現(xiàn)在邊墻底板交接處，應(yīng)力集中。施加初期支護(hù)后，應(yīng)力數(shù)值有所改善，順?biāo)鞣较蜃畲罄瓚?yīng)力為0.49 MPa，垂直水流方向最大拉應(yīng)力為2.10 MPa。應(yīng)力云圖見圖6。

從計(jì)算結(jié)果可知，施加初期支護(hù)后，襯砌應(yīng)力值得到了改善。其中，順?biāo)鞣较驊?yīng)力值較小，可按構(gòu)造要求配置縱向鋼筋；垂直水流方向應(yīng)力值較大，超過混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度，需要對其進(jìn)行配筋改善結(jié)構(gòu)受力。

4.3 襯砌結(jié)構(gòu)配筋及裂縫開展寬度驗(yàn)算

(1)結(jié)構(gòu)配筋。筆者根據(jù)襯砌受力情況計(jì)算出有無初期支護(hù)兩種情況下的配筋結(jié)果，同時(shí)將設(shè)計(jì)院按照邊值法計(jì)算的配筋成果一起比較發(fā)現(xiàn)，考慮圍巖—襯砌聯(lián)合受力的配筋量明顯減小，且考慮施加初期支護(hù)后的圍巖—襯砌聯(lián)合受力情況下，襯砌結(jié)構(gòu)配筋量更小。具體配筋情況如表2所示。

表2 襯砌結(jié)構(gòu)環(huán)向配筋

(2)裂縫開展寬度驗(yàn)算。根據(jù)數(shù)值計(jì)算的配筋量，按照DL/T5195—2004《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》中的附錄公式計(jì)算襯砌裂縫寬度，Ⅳ類圍巖取中值時(shí)襯砌的最大裂縫寬度為0.165 mm，發(fā)生在下側(cè)拱與底板連接處，最大裂縫的寬度小于裂縫寬度允許值0.3 mm，滿足規(guī)范要求。

5 結(jié) 論

本文以實(shí)際工程為例，采用數(shù)值方法模擬了水工隧洞的開挖和充水運(yùn)行過程，通過對比有無初期支護(hù)兩種情況下圍巖穩(wěn)定性和襯砌受力情況來對襯砌結(jié)構(gòu)配筋進(jìn)行計(jì)算。得到了如下結(jié)論：

(1)對于地質(zhì)條件復(fù)雜，圍巖參數(shù)無法準(zhǔn)確給出的情況，可以利用參數(shù)反分析方法，根據(jù)施工過程中監(jiān)測的位移數(shù)據(jù)進(jìn)行反分析，從而獲得較為實(shí)用的圍巖參數(shù)。

(2)數(shù)值計(jì)算方法可以充分考慮圍巖自身的承載能力和支護(hù)的作用效果，與工程實(shí)際相符，因此，有條件的情況下，可以采用數(shù)值分析方法開展地下工程的穩(wěn)定性評價(jià)和襯砌結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)，作為工程建設(shè)的主要依據(jù)。

(3)計(jì)算結(jié)果表明，運(yùn)行期是襯砌受拉應(yīng)力最大時(shí)期，內(nèi)水壓力由圍巖和襯砌共同承擔(dān)。初期支護(hù)可以極大地提高圍巖的承載能力，對比有無初期支護(hù)兩種情況的配筋方案可以得出，施加支護(hù)后底板配筋量減少了30%左右。