郝明

（遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧沈陽(yáng)110006）

錨噴襯砌在長(zhǎng)距離城門(mén)洞形引水隧洞中的應(yīng)用

郝明

（遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧沈陽(yáng)110006）

對(duì)于城門(mén)洞形隧洞襯砌計(jì)算，目前均采用《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的邊值數(shù)值解法，或通過(guò)隧洞襯砌計(jì)算軟件SDCAD計(jì)算。該方法對(duì)于小斷面城門(mén)洞形隧洞，按照邊值法計(jì)算后，即使圍巖條件較好的洞段采用鋼筋混凝土襯砌，仍需采用雙層配筋，對(duì)長(zhǎng)距離引水工程來(lái)說(shuō)，投資較大。因此，通過(guò)ANSYS有限元法和邊值數(shù)值解法進(jìn)行對(duì)比計(jì)算分析，對(duì)于小斷面城門(mén)洞形隧洞襯砌進(jìn)行優(yōu)化，以集安供水工程為例，主要論證Ⅱ、Ⅲ類(lèi)圍巖采用錨噴襯砌的可行性，有效節(jié)省投資。

引水隧洞；城門(mén)洞形；錨噴襯砌；ANSYS；有限元分析

0 前言

隧洞的斷面形式分為小斷面和大斷面，大斷面寬度20 m以上，小斷面寬度2 m以下，但在國(guó)內(nèi)小斷面的長(zhǎng)距離輸水隧洞工程實(shí)例還較少，本文以集安供水工程為例，主要研究長(zhǎng)距離小斷面城門(mén)洞形引水隧洞的襯砌優(yōu)化在工程投資中的作用，對(duì)于城門(mén)洞形隧洞襯砌計(jì)算，目前均采用《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》[1-2]規(guī)定的邊值數(shù)值解法，或通過(guò)隧洞襯砌計(jì)算軟件SDCAD計(jì)算，但計(jì)算結(jié)果仍需采用雙層配筋，這對(duì)長(zhǎng)距離引水工程無(wú)疑是一種較大的投資，本文通過(guò)ANSYS有限元法和邊值數(shù)值解法進(jìn)行對(duì)比計(jì)算分析，對(duì)于小斷面城門(mén)洞形隧洞襯砌進(jìn)行優(yōu)化[3]，論證Ⅱ、Ⅲ類(lèi)圍巖采用錨噴襯砌的可行性。

1 工程概況

集安供水工程位于吉林省集安市境內(nèi)，引水隧洞全長(zhǎng)14.6 km，為有壓隧洞，斷面為城門(mén)洞形，成洞洞徑為2.4 m×2.2 m（寬×高，其中直墻高1.0 m，圓拱高1.2 m），設(shè)計(jì)年供水量3400萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)水頭為60 m。本工程主要建筑物引水隧洞級(jí)別為3級(jí)，次要建筑物如施工支洞、生產(chǎn)輔助用房等級(jí)為4級(jí)。

引水隧洞地形地貌屬長(zhǎng)白山南延龍崗山脈侵蝕斷褶中低山地形，洞室埋深多在90 m以上。隧洞穿越的地層巖性較簡(jiǎn)單，主要為侏羅紀(jì)侵入花崗巖，硬質(zhì)巖，巖體微風(fēng)化~新鮮巖為主，節(jié)理較發(fā)育~不發(fā)育，多閉合，無(wú)充填，巖體完整性差~較完整，巖體呈鑲嵌結(jié)構(gòu)~次塊狀結(jié)構(gòu)。隧洞圍巖類(lèi)別以Ⅱ、Ⅲ類(lèi)為主，其中Ⅱ類(lèi)~Ⅴ類(lèi)所占比例分別為25.5%、64.4%、3.5%、6.7%。

2 隧洞襯砌計(jì)算

本工程初步設(shè)計(jì)階段擬采用鋼筋混凝土襯砌，混凝土強(qiáng)度指標(biāo)為C30，其中Ⅱ、Ⅲ類(lèi)圍巖襯砌厚度為250 mm，襯砌長(zhǎng)度為13.12 km，考慮到小斷面隧洞襯砌施工的難度及節(jié)約工程投資、縮短工程工期，在實(shí)際施工過(guò)程中，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)揭露出的圍巖及監(jiān)控量測(cè)結(jié)果，對(duì)隧洞Ⅱ、Ⅲ類(lèi)圍巖襯砌形式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)（見(jiàn)表1）

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)表

2.2 鋼筋混凝土襯砌計(jì)算

2.2.1 計(jì)算方法及計(jì)算程序

根據(jù)《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》SL279-2016對(duì)隧洞襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算的規(guī)定，對(duì)Ⅱ、Ⅲ類(lèi)圍巖的隧洞襯砌結(jié)構(gòu)宜采用邊值法。程序計(jì)算采用《SDCAD5.0》，由中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司編制的隧洞襯砌計(jì)算程序[4-5]。襯砌初選厚度為250 mm，混凝土標(biāo)號(hào)采用C30，鋼筋采用HRB400。

2.2.2 彎矩圖及配筋

圖1圓拱直墻形受力圖（Ⅱ類(lèi)圍巖）

圖2圓拱直墻形受力圖（Ⅲ類(lèi)圍巖）

Ⅱ類(lèi)圍巖計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)圖1，Ⅲ類(lèi)圍巖計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)圖2。

從圖1、2可以看出，對(duì)于圓拱直墻型斷面來(lái)說(shuō)，底部?jī)蓚€(gè)直角位置的彎矩、剪力值均較大，且正負(fù)彎矩均存在較大值；拱頂位置彎矩貢獻(xiàn)作用較大，根據(jù)邊值法計(jì)算均需配雙層鋼筋，配筋量與襯砌量計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表2。

2.3 ANSYS有限元對(duì)比分析

2.3.1 基于ANSYS有限元錨噴襯砌計(jì)算

（1）分析步驟

表2 城門(mén)洞形隧洞Ⅱ、Ⅲ類(lèi)圍巖襯砌配筋表

建立ANSYS的二維計(jì)算模型，圍巖采用PLANE42單元模擬，錨噴襯砌結(jié)構(gòu)采用BEAM3單元模擬。隧洞圍巖邊界取10倍以上洞徑[6]，而ANSYS中加載，首先施加初始加速度荷載，加速度為9.81m/s2。根據(jù)規(guī)范規(guī)定施加外荷載，其中包括，襯砌自重、內(nèi)水壓力、外水壓力、回填灌漿壓力，施加邊界約束條件。

雖然通過(guò)邊值法（或結(jié)構(gòu)力學(xué)法）計(jì)算城門(mén)洞形斷面各類(lèi)圍巖段均需配置雙層筋[7-8]，但考慮集安供水工程壓力隧洞洞頂以上圍巖厚度均大于90 m，不存在內(nèi)水外滲、滲透失穩(wěn)和環(huán)境問(wèn)題，因此考慮將鋼筋混凝土襯砌優(yōu)化成錨噴襯砌，通過(guò)ANSYS有限元計(jì)算錨噴襯砌是否滿(mǎn)足穩(wěn)定、位移、強(qiáng)度要求。也主要分析Ⅱ、Ⅲ類(lèi)圍巖，物理力學(xué)參數(shù)參見(jiàn)表1。

（2）錨噴襯砌參數(shù)選擇

Ⅱ類(lèi)圍巖：噴50 mm厚的混凝土，局部可加設(shè)Φ22錨桿。

Ⅲ類(lèi)圍巖：噴80 mm厚的混凝土，頂拱布設(shè)局部錨桿Φ22，入巖長(zhǎng)度為1.5 m，局部頂拱掛網(wǎng)Φ8@150 mm×150 mm。

圖3斷面位移控制結(jié)點(diǎn)圖

圖4Ⅱ類(lèi)圍巖斷面位移矢量圖

圖5Ⅱ類(lèi)圍巖斷面位移云圖

圖6Ⅲ類(lèi)圍巖斷面位移矢量圖

圖7Ⅲ類(lèi)圍巖斷面位移云圖

2.3.2 位移穩(wěn)定分析

對(duì)斷面進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，?4個(gè)單元，24個(gè)結(jié)點(diǎn)，斷面位移控制結(jié)點(diǎn)詳見(jiàn)圖3。通過(guò)斷面上各結(jié)點(diǎn)的位移分析，錨噴襯砌后各類(lèi)圍巖斷面頂部沉降位移和底部隆起位移最大。斷面在100 m埋深工況下的拱頂最大沉降位移分別為：城門(mén)洞型斷面為Ⅱ類(lèi)圍巖中為0.110 mm，Ⅲ類(lèi)圍巖中為2.5 mm。底部隆起位移詳見(jiàn)圖4、圖6。圖5、圖7為洞室開(kāi)挖后的位移分析圖，從圖中可以清楚地看出洞室開(kāi)挖后各處位移趨勢(shì)。

從圖中可以看出兩類(lèi)斷面錨噴完后水平位移相對(duì)豎向位移很小，隧洞開(kāi)挖后變形趨勢(shì)為頂部沉降、底部鼓起、側(cè)向收縮。各類(lèi)斷面洞周位移趨勢(shì)基本一致，頂拱處和底板中心處位移最大，而且位移值均在許可的范圍之內(nèi)。

根據(jù)《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》DL/T5195-2004中11.1.2節(jié)規(guī)定，對(duì)II類(lèi)及部分III類(lèi)圍巖宜采用不承載的混凝土襯砌，考慮II類(lèi)、III類(lèi)圍巖條件較好，初期支護(hù)后滿(mǎn)足穩(wěn)定要求，因此主洞斷面II類(lèi)、III類(lèi)圍巖采用錨噴襯砌作為永久支護(hù)結(jié)構(gòu)是合理的。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）根據(jù)《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》的邊值數(shù)值解法，Ⅱ、Ⅲ類(lèi)需雙層配筋，通過(guò)有限元計(jì)算，Ⅱ、Ⅲ類(lèi)圍巖洞段，經(jīng)過(guò)錨噴支護(hù)后，水平位移和豎向位移很小，基本能滿(mǎn)足穩(wěn)定要求。

（2）對(duì)于小斷面長(zhǎng)距離城門(mén)洞形引水隧洞，圍巖條件較好洞段，當(dāng)滿(mǎn)足覆蓋巖體不上抬、不發(fā)生水力劈裂和滲透失穩(wěn)破壞時(shí)，采用錨噴襯砌不僅在技術(shù)上可行，而且經(jīng)濟(jì)效益明顯，可大幅度縮減工期。

[1]中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì).DL/T5195.2004.水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)電力出版社.

[2]中華人民共和國(guó)水利部.SL279-2016水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京.中國(guó)水利水電出版社.

[3]陸莉娜,呂燕.直墻半圓拱導(dǎo)流洞襯砌結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào).2013.11(6).

[4]胡本雄.有壓小斷面長(zhǎng)隧洞斷面形式的比較分析.中國(guó)農(nóng)村水利水電[J].（2005）09-0097-02.

[5]侯華梁,張輝.小斷面長(zhǎng)引水隧洞襯砌綜合施工技術(shù).水利科技與經(jīng)濟(jì)[J].2013.10(19)110~113.

[6]邵潮鑫,沈振中.基于ANSYS的隧洞襯砌有限元分析配筋法研究.南水北調(diào)與水利科技[J].2014,08(12)116~119.

[7]楊曉娟,漆文邦,鄭俊等.中小型水電站非圓形有壓隧洞襯砌配筋計(jì)算.水利發(fā)電[J].2012,01(38)27~29.

[8]任旭華,李同春,陳祥榮.錦屏二級(jí)水電站深埋引水隧洞襯砌及圍巖結(jié)構(gòu)分析.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)[J].2001,01(20)16~19.

Application of Bolting&Shotcrete and Lining in Long Distance City-gate Shaped Water Tunnel

Hao Ming
（LiaoningProvincial Water resources and hydropower surveyand design institute Shenyang110006,Liaoning）

For lining calculation of the city-gate shaped tunnel,the boundary value numerical method specified by the "Design Code for Hydraulic Tunnels"is used at present,or the tunneling calculation software SDCAD.For the small-section gates-shaped tunnel,it is calculated by the boundary value method.Even if the tunnel section with good surrounding rock is reinforced with reinforced concrete lining,the double reinforcement is still needed.For long distance water diversion project,it is investment in vast.Therefore,through compare ANSYS finite element method to the boundary value numerical method for calculating and analyzing,for the small section gates,its lining is optimized,for an example of the water supply works,it mainly discusses classⅡandⅢsurrounding rock that they are executed by the bolting and shotcrete and lining method and is effective savingofinvestment.

Diversion tunnel,city-gate tunnel,boltingand shotcrete and lining,ANSYSand finite element analysis

TV672.1

B

1673-9000（2017）03-0107-03

2017-01-25

郝明（1985-），男，遼寧沈陽(yáng)人，工程師，主要從事水利工程、結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)及管理方面工作。