李向東

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院 山西太原 030024）

水工隧洞的襯砌包括剛架、錨噴支護(hù)及鋼筋混凝土襯砌3種結(jié)構(gòu)型式。根據(jù)隧洞穿越的圍巖條件不同，在水工隧洞設(shè)計時，常采用2種或3種結(jié)構(gòu)型式組合，以達(dá)到施工安全和圍巖穩(wěn)定的目的。由于《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》中并未指導(dǎo)性地給出不同結(jié)構(gòu)型式所承受圍巖壓力等外荷載的比例，設(shè)計人員常忽視圍巖自承能力、噴錨支護(hù)對外荷載的分擔(dān)，造成襯砌結(jié)構(gòu)斷面尺寸和投資浪費、工期延長等不良后果。本文結(jié)合山西大水網(wǎng)建設(shè)情況，利用有限元分析工具，對水工隧洞（城門洞型）受力情況進(jìn)行了定性的探討。

1 隧洞工程特性及地質(zhì)情況

山西大水網(wǎng)某水工隧洞等別為Ⅲ等，建筑物為3級，環(huán)境類別為二類。采用城門洞型斷面，洞段主要穿過地層為黃綠色小竹葉狀灰?guī)r與泥質(zhì)條帶灰?guī)r互層夾厚層鮞狀灰?guī)r、泥質(zhì)條帶灰?guī)r，灰黃、黃白色厚層含隧石條帶白云巖。洞頂圍巖厚度10.0～100.0 m，部分洞段可能存在上層滯水，隧洞圍巖類別總體為Ⅳ類。圍巖堅固系數(shù)f=1～2.5，單位彈性抗力系數(shù)k0=100～300 MPa/m，飽和抗壓強(qiáng)度 Rc=10～20 MPa,泊松比 ν=0.32～0.35，變形模量0.5～2GPa。隧洞結(jié)構(gòu)圖見圖1。

2 結(jié)構(gòu)力學(xué)方法分析

圖1 隧洞結(jié)構(gòu)圖

噴錨支護(hù)在混凝土硬化的不同階段，受力是不同的，對結(jié)構(gòu)作用的貢獻(xiàn)也是不同的。采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法分析時，常將噴錨支護(hù)作為結(jié)構(gòu)的安全儲備，不考慮其對圍巖壓力的分擔(dān)作用。鋼筋混凝土襯砌所受的圍巖壓力，采用普氏塌落拱方法計算，各荷載計算結(jié)果見表1。

利用理正巖土系列5.5版隧洞襯砌設(shè)計按平面桿件對襯砌計算襯砌內(nèi)力，計算結(jié)果見圖2、圖3。

表1 荷載取值情況表

圖2 剪力圖（標(biāo)準(zhǔn)值） 單位：kN

圖3 彎矩圖（標(biāo)準(zhǔn)值） 單位：kN·m

3 有限元方法分析

利用midas GTS NX軟件，采用有限元計算方法，模擬在一個42m（高）×43m（寬）×30m（長）的圍巖脫離體中，開挖上文中的隧洞。將圍巖、錨桿、噴混凝土及二襯混凝土作為一個結(jié)構(gòu)整體，共同承受不同工況的外荷載。為總結(jié)普遍規(guī)律，忽略圍巖應(yīng)力場的影響。計算所采用的參數(shù)見表2。

表2 計算參數(shù)表

為了更好地模擬隧洞結(jié)構(gòu)實際受力情況，分析時考慮了施工不同階段結(jié)構(gòu)和圍巖間的相互作用。在建模中，對實際施工作業(yè)進(jìn)行歸納和簡化，并將施工程序輸入有限元模型進(jìn)行施工階段模擬和分析：每次掘進(jìn)2m，掘進(jìn)同時對上次掘進(jìn)2m打錨桿及掛網(wǎng)噴混凝土襯砌，完成全部噴混凝土襯砌后進(jìn)行二襯作業(yè)。

為與結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計算結(jié)果相比較，本文只分析完成隧洞襯砌后最終狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)及圍巖受力情況，列舉結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、應(yīng)力圖如圖4至圖9所示。

圖4 系統(tǒng)錨桿內(nèi)力圖（單位：kN）

圖5 噴混凝土彎矩圖（單位：kN·m/m）

圖6 噴混凝土剪力圖（單位：kN/m）

圖7 鋼筋混凝土襯砌彎矩圖（單位：kN·m/m）

圖8 鋼筋混凝土襯砌剪力圖（單位：kN/m）

圖9 圍巖應(yīng)力圖（單位：kPa）

4 結(jié)果分析

由于有限元分析方法考慮，將圍巖與錨桿形成的承載拱及噴混凝土作為承載結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，比結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計算結(jié)果偏小，二襯各節(jié)點荷載比較見表3。

根據(jù)表3可知，由錨桿和圍巖共同作用形成的圍巖承載拱對圍巖壓力具有一定的自承能力，分擔(dān)了約40%～60%的外荷載，而剩余的由隧洞結(jié)構(gòu)承受的荷載當(dāng)中，掛網(wǎng)噴混凝土襯砌與鋼筋混凝土襯砌的承載比例為20%～60%。

分析隧洞的成洞及應(yīng)力釋放過程可知，隧洞在開挖后初期變形量較大，造成最早形成的由錨桿加強(qiáng)的圍巖承載拱，首先在圍巖壓力作用下產(chǎn)生變形，而其次進(jìn)行的掛網(wǎng)噴混凝土襯砌在自身抗彎剛度范圍內(nèi)抵抗上述變形，并產(chǎn)生相應(yīng)的內(nèi)力。水工隧洞鋼筋混凝土襯砌施工時，圍巖應(yīng)力重分布基本完成，變形也基本達(dá)到最終狀態(tài)，因此其承受的內(nèi)力理論上小于噴錨一次支護(hù)的內(nèi)力。除承受由噴混凝土傳遞的外力所必須的厚度外，混凝土襯砌還應(yīng)根據(jù)規(guī)范和工程經(jīng)驗，考慮一定的尺寸余量，作為對地質(zhì)條件等不可預(yù)知不利因素的安全儲備。這與有限元分析的應(yīng)力和內(nèi)力結(jié)果是一致的，而與常規(guī)隧洞設(shè)計過程中忽視圍巖自承及噴錨支護(hù)作用、重視二次襯砌的理念相矛盾。

表3 節(jié)點荷載比較表

5 結(jié)論與建議

水工隧洞有限元設(shè)計分析充分展示了圍巖與錨桿形成的承載拱及掛網(wǎng)噴混凝土襯砌對結(jié)構(gòu)荷載的分擔(dān)作用。在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)充分利用噴錨支護(hù)施工速度快及開挖完成后可立即施工的優(yōu)點，適當(dāng)增大錨桿數(shù)量及掛網(wǎng)噴混凝土厚度，增加施工及運行過程中圍巖及結(jié)構(gòu)的安全性，縮短工期，降低工程投資。