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水工隧洞襯砌結(jié)構(gòu)加固方案探討

徐嵐

（上海市水利工程集團(tuán)設(shè)計(jì)有限公司（上海友為工程設(shè)計(jì)有限公司），上海200093）

針對(duì)厄瓜多爾TP水電站二級(jí)壓力隧洞末端143倉（樁號(hào)8+432.00）混凝土襯砌結(jié)構(gòu)檢測強(qiáng)度不足，提出了加固措施探討。本文通過方案比選，最終結(jié)合工程實(shí)際選定采用加厚襯砌結(jié)構(gòu)，并通過有限元計(jì)算進(jìn)行論證分析，計(jì)算表明結(jié)構(gòu)滿足工程安全要求。

引水隧洞；襯砌結(jié)構(gòu)；加固措施；有限元計(jì)算

水電站引水發(fā)電壓力隧洞為地下結(jié)構(gòu)，開挖后破壞了原來巖體內(nèi)的應(yīng)力平衡，引起應(yīng)力重分布，導(dǎo)致圍巖產(chǎn)生變形甚至崩塌，為此，常需設(shè)置臨時(shí)支護(hù)和永久性襯砌。鋼筋混凝土襯砌應(yīng)用最廣，適用于中等地質(zhì)條件、斷面較大、水頭及流速較高的工況。

1 工程簡介

TP水電站二級(jí)壓力隧洞從Toachi大壩取水到Alluriquín電站的上調(diào)壓井，隧洞全長8.7km。隧洞起始點(diǎn)底面高程954.80m，終點(diǎn)底面高程780.0m，底部縱坡約2%。隧洞內(nèi)直徑5.60m,鋼筋混凝土襯砌。0~3km襯砌厚度為0.3m，3~8.7 km襯砌厚度為0.35m。143倉段位于二級(jí)壓力隧洞末端，143倉洞段圍巖二級(jí)壓力隧洞樁號(hào)8+432 m處，其巖石類別為II類。143倉洞段襯砌設(shè)計(jì)厚度0.35m，混凝土強(qiáng)度35MPa，配置2層鋼筋φ28@200。施工完成后混凝土檢測強(qiáng)度分別為：26.68MPa（右邊墻，樁號(hào)8+432.90），24.17MPa（右邊墻，樁號(hào)8+430），28.00MPa（底板，樁號(hào)8+ 432.90），21.06MPa（底板，樁號(hào)8+432），30.39 MPa（右邊墻，樁號(hào)8+430），26.74MPa（左邊墻，樁號(hào)8+432）。其平均強(qiáng)度約為（26.68+24.17+28.00+ 21.06+30.39+26.74）/6=26MPa，小于設(shè)計(jì)強(qiáng)度35 MPa，為了保證隧洞安全，需對(duì)143倉段襯砌進(jìn)行加固處理。

2 加固方案

混凝土強(qiáng)度不足對(duì)結(jié)構(gòu)的承載力、裂縫控制及耐久性產(chǎn)生不利影響，目前國內(nèi)外對(duì)混凝土強(qiáng)不足的處理措施主要有直接加固法、間接加固法及綜合加固法。其中直接加固法主要有增大截面法、外包鋼材法、錨貼鋼板法、黏貼纖維法、外加預(yù)應(yīng)力法、混凝土置換法。

綜合該項(xiàng)目施工環(huán)境及工期要求，綜合比選鋼襯法、黏貼纖維法及增大截面法：

1）鋼襯加固法可以改善襯砌結(jié)構(gòu)安全和防滲能力，增加襯砌抵抗內(nèi)水壓力的能力，是圓形隧洞常用的加固措施之一。143倉段處于壓力隧洞末端，其外水壓力較大，需解決好鋼襯與混凝土接觸面及鋼襯起始段的止水措施，防止鋼襯因外水壓力而發(fā)生失穩(wěn)破壞。

2）黏貼纖維法是用膠粘劑將纖維布或纖維板等復(fù)合材料粘貼到構(gòu)件需要加強(qiáng)的部位，常用于承受靜力作用下的受彎或受拉構(gòu)件。加固時(shí)可選用玻璃纖維、芳綸纖維、玄武巖纖維或碳纖維材料。

3）增大截面法系采用與原結(jié)構(gòu)相同的材料增大混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面面積，同時(shí)增配鋼筋，從而提高其承載力、剛度的一種直接加固方法。

此項(xiàng)目鋼襯生產(chǎn)周期較長，黏貼纖維法應(yīng)用于水工隧洞項(xiàng)目較少，綜合該項(xiàng)目施工特點(diǎn)采用施工方法成熟的增大截面法。將已建成的襯砌內(nèi)表面鑿毛，掛網(wǎng)φ6mm@150mm×150mm，噴混凝土0.15m，要求新噴的混凝土強(qiáng)度不低于平均檢測強(qiáng)度26MPa。加固方案見圖1。

圖1 加固方案圖

3 加固計(jì)算

3.1 基本資料

1）地質(zhì)資料：巖石類別為Ⅱ類；巖體質(zhì)量指標(biāo)RMRd為74；巖石地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI為69；巖石質(zhì)量分類系統(tǒng)Q為28；巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度UCS為73MPa；巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD為78%；巖石的變形模量Erm為26GPa；泊松比v為0.23。

2）材料特性：混凝土，指定混凝土抗壓強(qiáng)度fc′= 35MPa，彈性模量E=27806MPa；鋼筋，ASTM A615，G60，抗壓強(qiáng)度fy=420MPa，E=200000MPa。

3）壓力隧洞特征水位：隧洞運(yùn)行時(shí)需要經(jīng)受住最大、最小水位和水擊引起的水壓力，運(yùn)行最低水位為965.0m，運(yùn)行最高水位為970.0m，發(fā)生水擊時(shí)最高涌浪水位為1001.93m。

3.2 計(jì)算方法

計(jì)算采用三維有限元軟件ANSYS以襯砌作為承載主體，采用平面應(yīng)變模式進(jìn)行計(jì)算。圍巖與襯砌的相互作用使用只有壓縮作用的彈簧COMBINE39單元模擬（當(dāng)承受拉力時(shí)彈簧將失效）。襯砌斷面尺寸見圖2，計(jì)算中取4個(gè)應(yīng)力監(jiān)測控制斷面，見圖2。

彈簧的強(qiáng)度通過下列公式計(jì)算：

圖2 襯砌截面（尺寸單位：m）

式中：Kn——彈簧的剛度，kN/m3；Erm——巖石的變形模量，kN/m2；R——圓弧段半徑，m；v——泊松比；B——直線段長度，m。

3.3 設(shè)計(jì)荷載組合及荷載系數(shù)

對(duì)于襯砌的設(shè)計(jì)，將采用EM1110-2-2901規(guī)范中表9.1中規(guī)定的4個(gè)荷載組合和相應(yīng)的荷載系數(shù)?？紤]的荷載組合見表1。

表1 設(shè)計(jì)荷載組合及荷載系數(shù)表

對(duì)表1中除自重外的各項(xiàng)荷載說明如下：

1）巖石壓力Pv

襯砌周圍的巖石壓力用下式計(jì)算：

式中：γ——巖石的重度；Deq（1-RMR/100）——巖石荷載高度，參見USACE《巖石隧洞與豎井工程設(shè)計(jì)手冊》（EM1110-2-2901）7-2c，RMR為巖體質(zhì)量指標(biāo)；Deq——隧洞的等值直徑，Deq=為壓力洞的開挖橫斷面面積。

2）運(yùn)行靜水壓力（內(nèi)水壓力）

指的是工作時(shí)的正常的內(nèi)水壓力（970.00m），減去在工作的正常條件下的最小的外水壓力。采用襯砌的內(nèi)部水壓力。

3）瞬態(tài)靜水壓力

指的是當(dāng)閥門突然關(guān)閉甩負(fù)荷時(shí)，如發(fā)生水擊的瞬間內(nèi)壓減去最小外壓。調(diào)壓井中波動(dòng)的最高涌浪水位線在1001.93m高程處，從這個(gè)點(diǎn)開始畫一條直線和大壩正常水位線相連（965.00m），確定沿隧洞超壓的數(shù)值。

4）外部靜水壓力

指的是當(dāng)隧洞放空時(shí)，作用在隧洞上的最大外部靜水壓力。對(duì)于荷載組合U3，隧洞頂部承受3倍隧洞直徑長的水柱作用。對(duì)于荷載組合U4，研究隧洞快速放空時(shí)的截面承載能力，假定外水壓力作用在混凝土—巖石界面上，其數(shù)值等于從大壩運(yùn)行水位（965.00m）開始測量的內(nèi)水壓力。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果得出：斷面的拉應(yīng)力受U1荷載組合控制，壓應(yīng)力受U4荷載組合控制，U2及U3荷載組合均不是控制工況。

3.4 鋼筋混凝土襯砌設(shè)計(jì)

鋼筋混凝土襯砌的設(shè)計(jì)是根據(jù)ACI318-11和EM1110-2-2104設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)完成，并且應(yīng)該滿足條件：φMn≥Mu；φVn≥Vu；φPn≥Pu。

其中：Mn為界面界面的名義抗彎強(qiáng)度，Nm；Mu為截面的計(jì)算抗彎強(qiáng)度，Nm；Vn為橫截面的名義抗剪強(qiáng)度，N；Vu為截面的計(jì)算剪力，N；Pn為截面名義軸向抗力強(qiáng)度；Pu為截面軸力設(shè)計(jì)值；此處φ為強(qiáng)度折減系數(shù)，按照ACI318-11的規(guī)定采用：抗拉強(qiáng)度折減系數(shù)φ=0.9，剪切強(qiáng)度折減系數(shù)φ= 0.75，抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)φ=0.65。

對(duì)于此次計(jì)算中過水?dāng)嗝鏋閳A形的襯砌，在受徑向壓力作用時(shí)，產(chǎn)生的內(nèi)力以沿環(huán)向的Pu為主。根據(jù)此受力特點(diǎn)，計(jì)算中可忽略彎矩的影響。

1）核算襯砌的軸向壓縮

襯砌中軸向壓縮的公式如下：

式中：fc′——指定混凝土的抗壓強(qiáng)度；ρ——拉力鋼筋配筋率；ρ′——壓區(qū)鋼筋配筋率；Ag——混凝土截面的總面積；b——截面寬度；d——從壓縮末端纖維到縱向受拉鋼筋重心的距離。

2）核算襯砌的軸向拉伸

為了抵抗襯砌的軸拉，加固鋼筋吸收所有的負(fù)荷并且完全的忽略混凝土抗拉強(qiáng)度。

式中：σi，σo——計(jì)算斷面1~4每個(gè)斷面內(nèi)、外點(diǎn)處應(yīng)力；As——計(jì)算鋼筋面積，mm2。

3）核算截面的剪力

φVn≥Vu

橫截面的名義抗剪強(qiáng)度由有以下關(guān)系式定義：

只考慮承受彎曲和剪切的因素，混凝土的強(qiáng)度計(jì)算公式：

考慮到承受軸壓縮，混凝土的強(qiáng)度計(jì)算公式：

考慮到承受軸拉力，混凝土的強(qiáng)度計(jì)算公式：

在這個(gè)表達(dá)式中Nu對(duì)于拉力是負(fù)的，Vc不能小于0。

抗剪強(qiáng)度與剪力鋼筋有如下關(guān)系：

式中：Vc——混凝土抗剪強(qiáng)度，N；Vs——計(jì)算鋼筋抗剪強(qiáng)度，N；bw——抗剪截面的寬度；Nu——最大軸力；Av——橫截面的抗剪鋼筋的面積；S——橫向鋼筋的間隔；τi，τ0——計(jì)算斷面1~4每個(gè)斷面內(nèi)、外點(diǎn)處應(yīng)力。

4計(jì)算結(jié)果分析

以4個(gè)應(yīng)力監(jiān)測斷面計(jì)算出的內(nèi)力最大值Pu|max、Vu|max進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以U1工況截面最大拉力確定配筋面積，以U4工況截面最大壓力復(fù)核所配截面抗壓承載力。隧洞襯砌計(jì)算結(jié)果匯總表見表2。

由表2可見，在各個(gè)荷載組合作用下，隧洞襯砌的抗力均大于作用力，滿足上述規(guī)范的要求。因此，采用掛網(wǎng)噴混凝土0.15m，新噴的混凝土強(qiáng)度不低于平均檢測強(qiáng)度26MPa的處理方案，能夠保證襯砌結(jié)構(gòu)安全。

［1］中國水電顧問集團(tuán)公司.水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)（2003年修訂版）［M］.北京：中國水電顧問集團(tuán)公司，2003.

表2 隧洞襯砌計(jì)算結(jié)果匯總表

［2］ACI318M-11.BuildCodeCequirementsforStructural ConcreteandCommentary［S］.AmericanConcrete Institute，2004．

［3］EM1110-2-2901，EngineeringandDesighTUNNELS ANDSHAFTSINROCK《巖石隧洞與豎井工程設(shè)計(jì)手冊》［S］.Washington,DC:DepartmentoftheArmyU. S.ArmyCorpsofEngineers，1997.

［4］徐有鄰，顧祥林.混凝土結(jié)構(gòu)工程裂縫的判斷與處理［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010：148.

［5］ASTMA-615.StandardSpecificationforDeformedand PlainCarbon-SteelBarsforConcreteReinforcement［S］. WestConshohocken,PA:ASTMInternational，2016.

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