劉 磊

(中電投電力工程有限公司大連分公司,遼寧大連 116000)

隧洞結(jié)構(gòu)工程特性及設(shè)計(jì)理論方法

劉 磊

(中電投電力工程有限公司大連分公司,遼寧大連 116000)

結(jié)合遼寧紅沿河核電廠(chǎng)取水隧洞工程實(shí)例,參閱其它工程資料,分析了隧洞結(jié)構(gòu)的工作特性?？紤]隧洞工程所處地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性以及施工方法的差異性,總結(jié)、歸納了隧洞在不同條件下適宜采取的計(jì)算模型及設(shè)計(jì)方法,以供類(lèi)似其它工程參考。

隧洞;工作特性;計(jì)算模型;設(shè)計(jì)方法

1 概述

隨著國(guó)家能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整,核電作為一種清潔能源已成為中國(guó)能源建設(shè)的發(fā)展方向。其中,取水工程為核電廠(chǎng)常規(guī)島冷卻水、核島安全廠(chǎng)用水和海水淡化系統(tǒng)提供海水。目前,國(guó)內(nèi)運(yùn)行及在建核電項(xiàng)目主要采取隧洞取水方案和明渠取水方案,在綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全、運(yùn)行維護(hù)、廠(chǎng)區(qū)總體布置和土石方平衡等因素后,多數(shù)核電廠(chǎng)采用隧洞取水方案。

以遼寧紅沿河核電廠(chǎng)取水隧洞工程為例,廠(chǎng)區(qū)規(guī)劃裝機(jī)容量為 6×1 000 MW級(jí)機(jī)組,分兩期建設(shè),一期建設(shè) 4臺(tái) 1 000 MW級(jí)的 CPR 1 000機(jī)組。取水工程主要為電廠(chǎng)常規(guī)島冷卻水、核島安全廠(chǎng)用水和海水淡化系統(tǒng)提供海水,每臺(tái)機(jī)組總的設(shè)計(jì)取水量為 50.1 m3/s。一期 4臺(tái)機(jī)組取水工程包括 1座取水建筑物和 4個(gè)取水隧洞。電廠(chǎng)廠(chǎng)址地形條件是北高南低,結(jié)合廠(chǎng)區(qū)總體布置,取水建筑物位于電廠(chǎng)北部約 1.0 km的天然小海灣內(nèi),取水隧洞從取水建筑物至 PX泵房。4個(gè)隧洞入口處的底標(biāo)高為 -9.70 m,隧洞出口處底標(biāo)高為 -10.2 m。1號(hào)隧洞長(zhǎng) 966 m,2號(hào)隧洞長(zhǎng) 979 m,兩隧洞中心間距約為 47.7 m,3號(hào)隧洞長(zhǎng) 1 037 m,4號(hào)隧洞長(zhǎng)1 051 m,兩隧洞中心間距約為 29.2 m。引水隧洞采用圓形斷面,直徑 5.5 m,采用鋼筋混凝土襯砌,襯砌厚度為 500mm。

根據(jù)紅沿河核電廠(chǎng)取水隧洞工程的設(shè)計(jì)、建造經(jīng)驗(yàn),參閱其它工程資料,下面論述隧洞結(jié)構(gòu)工程開(kāi)挖支護(hù)特性及設(shè)計(jì)理論方法,為后續(xù)其它工程提供參考。

2 隧洞結(jié)構(gòu)工作特性

在大量的隧洞工程建設(shè)實(shí)踐中,通過(guò)對(duì)隧洞工程的現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)、試驗(yàn)以及計(jì)算、認(rèn)為隧洞結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)有以下特點(diǎn)。

2.1 隧洞結(jié)構(gòu)在施工階段就進(jìn)入工作狀態(tài)

一般地面結(jié)構(gòu)是施工完成后才承受活載、風(fēng)載及自重等荷載,施工階段的荷載一般較小,而隧洞結(jié)構(gòu)是在受載狀態(tài)下構(gòu)筑的,施工過(guò)程中要承受?chē)鷰r垂直壓力和水平側(cè)向壓力。對(duì)于長(zhǎng)度較大的隧洞工程而言,隧洞工程應(yīng)該是一個(gè)空間結(jié)構(gòu)體系,因此,隧洞結(jié)構(gòu)在施工階段和使用階段有不同的工作狀態(tài)。

2.2 圍巖地質(zhì)條件對(duì)隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響很大

隧洞結(jié)構(gòu)的主要荷載是圍巖壓力,圍巖壓力與圍巖級(jí)別及工程性質(zhì)緊密相關(guān),徹底弄清圍巖的工程性質(zhì)是困難的。在隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中,常需要參考借鑒類(lèi)似工程的成功經(jīng)驗(yàn)。如果圍巖是很破碎的軟弱巖體,一般可以看成是破碎、松散的連續(xù)體,按松散體計(jì)算松散壓力或按連續(xù)介質(zhì)理論確定圍巖壓力;如果圍巖是較完整的巖體,則要按工程地質(zhì)方法確定圍巖壓力,此時(shí)特別要注意巖體結(jié)構(gòu)面的不利和有利的組合,這樣才能在安全條件下有效和經(jīng)濟(jì)地建造隧洞結(jié)構(gòu)。此外,隧洞結(jié)構(gòu)埋深不同,所處地質(zhì)構(gòu)造部位不同,原巖初始應(yīng)力也不同,初始應(yīng)力釋放將對(duì)隧洞工程的開(kāi)挖和穩(wěn)定產(chǎn)生很大影響。要特別注意的是,圍巖地質(zhì)條件在設(shè)計(jì)時(shí)只是一個(gè)概略的資料,施工過(guò)程才能逐步了解地質(zhì)狀態(tài),并且隨著時(shí)間的推移,由于受力狀態(tài)的變化,巖體還會(huì)流變,有地殼運(yùn)動(dòng)的因素,如地震等,都會(huì)使圍巖隨時(shí)間有明顯或不明顯的變化。

2.3 圍巖具有一定的自承載能力

隧洞結(jié)構(gòu)所處的圍巖不單純是對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生荷載,也是承擔(dān)荷載的組成部分。圍巖壓力由隧洞結(jié)構(gòu)和圍巖共同承擔(dān),圍巖有一定的自承載能力,不論在垂直方向或水平方向,圍巖均有一定的自穩(wěn)范圍和自穩(wěn)時(shí)間。隨著巖體類(lèi)型和構(gòu)造不同,其自穩(wěn)范圍和自穩(wěn)時(shí)間在一個(gè)很大的范圍內(nèi)變化。要充分利用或者改善圍巖的自穩(wěn)范圍和自穩(wěn)時(shí)間的大小,要做到這一點(diǎn),就要求圍巖產(chǎn)生一定的變形和一定范圍的塑性區(qū),同時(shí)要及時(shí)進(jìn)行支護(hù)。設(shè)計(jì)和施工者的任務(wù)就是將這一變形控制在允許范圍之內(nèi),完全不變形是不可能的,同時(shí)過(guò)大變形也會(huì)帶來(lái)支護(hù)的困難和造價(jià)的增高。充分發(fā)揮圍巖的自承載能力,是現(xiàn)在隧洞工程設(shè)計(jì)施工區(qū)別于傳統(tǒng)方法的根本點(diǎn),通過(guò)錨桿、錨索、噴射混凝土等對(duì)圍巖的加固是提高圍巖自承載能力的有效措施。

2.4 隧洞水的賦存狀態(tài)對(duì)隧洞結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)施工產(chǎn)

生巨大的影響

一般說(shuō)來(lái),隧洞水影響隧洞工程施工階段的結(jié)構(gòu)、人員的安全以及施工方法的選擇,而且?guī)?lái)隧洞工程運(yùn)行期間的防排水問(wèn)題,在很大程度上惡化圍巖級(jí)別及工程性質(zhì)。在設(shè)計(jì)和施工中要了解隧洞水的情況,注意隧洞水變化帶來(lái)的地層參數(shù)的變化,以及靜、動(dòng)水壓力的變化。

2.5 施工方法和施工時(shí)機(jī)對(duì)圍巖及隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)

的穩(wěn)定有制約作用

隧洞結(jié)構(gòu)是以隧洞空間代替巖體的承載結(jié)構(gòu),替代過(guò)程是在某種范圍和時(shí)間內(nèi)依賴(lài)圍巖的自承載力實(shí)現(xiàn)的,施工方法和施工時(shí)機(jī)能在很大程度上影響圍巖及隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定?？紤]到這種因素,在構(gòu)筑預(yù)期的隧洞結(jié)構(gòu)的過(guò)程中,尤其在軟弱、破碎圍巖當(dāng)中,要注意對(duì)圍巖的過(guò)度擾動(dòng)、限制超挖,要注意隧洞結(jié)構(gòu)與圍巖共同工作或者與輔助支護(hù)結(jié)構(gòu)、臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)共同作用,形成空間受力體系,以減少或控制變形,并注意構(gòu)成封閉的三向受力體系,稱(chēng)為“勤支護(hù) 、早封閉 、弱擾動(dòng)”,因此,隧洞結(jié)構(gòu)的施工步驟要有嚴(yán)格的工作程序和施作時(shí)間規(guī)定。

2.6 多期支護(hù)對(duì)改善隧洞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定有積極作用

開(kāi)挖早期適時(shí)進(jìn)行初期支護(hù),但支護(hù)剛度不大,以便圍巖產(chǎn)生一定的變形,在變形發(fā)展到一定水平后再進(jìn)行二次支護(hù),兩者支護(hù)措施共同構(gòu)成永久隧洞結(jié)構(gòu)。這種多次支護(hù)的方法能主動(dòng)控制圍巖的變形,改善作業(yè)空間環(huán)境,節(jié)約工程造價(jià)。

3 隧洞結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

工程設(shè)計(jì)必須建立在科學(xué)合理的力學(xué)模型基礎(chǔ)之上。隨著隧洞工程計(jì)算理論的發(fā)展,隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必需的計(jì)算模型有了其理論依據(jù),但具體計(jì)算模型的確定應(yīng)能反映以下情況:

a.盡可能反映結(jié)構(gòu)實(shí)際工作狀態(tài)以及圍巖與結(jié)構(gòu)的邊界關(guān)系,假定條件接近實(shí)際且不宜過(guò)多。

b.計(jì)算模型中有關(guān)參數(shù)應(yīng)該是能夠測(cè)定的、實(shí)用的,且受人為干擾的程度較小。

c.計(jì)算出的結(jié)果,如應(yīng)力、應(yīng)變等應(yīng)真實(shí)可靠,符合經(jīng)濟(jì)實(shí)用、安全合理原則。

d.荷載確定簡(jiǎn)單明確,荷載種類(lèi)符合結(jié)構(gòu)在施工和使用階段的實(shí)際情況。

e.計(jì)算模型適用范圍應(yīng)廣泛,具有普遍性,能被反復(fù)檢驗(yàn)。

由于隧洞工程所處地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性和施工方法的差異性,以某個(gè)理想的計(jì)算模型來(lái)適用于圍巖環(huán)境,對(duì)于隧洞工程來(lái)說(shuō)是較難實(shí)現(xiàn)的,必然會(huì)存在多種適用于各自圍巖條件的計(jì)算模型。

從隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐來(lái)看,隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的計(jì)算模型可以歸納為三大類(lèi):

第一類(lèi)“荷載 -結(jié)構(gòu)模型”,基于結(jié)構(gòu)力學(xué)的分析模型,圍巖對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生荷載,承載主體是襯砌結(jié)構(gòu),同時(shí)圍巖對(duì)結(jié)構(gòu)的變形有約束作用。

第二類(lèi)“圍巖 -結(jié)構(gòu)模型”,基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的分析模型,襯砌結(jié)構(gòu)對(duì)圍巖的變形起限制作用,承載主體是圍巖。

第三類(lèi)“收斂 -約束模型”,以連續(xù)介質(zhì)力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等理論為基礎(chǔ),結(jié)合實(shí)測(cè)、經(jīng)驗(yàn)的分析模型。

3.1 荷載 -結(jié)構(gòu)模型

這類(lèi)計(jì)算模型又稱(chēng)為結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算模型,其主要思想是,圍巖既對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生荷載又對(duì)結(jié)構(gòu)提供彈性支承作用,承載主體是襯砌結(jié)構(gòu),在考慮圍巖與結(jié)構(gòu)的相互作用的同時(shí)將圍巖與結(jié)構(gòu)分開(kāi)考慮,圍巖壓力按圍巖分類(lèi)法或有關(guān)實(shí)用計(jì)算公式計(jì)算,結(jié)構(gòu)截面內(nèi)力按彈性地基梁法或假定抗力法等方法計(jì)算,圍巖對(duì)隧洞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的貢獻(xiàn)主要體現(xiàn)在圍巖能以彈性支承的方式約束結(jié)構(gòu)的變形。圍巖的彈性約束作用越大(即圍巖的剛度越大或自承載能力越強(qiáng)),襯砌結(jié)構(gòu)受到的彈性抗力越大,襯砌結(jié)構(gòu)變形越小,同時(shí)圍巖壓力越小,作用于襯砌結(jié)構(gòu)的荷載也越小,襯砌結(jié)構(gòu)截面可以設(shè)計(jì)得很薄。相反,襯砌結(jié)構(gòu)受到的彈性抗力越小,襯砌結(jié)構(gòu)變形越大,同時(shí)圍巖壓力也越大,作用于襯砌結(jié)構(gòu)的荷載也越大,襯砌結(jié)構(gòu)截面則應(yīng)設(shè)計(jì)得很厚。這一計(jì)算模型的理論基礎(chǔ)就是上述彈性結(jié)構(gòu)階段的彈性連續(xù)拱形框架法。

當(dāng)圍巖被超挖、不回填或回填不密實(shí)時(shí),就可按不計(jì)圍巖抗力法計(jì)算,這種情況下沒(méi)有考慮圍巖與結(jié)構(gòu)的相互作用,因此與地面結(jié)構(gòu)一樣襯砌結(jié)構(gòu),可以自由變形。

當(dāng)圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)接觸緊密時(shí),就可按假定彈性抗力法或彈性地基梁法計(jì)算。按圍巖與結(jié)構(gòu)的相互作用的假定方法不同,可以分為局部理論計(jì)算法和共同變形理論計(jì)算法。

圖1為按荷載 -結(jié)構(gòu)模型計(jì)算襯砌結(jié)構(gòu)的計(jì)算簡(jiǎn)圖,其中圖 1(a)為不計(jì)圍巖抗力的計(jì)算簡(jiǎn)圖,襯砌結(jié)構(gòu)只受主動(dòng)圍巖壓力作用。圖 1(b)為按假定彈性抗力法的計(jì)算簡(jiǎn)圖,襯砌結(jié)構(gòu)除受主動(dòng)圍巖壓力作用外,還在左右兩側(cè)受到假定的被動(dòng)彈性抗力。圖 1(c)為按彈性地基梁法的計(jì)算簡(jiǎn)圖,彈性抗力用彈簧表示,抗力值須由計(jì)算得到。

圖1 荷載-結(jié)構(gòu)模型計(jì)算簡(jiǎn)圖

內(nèi)力的計(jì)算安全可以用結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法或位移法,但手算比較復(fù)雜,目前多數(shù)采用通用有限元軟件,如 SAP 2000、ANSYS等軟件,建模十分方便,計(jì)算結(jié)果也直觀(guān)快速。荷載 -結(jié)構(gòu)模型概念清晰、計(jì)算簡(jiǎn)便,在目前隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中仍被廣泛采用,尤其適用于圍巖因超挖或過(guò)分變形而發(fā)生松動(dòng)的情形,這類(lèi)結(jié)構(gòu)是主要承載體。

3.2 圍巖 -結(jié)構(gòu)模型

這類(lèi)計(jì)算模型又稱(chēng)為巖體力學(xué)模型,模型將襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖視為一個(gè)由兩種材料組成、在接觸邊界面處變形協(xié)調(diào)的統(tǒng)一連續(xù)體,認(rèn)為圍巖是主要承載體,襯砌結(jié)構(gòu)主要約束圍巖的變形,共同組成一個(gè)承載結(jié)構(gòu)體系,結(jié)構(gòu)與圍巖的應(yīng)力應(yīng)變按連續(xù)介質(zhì)原理及變形協(xié)調(diào)條件計(jì)算,因此也稱(chēng)為連續(xù)介質(zhì)力學(xué)計(jì)算模型。計(jì)算簡(jiǎn)如圖 2所示,一些圓形、矩形等斷面幾何形狀簡(jiǎn)單的襯砌結(jié)構(gòu)的彈性問(wèn)題、黏彈性問(wèn)題、彈塑性問(wèn)題都能得到解析解,但斷面幾何形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)以及材料本構(gòu)關(guān)系復(fù)雜的問(wèn)題很難獲得解析解,必須借助數(shù)值手段獲得。

目前,隨著一些處理功能強(qiáng)大的有限元軟件的開(kāi)發(fā),如 ANSYS、FLAC、3D-σ和 ADINA等軟件,使數(shù)值分析在越來(lái)越多的隧洞工程實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用,也為設(shè)計(jì)施工方案、方法確定發(fā)揮了積極的理論指導(dǎo)作用。顯然采用數(shù)值分析的圍巖 -結(jié)構(gòu)模型在任何場(chǎng)合都可以適用,主要的準(zhǔn)備工作就是確定各種材料本構(gòu)模型的參數(shù)以及圍巖初始應(yīng)力等條件。圍巖—結(jié)構(gòu)模型與目前一些先進(jìn)施工技術(shù)條件下隧洞結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)基本吻合,如錨噴支護(hù)、鋼架格柵支護(hù)等具有快速、密貼、早強(qiáng)等特點(diǎn),對(duì)限制圍巖的變形可以起到及時(shí)有效的約束作用,是充分發(fā)揮圍巖自承載力的一項(xiàng)有效措施,這正好符合圍巖 -結(jié)構(gòu)模型的特點(diǎn)。正因?yàn)槿绱?圍巖 -結(jié)構(gòu)模型成為目前運(yùn)用越來(lái)越廣泛的分析方法。

3.3 收斂 -約束模型

收斂 -約束模型又稱(chēng)特征曲線(xiàn)模型,是指利用圍巖的收斂特征曲線(xiàn)與襯砌結(jié)構(gòu)的支護(hù)特征曲線(xiàn)關(guān)系求出支護(hù)結(jié)構(gòu)的類(lèi)型和尺寸的計(jì)算模型。

圖2 圍巖-結(jié)構(gòu)模型計(jì)算簡(jiǎn)圖

收斂 -約束模型計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖 3,曲線(xiàn) 1為圍巖的收斂特征曲線(xiàn),按連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法得到,橫坐標(biāo)為洞壁位移 u,縱坐標(biāo)為襯砌對(duì)洞周?chē)鷰r的支護(hù)阻力 Pi,該曲線(xiàn)可理解為圍巖的支護(hù)需求曲線(xiàn);曲線(xiàn) 2為襯砌結(jié)構(gòu)的支護(hù)特征曲線(xiàn),由結(jié)構(gòu)力學(xué)方法得到的襯砌結(jié)構(gòu)受力變形關(guān)系曲線(xiàn),該曲線(xiàn)也可理解為襯砌結(jié)構(gòu)的支護(hù)補(bǔ)給曲線(xiàn)。

如果掌握了圍巖的收斂特征曲線(xiàn)和襯砌結(jié)構(gòu)的支護(hù)特征曲線(xiàn)以及施作襯砌結(jié)構(gòu)前已經(jīng)發(fā)生的初始自由變形 u0。那么兩曲線(xiàn)的交點(diǎn)縱坐標(biāo) Pimin為支護(hù)結(jié)構(gòu)上的最終圍巖變形壓力,交點(diǎn)橫坐標(biāo)為支護(hù)結(jié)構(gòu)的最終變形量。有了支護(hù)結(jié)構(gòu)的圍巖變形壓力后,可按一般結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法分析支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力,進(jìn)而設(shè)計(jì)截面尺寸。

在求解上述兩個(gè)特征曲線(xiàn)時(shí),一些斷面復(fù)雜的隧洞結(jié)構(gòu)很難得到解析解,必須采用數(shù)值方法,或者采用等效圓法作近似估算,等效圓半徑

式中,A為隧洞斷面面積。

因受力引起的變形位移是最容易被觀(guān)測(cè)的,因此位移分析的收斂 -約束模型具有很大的發(fā)展前景。在目前的隧洞工程建設(shè)實(shí)踐中,現(xiàn)場(chǎng)位移量測(cè)以及反饋分析普遍受到重視,當(dāng)然,收斂 -約束模型理論還有待進(jìn)一步發(fā)展和完善。

圖3 收斂約束模型計(jì)算簡(jiǎn)圖

4 隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

隧洞工程有關(guān)計(jì)算理論發(fā)展很快,計(jì)算手段越來(lái)越多,由于隧洞工程所處圍巖環(huán)境和工作狀態(tài)的特殊性,任何理論都不能取得十分滿(mǎn)意合理的結(jié)果。因此,與地面結(jié)構(gòu)那種偏重理論計(jì)算的設(shè)計(jì)方法不同,目前隧洞結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法仍然為半理論半經(jīng)驗(yàn)的局面,依賴(lài)于工程經(jīng)驗(yàn)。從國(guó)內(nèi)外隧洞工程的設(shè)計(jì)實(shí)例看,大致可概括為三種設(shè)計(jì)方法,即經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法、理論設(shè)計(jì)法和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)法。

4.1 經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法

經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法即工程類(lèi)比法,隧洞工程的基本特點(diǎn)是圍巖地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜,要取得準(zhǔn)確的地質(zhì)、圍巖參數(shù)和設(shè)計(jì)荷載參數(shù)等數(shù)據(jù),極其困難。一些施工技術(shù)的機(jī)理復(fù)雜,如錨噴支護(hù)等,其計(jì)算理論不太成熟。因此,在相當(dāng)長(zhǎng)的歷史時(shí)期內(nèi),經(jīng)驗(yàn)判斷對(duì)隧洞工程設(shè)計(jì)仍將起很大作用。

目前,在實(shí)際隧洞工程的支護(hù)設(shè)計(jì)往往采用工程類(lèi)比法,中國(guó)多數(shù)錨噴支護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范都明確規(guī)定錨噴支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)以工程類(lèi)比法為主。隧洞工程的工程類(lèi)比法設(shè)計(jì)程序:分析工程地質(zhì)情況;對(duì)擬建工程進(jìn)行圍巖分級(jí);以圍巖級(jí)別為依據(jù),按照有關(guān)規(guī)范中提供的參數(shù)表或類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),查出支護(hù)參數(shù),以此作為設(shè)計(jì)依據(jù)繪制施工圖。一些簡(jiǎn)單的巖石隧洞工程,其地質(zhì)條件清楚、斷面尺寸不大、斷面形狀不復(fù)雜時(shí),往往直接按工程類(lèi)比設(shè)計(jì)法選定結(jié)構(gòu)斷面形式及尺寸,繪制結(jié)構(gòu)施工圖?，F(xiàn)行的工程類(lèi)比設(shè)計(jì)往往都是一種半定量的設(shè)計(jì),即只給出支護(hù)參數(shù)范圍,設(shè)計(jì)者必須以豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)作出合理判斷,不能以安全保險(xiǎn)為目的選用最大值,否則就失去了類(lèi)比設(shè)計(jì)給出的一定范圍的價(jià)值,造成大量的浪費(fèi)。

4.2 理論設(shè)計(jì)法

工程類(lèi)比法簡(jiǎn)單易行,只要地質(zhì)條件吻合,設(shè)計(jì)可靠性也較高。但畢竟每個(gè)隧洞工程都有其不同的特殊性,如圍巖地質(zhì)條件不可能完全一致,因此工程類(lèi)比法的局限性是顯而易見(jiàn)的。目前,在中國(guó)的隧洞工程建設(shè)中即使采用工程類(lèi)比法,也要進(jìn)行理論驗(yàn)算,對(duì)于無(wú)經(jīng)驗(yàn)可參考的大跨度隧洞工程和洞群復(fù)雜的隧洞工程設(shè)計(jì),必須進(jìn)行理論計(jì)算甚至要進(jìn)行專(zhuān)門(mén)試驗(yàn)研究。

理論設(shè)計(jì)法就是以上述隧洞結(jié)構(gòu)計(jì)算模型為理論基礎(chǔ),根據(jù)地質(zhì)條件確定圍巖壓力,求出隧洞結(jié)構(gòu)內(nèi)力核算截面參數(shù)并繪制施工圖。其設(shè)計(jì)程序:分析工程地質(zhì)情況、對(duì)擬建工程進(jìn)行圍巖分級(jí)、選定結(jié)構(gòu)計(jì)算模型、初步擬定結(jié)構(gòu)截面尺寸、確定結(jié)構(gòu)所受的圍巖壓力、結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算、截面配筋設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗(yàn)算及安全性評(píng)價(jià)、繪制結(jié)構(gòu)施工圖。其中結(jié)構(gòu)計(jì)算模型選定是關(guān)鍵,要綜合考慮圍巖地質(zhì)特征、結(jié)構(gòu)形式、隧洞跨度、埋深、擬采用的施工方法等一系列因素,力求使計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際受力情況。

4.3 動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)法

眾所周知,隧洞工程設(shè)計(jì)由于地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、基礎(chǔ)信息缺乏,無(wú)論采用理論計(jì)算法還是工程類(lèi)比法,依據(jù)目前的技術(shù)水平,都不可能得到十分準(zhǔn)確的結(jié)果。另外,由于工期、經(jīng)費(fèi)、勘測(cè)手段等因素的限制,在開(kāi)挖前不可能將地質(zhì)信息等施工中可能出現(xiàn)的因素搞得十分清楚,而必須通過(guò)開(kāi)挖后所揭示的地質(zhì)條件對(duì)圍巖級(jí)別進(jìn)行再認(rèn)識(shí)和確定,所有這些將嚴(yán)重影響設(shè)計(jì)和施工決策的可靠性。設(shè)計(jì)文件中所擬定的斷面尺寸、結(jié)構(gòu)形式、支護(hù)參數(shù)、預(yù)留變形量和施工方法等設(shè)計(jì)參數(shù)不是一成不變的,需要在開(kāi)挖過(guò)程中重新評(píng)估和確認(rèn),必要時(shí)須做調(diào)整或修正。因此,隧洞工程的設(shè)計(jì)無(wú)法在開(kāi)工前就做到一步到位,這就是隧洞工程有別于其他土木工程的重要特征。因此,在目前在隧洞工程設(shè)計(jì)中,廣泛采用經(jīng)驗(yàn)借鑒、理論分析、現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)技術(shù)、信息反饋、超前預(yù)報(bào)和動(dòng)態(tài)調(diào)整相結(jié)合的所謂“動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)法”。

隧洞工程動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)法又稱(chēng)信息化設(shè)計(jì),與地面工程迥然不同,在隧洞工程的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)法中,勘察、設(shè)計(jì)、施工等諸環(huán)節(jié)之間有交叉、反復(fù)、變更等現(xiàn)象。在前期地質(zhì)調(diào)查和試驗(yàn)資料的基礎(chǔ)上,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)方法或通過(guò)理論計(jì)算進(jìn)行預(yù)設(shè)計(jì),初步選定支護(hù)參數(shù),然后根據(jù)預(yù)設(shè)計(jì)進(jìn)行施工。同時(shí),還須在施工過(guò)程中進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)、超前預(yù)報(bào),對(duì)量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行理論分析,獲得關(guān)于圍巖穩(wěn)定性和支護(hù)系統(tǒng)力學(xué)和工作狀態(tài)的信息,結(jié)合有關(guān)規(guī)范和經(jīng)驗(yàn),對(duì)預(yù)設(shè)計(jì)有關(guān)支護(hù)參數(shù)及施工方案進(jìn)行調(diào)整。這個(gè)過(guò)程是反復(fù)持續(xù)下去的動(dòng)態(tài)過(guò)程,即修改設(shè)計(jì)、再施工、再量測(cè)、再反饋,直到建成一個(gè)長(zhǎng)期穩(wěn)定的隧洞結(jié)構(gòu)體系。由此可見(jiàn),動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法與過(guò)去采用的一般設(shè)計(jì)方法相比,有了很大的改變。它不僅包括施工前的設(shè)計(jì),還包括施工過(guò)程中的設(shè)計(jì),即把過(guò)去截然分開(kāi)的施工和設(shè)計(jì)兩個(gè)階段融合為一體,構(gòu)成了一個(gè)完整的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)過(guò)程。這種方法并不排斥以往各種理論計(jì)算、經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比以及模型試驗(yàn)等設(shè)計(jì)法,而是“變孤軍奮戰(zhàn)為多兵種聯(lián)合作戰(zhàn)”,把它們最大限度地容納在自己的理論系統(tǒng)中,發(fā)揮其各種方法特有的優(yōu)勢(shì);變一步到位為多步調(diào)整,讓各種傳統(tǒng)方法在一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中不斷發(fā)揮作用。

5 結(jié)論

實(shí)踐表明,隧洞工程特別適合采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)法,因?yàn)橐话闼矶垂こ潭酁榫€(xiàn)狀結(jié)構(gòu)物,不僅可以通過(guò)已成隧洞采取地質(zhì)素描與攝影、工程測(cè)量、隧洞水位觀(guān)測(cè)、位移應(yīng)力監(jiān)測(cè)等手段獲得圍巖的基本信息,還可以通過(guò)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、地球物理探測(cè)等先進(jìn)技術(shù)手段探測(cè)開(kāi)挖面前方的圍巖情況。因此,采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)法,在開(kāi)挖過(guò)程中進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工調(diào)整,能夠較好的滿(mǎn)足工程建設(shè)的需求。

[1] 關(guān)寶樹(shù).隧道工程施工要點(diǎn)集[M].北京:人民交通出版社,2003.

[2] 關(guān)寶樹(shù).隧道工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)集[M].北京:人民交通出版社,2003.

[3] 覃仁輝.隧道工程[M].重慶:重慶大學(xué)出版社,2001.

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[5] 關(guān)寶林.隧道及地下工程噴混凝土支護(hù)技術(shù)[M].北京:人民交通出版社,2009.

[6] 李圍.隧道及地下工程 ANSYS實(shí)例分析[M].北京:水利水電出版社,2008.

Discussion on operational factors and design methods of tunneling project

LIU Lei
(Dalian Subsidiary of CPIPower Engineering Co.,Ltd,Dalian 116000,China)

In accordancewith the intake tunnel project in Hongyanhe Nuclear Power Plant and other information,this paper analyzes the operational factors of tunnel structure.In view of the complexity of geological environment and the difference of construction,computingmodels and design methods,as a reference for other projects,under different conditionsare summarized.

tunnel;operational factors;computingmodel;design method

TU271.1

A

1002-1663(2010)02-0118-05

2010-01-14

劉 磊(1982-),男,大連理工大學(xué)土木工程專(zhuān)業(yè)畢業(yè),主要從事核電工程土建結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)管理工作,助理工程師。

(責(zé)任編輯 侯世春)