引漢濟渭二期工程黃午隧洞斷面選型分析

雒少江，雷升云

（陜西省引漢濟渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安710100）

我國水資源總量豐富，但時空分布極不均勻，區(qū)域性缺水嚴重，水資源短缺已經(jīng)成為制約區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的重要因素，引調(diào)水工程是解決水資源分布不平衡、實現(xiàn)優(yōu)化配置的有效途徑，輸水隧洞作為引調(diào)水工程中最重要的水工建筑物，其優(yōu)化設(shè)計對工程建設(shè)具有重要意義。在輸水隧洞的設(shè)計過程中，合理選擇隧洞斷面形式，對保證結(jié)構(gòu)圍巖穩(wěn)定和長期安全運行均有舉足輕重的作用。原先凡等［1］基于數(shù)值模擬分析研究了隧洞斷面尺寸對深、淺埋隧洞圍巖穩(wěn)定性的影響。霍香麗等［2］以引黃入洛工程為背景，從工程適宜性和優(yōu)缺點方面出發(fā)確定了隧洞斷面形式。黃康鑫等［3］通過對滇中引水工程不同隧洞斷面形式的結(jié)構(gòu)受力計算，研究了高地應(yīng)力條件下隧洞斷面形式的合理選擇。張傳健等［4］通過對南水北調(diào)中線工程穿黃隧洞的研究總結(jié)，從受力條件的角度介紹了隧洞結(jié)構(gòu)形式比選的相關(guān)成果。趙鵬博［5］從水力參數(shù)設(shè)計、施工方法、工程量及工程投資等方面對某在建輸水隧洞城門洞形和馬蹄形兩種不同設(shè)計斷面進行了綜合分析比選。

本文以引漢濟渭二期工程黃午隧洞為背景，結(jié)合數(shù)值計算方法從結(jié)構(gòu)受力、過流能力及工程施工條件等方面對3種斷面形式綜合比選，分析了各斷面形式的結(jié)構(gòu)受力特性，最終確定了符合工程實際的合理斷面形式。

1 工程概況

陜西省引漢濟渭工程是陜西省境內(nèi)一項跨流域調(diào)水工程，也是關(guān)系陜西未來經(jīng)濟社會發(fā)展的戰(zhàn)略性工程。該工程從陜南漢江流域調(diào)水至關(guān)中渭河流域，向關(guān)中渭河沿岸的重要城市、縣城、工業(yè)園區(qū)供水，緩解關(guān)中地區(qū)嚴重缺水問題，替代超采的地下水、逐步退還擠占的農(nóng)業(yè)與生態(tài)用水，改善渭河流域的生態(tài)環(huán)境狀況，促進區(qū)域經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展。引漢濟渭二期工程是連接水源與用水戶的橋梁和紐帶，通過修建黃池溝配水樞紐、輸水南干線、北干線及配水支線工程，實現(xiàn)將引漢濟渭工程調(diào)入黃池溝的水量輸送到關(guān)中地區(qū)渭河沿岸各受水點。

黃午隧洞是南干線骨干工程，全長69.2 km，其中樁號0+000—65+900段位于秦嶺北麓中低山區(qū)，末端65+900—69+200段位于山前洪積扇區(qū)。沿線通過地層主要為第四系沖洪積黏質(zhì)黃土、砂卵石層、云母片巖、云母石英片巖、綠片巖、片麻巖、大理巖及花崗巖等。施工范圍內(nèi)洞室通過約44 km的片巖地段，局部為綠片巖、炭質(zhì)片巖、絹云母片巖夾大理巖夾層，規(guī)律性差，巖質(zhì)較為軟弱，施工中可能產(chǎn)生較大坍塌及軟巖塑性大變形；洞室通過約21 km的花崗巖段，巖質(zhì)堅硬，完整性較好，洞室埋深較大部位多干燥貧水，施工中可能發(fā)生巖爆。

黃午隧洞范圍內(nèi):Ⅱ類圍巖段長3 300 m，約占4.77%；Ⅲ類圍巖段長33 150 m，約占47.90%；Ⅳ類圍巖段長22 600 m，約占32.66%；Ⅴ類圍巖段長1 015 m，約占14.67%。發(fā)育有21條斷層，其中有1條區(qū)域性大斷層及20條次一級斷層，個別斷層破碎帶較寬，其間夾有斷層泥礫帶，施工中可能產(chǎn)生圍巖失穩(wěn)、軟巖塑性大變形及突涌水。

因此，在這樣復(fù)雜地質(zhì)條件下選擇合理的斷面形式尤為重要。

2 斷面擬定

黃午隧洞為明流洞，主洞埋深16～650 m，輔助坑道設(shè)置較為容易，設(shè)計中推薦采用鉆爆法施工。鉆爆法可供選擇的斷面形式主要有圓拱直墻形、馬蹄形和圓形。圓形斷面受力條件好，但圓形斷面對施工運輸影響較大，施工困難，在該隧洞為無壓明流的情況下不考慮采用；圓拱直墻形缺點是受力條件較差，優(yōu)點是施工條件較好，我國已建引大入秦工程26＃隧洞以及湖南省臨澧縣青山水輪泵站灌區(qū)總干渠冉鋪灣隧洞等均采用了圓拱直墻形斷面［6-7］；馬蹄形斷面受力條件及過流條件較好，但弧形仰拱對施工運輸有一定影響，目前在建秦嶺特長輸水隧洞在設(shè)計中采用了馬蹄形斷面［8］。

根據(jù)引漢濟渭二期工程沿線分水口總體布局，樁號0+33.1—41+487段設(shè)計流量為47 m3/s，樁號41+487—69+200段設(shè)計流量為30 m3/s，本文主要針對樁號0+33.1—41+487段進行斷面比選。設(shè)計過水流量為47 m3/s情況下，擬定的圓拱直墻形斷面內(nèi)輪廓尺寸為5.05 m×6.2 m（寬×高），擬定的馬蹄形斷面內(nèi)輪廓尺寸為5.8 m×5.8 m（寬×高，不同斷面內(nèi)輪廓圓弧的半徑為8.70 m），擬定的平底馬蹄形斷面內(nèi)輪廓尺寸為5.96 m×5.58 m（寬×高，不同斷面內(nèi)輪廓圓弧的半徑為8.94 m），見圖1。

圖1 斷面尺寸（單位:cm）

3 斷面比選

針對擬定的3種斷面，分別從過流條件、結(jié)構(gòu)安全、施工條件等方面進行比較。

3.1 過流能力

從國內(nèi)規(guī)范、工程類比和引漢濟渭一期工程設(shè)計情況多方面綜合分析，確定二期工程黃午隧洞段設(shè)計凈空比不小于20%。根據(jù)《水力計算手冊》［9］，由水力學(xué)計算公式求得黃午隧洞底坡為緩坡，水流流態(tài)為緩流，洞身水流為均勻流，因此按明渠均勻流計算擬定斷面的過流能力，擬定的圓拱直墻形、馬蹄形、平底馬蹄形斷面水力計算結(jié)果見表1。

表1 各斷面水力計算結(jié)果

可以看出，3種斷面滿足設(shè)計流量時，凈空比均大于20%，其中平底馬蹄形斷面的凈空比最大，其過流能力較優(yōu)，馬蹄形斷面次之，圓拱直墻形斷面較差，但總體而言，3種斷面凈空比相近，且均滿足規(guī)范要求，可以保證隧洞明流過流。

3.2 結(jié)構(gòu)受力

3.2.1 有限元計算

對3種斷面采用Midas GTS NX有限元分析軟件進行計算比較，本計算采用荷載-結(jié)構(gòu)模型，襯砌結(jié)構(gòu)采用梁單元來模擬，各斷面按一致的單元數(shù)劃分網(wǎng)格，各單元號從拱頂開始按順時針一次排列；荷載按最不利的檢修期工況來計算，選取典型Ⅳ級圍巖的襯砌結(jié)構(gòu)進行計算，Ⅳ級圍巖地層參數(shù)見表2。襯砌采用C30混凝土，厚度為40 cm，重度24 kN/m3，彈性模量30 GPa，泊松比0.167。

表2 Ⅳ級圍巖地層參數(shù)

3.2.2 荷載計算

黃午隧洞埋深較大，其圍巖壓力按深埋隧洞計算，根據(jù)《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》［10］，其作用在襯砌上的圍巖壓力計算式為

水平方向圍巖壓力為

式中:qv、qh分別為垂直方向、水平方向的圍巖壓力，Pa；γR為巖體重度，kN/m3；b為隧洞開挖寬度，m；h為隧洞開挖高度，m。

外水壓力是影響結(jié)構(gòu)安全的重要因素，但外水壓力受圍巖的滲透系數(shù)、巖層結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、滲流類型、襯砌形式、補給水源、排水或出水點等因素影響，很難準確確定。目前，襯砌外水壓力的確定方法主要有折減系數(shù)法、理論計算法和數(shù)值分析法。黃午隧洞位于地下水位以下，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，邊界條件不易確定，且黃午隧洞設(shè)計中采用了排堵結(jié)合的措施，在隧洞拱頂設(shè)置排水孔，在隧洞壁后有注漿圈堵水，因此主要結(jié)合引漢濟渭一期工程秦嶺隧洞的設(shè)計及施工經(jīng)驗，利用工程類比的方法確定作用于襯砌上的最大外水壓力按7 m水頭計算。

3.2.3 結(jié)果分析

計算中采用相同的材料及地層參數(shù)和相同的荷載計算方法，以確定在同一條件下3種斷面結(jié)構(gòu)受力的優(yōu)劣。各斷面計算所得軸力、彎矩及變形結(jié)果見圖2，軸力方向受拉為正、受壓為負，彎矩內(nèi)側(cè)受拉為正。

圖2 3種斷面內(nèi)力云圖

可以看出，3種斷面軸力最大處均位于拱角位置，最小軸力均發(fā)生于拱頂位置，且圓拱直墻形斷面的最大軸力最大，平底馬蹄形次之，馬蹄形斷面最小；對于3種斷面的最大彎矩，圓拱直墻形最大彎矩位于拱角處，平底馬蹄形和馬蹄形斷面的位于底板中心，且圓拱直墻形斷面的最大彎矩最大，平底馬蹄形次之，馬蹄形斷面最?。粡淖冃蝸砜?，圓拱直墻形斷面一般發(fā)生于拱腰處，而馬蹄形斷面和平底馬蹄形斷面均發(fā)生于底板處。

為直觀比較3種斷面的受力特性，根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》中安全驗算相關(guān)規(guī)定［11］，素混凝土和砌體矩形截面中心及偏析受壓構(gòu)件的抗壓強度滿足:

式中:K為安全系數(shù)，查表取施工階段強度檢算控制值，抗拉控制值Kt為2.7，抗壓控制值Kc為1.8；N為軸力，MN；Ra為混凝土抗壓極限強度；b為截面的寬度；h為截面厚度；φ為構(gòu)件的縱向彎曲系數(shù)，對于隧道襯砌、明洞拱圈及墻背緊密回填的邊墻，其取1；α為軸向力的偏心影響系數(shù)。

針對上述3種斷面的內(nèi)力計算結(jié)果，提取斷面各單元的軸力和彎矩數(shù)據(jù)，對素混凝土襯砌的安全系數(shù)進行檢算，以各斷面梁單元的單元號為橫坐標，得到3種斷面的安全系數(shù)（見圖3）。

圖3 3種斷面安全系數(shù)比較

可以看出，馬蹄形斷面受力條件最佳，其安全系數(shù)明顯大于圓拱直墻形斷面和平底馬蹄形斷面，而圓拱直墻形斷面和平底馬蹄形斷面的安全系數(shù)范圍非常接近。同時可以看出，3種斷面在拱底和拱腳處的受力均不佳，安全系數(shù)均較小，圓拱直墻形斷面除拱底和拱腳受力較差外，拱腰處的受力也較差，因此其安全系數(shù)處于低值區(qū)的占比較高?？傮w來說，從結(jié)構(gòu)受力條件上比較分析，馬蹄形斷面最優(yōu)，平底馬蹄形斷面和圓拱直墻形斷面相對稍差。

3.3 施工條件

從施工條件分析，馬蹄形斷面弧形底面不便于施工運輸，而平底馬蹄形斷面改進了底面形式，與圓拱直墻形斷面的底板一樣，均為水平，便于施工運輸，有利于縮短工期。從變形分析，圓拱直墻形斷面變形發(fā)生于拱腰處，而馬蹄形斷面和平底馬蹄形斷面均發(fā)生于底板處，而底板變形不利于施工運輸。

黃午隧洞采用鉆爆法開挖，隧洞襯砌都采用鋼模臺車，洞內(nèi)用混凝土泵入倉澆筑，3種斷面在施工工藝上基本相同。斷面輪廓開挖及襯砌混凝土澆筑時，圓拱直墻形斷面最方便，平底馬蹄形斷面次之，馬蹄形斷面受底拱影響最為復(fù)雜；施工運輸方面，底板水平的圓拱直墻形與平底馬蹄形斷面區(qū)別不大，均優(yōu)于馬蹄形斷面?？傮w而言，圓拱直墻形斷面施工條件最優(yōu)，施工進度相對較快。此外，《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》也指出，無壓隧洞推薦采用圓拱直墻形斷面，引大入秦工程采用圓拱直墻形斷面取得了良好效果，這些相關(guān)規(guī)范和成功的工程實例均可為該工程的設(shè)計提供參考和借鑒。

4 結(jié) 論

本文以引漢濟渭二期工程引水隧洞為背景，針對黃午隧洞擬定3種斷面進行綜合比選分析，通過水力計算得出3種斷面均滿足過流要求，求得同一流量條件下3種斷面凈空比相差不大。通過數(shù)值計算對3種斷面的襯砌結(jié)構(gòu)進行受力計算，繪制出每個斷面的單元安全系數(shù)圖，表明馬蹄形斷面的受力條件最佳，圓拱直墻形斷面和平底馬蹄形斷面的受力條件相差不大且都較馬蹄形斷面差。通過施工條件方面的綜合分析表明，圓拱直墻形斷面施工條件最好，施工進度最快，從方便施工和控制工期角度分析，充分考慮施工的便捷性的同時其過流能力和結(jié)構(gòu)受力均滿足工程要求。綜上，圓拱直墻形斷面在施工條件方面具有獨特的優(yōu)勢，且在結(jié)構(gòu)受力和過流能力方面雖不是最優(yōu)，但其效果與另外兩種斷面頗為相近，因此推薦選用圓拱直墻形斷面。