鄭如義

（水利部山西水利水電勘測設(shè)計研究院，太原 030024）

萬家寨引黃工程北干線1號隧洞位于山西省西北部，為無壓隧洞，設(shè)計引水流量為22.2m3/s，采用雙護盾全斷面巖石掘進機（簡稱“TBM”）施工。

TBM開挖直徑4.819m，成洞直徑4.14m，由四塊弧形管片襯砌組成，厚25cm，豆礫石回填灌漿層平均厚度9cm。由于管片存在著接縫，不同于圓形斷面的鋼筋混凝土襯砌，計算方法也不同于傳統(tǒng)的圓形隧洞混凝土襯砌受力計算，如何處理管片接縫，是計算的關(guān)鍵。在引黃北干1號隧洞襯砌計算中采用了模擬接縫的非均質(zhì)彈性圓環(huán)計算法，較好地處理了管片接縫問題，取得了很好的效果。

1 計算假定

地下隧洞結(jié)構(gòu)計算目前國內(nèi)外計算公式較多，一般以結(jié)構(gòu)力學(xué)計算方法為主，輔以有限元分析按彈塑性理論計算，結(jié)合工程經(jīng)驗最終判定結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。對于較好的I、II類圍巖可采用有限元法進行計算，對于Ⅲ、IV、V類圍巖可采用結(jié)構(gòu)力學(xué)法計算。

模擬接縫的計算法仍然是基于結(jié)構(gòu)力學(xué)方法的數(shù)值解法。

對于圓形斷面隧洞的等截面鋼筋混凝土襯砌，其結(jié)構(gòu)特征等同于嵌固于地層中的均質(zhì)彈性圓環(huán)。但是，采用鋼筋混凝土構(gòu)件拼裝的襯砌結(jié)構(gòu)，則必須考慮接縫的影響，主要是環(huán)形截面上的接縫；對于六邊形管片襯砌的管片環(huán)，原則上還應(yīng)考慮環(huán)與環(huán)之間錯縫安裝的影響。而考慮環(huán)形截面上的接縫影響時，襯砌結(jié)構(gòu)就不再是均質(zhì)彈性圓環(huán)；考慮環(huán)間錯縫影響時，則還需考慮彈性摩擦等作用。因此，六邊形管片襯砌的受力狀況較為復(fù)雜，準(zhǔn)確地計算較為困難。

針對由四塊弧形六邊形管片拼合組成的蜂窩狀襯砌結(jié)構(gòu)，計算中進行了必要的簡化：

1）不考慮環(huán)與環(huán)之間錯縫安裝的影響；

2）不考慮管片環(huán)外的豆礫石回填灌漿層的作用；

3）由六邊形管片的短邊構(gòu)成的縱向縫是傾斜的，但計算軸向力時假定其仍在環(huán)形截面的平面內(nèi)；

4）只考慮管片環(huán)形截面上接縫內(nèi)水泥灌漿的一部分作用。

為此對管片接頭處進行模擬接縫處理。模擬接縫，其實就是在不改變其他條件的情況下，對管片接頭位置的局部（極小）范圍內(nèi)的襯砌結(jié)構(gòu)作弱化處理，即在管片接頭所在位置的0.2°～0.3°范圍內(nèi)，改變了截面高度，從而使管片襯砌環(huán)形成了非勻質(zhì)的彈性圓環(huán)。接縫處模擬處理后，可使該處的內(nèi)力只要是彎矩，向其它截面轉(zhuǎn)移，重新分布。

2 接縫模擬值比較

雖然在預(yù)制混凝土管片襯砌環(huán)同隧洞開挖斷面之間的環(huán)形空間內(nèi)均進行了豆礫石回填和水泥灌漿。但是引黃工程隧洞的情況也不盡相同：南干線隧洞的橡膠止水條安裝在襯砌環(huán)的外側(cè)，灌漿時水泥漿不能順利進入管片接縫內(nèi)，這一情況就很難模擬；聯(lián)接段和北干線1號隧洞的橡膠止水條安裝在襯砌環(huán)的內(nèi)側(cè)，灌漿時接縫內(nèi)同時充滿了漿液，因此接縫傳遞彎矩的能力較強，且為對稱截面。在管片環(huán)形截面上的接縫內(nèi)的中央部位，含有一根直徑38mm的聚氯乙烯實心棒材（導(dǎo)向桿），經(jīng)過灌漿處理后，計算認(rèn)為它可以承受軸力和剪力。

模擬接縫設(shè)置在45°方向，其尺寸包含兩個指標(biāo)：一是接縫區(qū)域的長度，即對應(yīng)于某一圓心角的弧段長度；一是接縫區(qū)域的計算截面高度，具體見圖1。引黃北干1號隧洞在計算時，采用了4個尺寸進行模擬，具體見表1。通過某種工況的對比計算可知：改變模擬接縫的尺寸參數(shù)（包括不設(shè)模擬接縫），對彎矩計算結(jié)果影響較為明顯，在最大彎距面，模擬接縫可使彎距增加20%，但對結(jié)構(gòu)計算的剪力、軸向力影響較小，見表2，因此模擬接縫的作用是不容質(zhì)疑的。但當(dāng)采用同實際尺寸十分相近的模擬鉸時（表中“強”），對減小接縫處的彎矩作用不夠明顯。

圖1 模擬接縫示意圖

表1 引黃工程北干1號隧洞管片設(shè)計模擬接縫彎矩比較計算

由表中數(shù)據(jù)可知，采用模擬接縫法進行管片襯砌結(jié)構(gòu)計算，可以有效減小管片接頭處的彎矩值，符合襯砌結(jié)構(gòu)在管片接縫處由于不能配置鋼筋，因此傳遞彎矩能力減弱的實際情況；同時，模擬接縫對剪力和軸力影響又很小。

3 結(jié)構(gòu)計算

計算依據(jù)為原《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》（SD134-84）規(guī)定的結(jié)構(gòu)靜力計算方法，應(yīng)用水利部天津院和新疆院編制的水利水電程序集“隧洞襯砌內(nèi)力計算通用程序”。

表2 引黃工程北干1號隧洞管片設(shè)計模擬接縫剪力和軸力比較計算

選擇什么樣的模擬接縫是考慮的重點，管片襯砌環(huán)的縱向縫接觸良好時，可以選用較強的接縫模擬特征值；接觸較差、甚至很差時，宜選用較弱的接縫模擬特征值。針對引黃北干1號洞的實際情況，在計算時選擇α=0.2°，hs=6cm的模擬特征值。

采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計算，計算成果顯示：

①計算的環(huán)形截面上，最大彎矩位于頂拱中部（內(nèi)側(cè)受拉），次大彎矩位于側(cè)拱的腰部偏上（外側(cè)受拉）；

②位于45°線方向的管片接縫彎矩很少，為小偏心受壓，近似于軸心受壓，說明管片端部接頭位置亦處于受壓狀態(tài)；

③整個管片受力特征以偏心受壓為主，軸心壓力居于主導(dǎo)地位。

計算結(jié)果同該洞觀測數(shù)值基本一致。