張敬博，張文強，劉 輝

(1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌712100； 2.濟寧市規(guī)劃設(shè)計研究院，山東 濟寧272000；3.昆明市官渡區(qū)水務(wù)局，云南 昆明650031)

0 引言

當(dāng)前世界各國都開展了各種大型的水利工程建設(shè)，我國的水利行業(yè)也在蓬勃發(fā)展[1]。水利行業(yè)的發(fā)展是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵，農(nóng)業(yè)水利工程的發(fā)展在很大程度上影響水利行業(yè)的整體發(fā)展[2]。隨著農(nóng)業(yè)水利工程的快速發(fā)展，農(nóng)田輸水隧洞的建設(shè)規(guī)模越來越大，建設(shè)條件也日趨復(fù)雜，隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計理論和方法也隨之快速發(fā)展。以新奧法為基礎(chǔ)進行設(shè)計和施工的隧洞復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)就是一種新型支護結(jié)構(gòu)，相對于傳統(tǒng)隧洞支護理論，復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)理論認(rèn)為圍巖和襯砌聯(lián)合承載，圍巖既是產(chǎn)生圍巖壓力的主體，又是承擔(dān)這一壓力的結(jié)構(gòu)主體。但是對于隧洞復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)中初次支護與二次襯砌聯(lián)合承載時的荷載分擔(dān)問題，并沒有一個明確的認(rèn)識。目前國內(nèi)外對隧洞復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計大多是通過工程類比結(jié)合一定的結(jié)構(gòu)計算分析綜合確定[3]。孫振宇等[4]對3種不同協(xié)同作用的復(fù)合支護結(jié)構(gòu)進行解析，得出基于支護承載能力曲線的隧道復(fù)合支護結(jié)構(gòu)安全評價方法。曹生榮等[5]以南水北調(diào)穿黃隧洞為工程背景，分析墊層預(yù)應(yīng)力復(fù)合襯砌的盾構(gòu)輸水隧洞受力特點。梁娟等[6]對猴子巖水電站導(dǎo)流隧洞進行結(jié)構(gòu)分析，得出洞身采用復(fù)合式襯砌，既能滿足施工期的安全，又能滿足導(dǎo)流洞正常運行且安全可靠的結(jié)論。謝小玲等[7]通過對穿黃隧洞襯砌進行模型仿真試驗，研究分析無墊層襯砌段、有墊層襯砌段兩種不同結(jié)構(gòu)的受力特性。楊光華等[8]對盾構(gòu)隧洞復(fù)合襯砌在高內(nèi)水壓力的情況下采用荷載結(jié)構(gòu)法，分別計算圍巖、各層襯砌結(jié)構(gòu)單獨承擔(dān)內(nèi)水壓力時徑向位移與內(nèi)水壓力關(guān)系，確定出復(fù)合襯砌各自分擔(dān)的內(nèi)水壓力。

對于隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計，SL279—2016《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》中明確規(guī)定：當(dāng)圍巖條件較差，襯砌需要的厚度過大時，可采用外層為混凝土或鋼筋混凝土、內(nèi)層為錨噴支護的組合式雙層襯砌，即復(fù)合襯砌[9]。由于復(fù)合襯砌受力狀態(tài)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)形式特殊，因此在設(shè)計時可認(rèn)為初期支護僅起到施工階段臨時支護的作用，由二次襯砌承受全部荷載；也可認(rèn)為荷載將由初期支護和二次襯砌以一定比例共同承擔(dān)。無論是初次支護還是二次襯砌，其承擔(dān)的荷載大小都與其剛度成正比，但過分增大初期支護或二次襯砌的剛度也是不經(jīng)濟的[3]。因此，在進行復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需要根據(jù)工程實際情況，提出既能滿足結(jié)構(gòu)安全性要求又能兼顧經(jīng)濟性要求的設(shè)計。

基于前人的研究經(jīng)驗，本文以云南臨滄市某無壓輸水隧洞為例，參考JTG D70—2004《公路隧道設(shè)計規(guī)范》，采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法，按照初期支護和二次襯砌以7∶3的荷載分擔(dān)比例進行復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算，通過分析研究結(jié)構(gòu)設(shè)計成果并從中得到一些有用結(jié)論，以期對同類型的輸水隧洞設(shè)計施工具有一定的指導(dǎo)意義和參考價值[10]。

1 工程簡況

研究對象為城門洞型無壓隧洞，洞段總長3 089 m，隧洞底坡1∶500。根據(jù)不同隧洞沿線的水文及工程地質(zhì)情況，將隧洞分段采用不同的襯砌形式。開挖段地質(zhì)描述：隧洞所處地帶巖性基本為層狀砂巖夾硅質(zhì)砂巖、砂礫巖；其風(fēng)化嚴(yán)重，受地質(zhì)構(gòu)造影響，節(jié)理、裂隙發(fā)育，地下水活動頻繁，時常洞壁及頂拱潮濕、滲水、滴水等；開挖時，常見頂拱及邊墻塌落、掉塊等地質(zhì)超挖現(xiàn)象，隧洞沿線總體上屬于Ⅳ～Ⅴ類不穩(wěn)定巖體，也有部分洞段為Ⅰ～Ⅲ類圍巖。

隧洞支護參數(shù)一般采用工程類比法進行確定。對于Ⅰ～Ⅲ類圍巖，由于巖體自身穩(wěn)定性好，具有很高的承載能力，故不再進行結(jié)構(gòu)計算分析；而對于Ⅳ～Ⅴ類不穩(wěn)定巖體則應(yīng)該在工程類比的基礎(chǔ)上開展結(jié)構(gòu)驗算工作。

本文僅就工程中Ⅳ類圍巖條件下隧洞進行洞身斷面復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計，并根據(jù)荷載-結(jié)構(gòu)法對二次襯砌進行結(jié)構(gòu)運算，并驗算其穩(wěn)定性。

2 隧洞復(fù)合襯砌設(shè)計

隧洞斷面設(shè)計為城門洞型無壓隧洞，經(jīng)過水利計算，確定隧洞斷面尺寸為高3 200 mm、寬3 600 mm、拱高1 800 mm。依據(jù)隧洞沿線不同水文及工程地質(zhì)條件，擬將隧洞分段采用不同的襯砌形式。對于Ⅳ類圍巖隧洞段，根據(jù)工程經(jīng)驗擬定初次支護采0.2 m厚C20混凝土噴錨支護，錨桿為Φ25錨桿，沿隧洞拱圈均布；二次襯砌采用0.3 m厚C20鋼筋混凝土支護。其中，二次襯砌C20鋼筋混凝土的配筋情況根據(jù)結(jié)構(gòu)計算確定。Ⅳ類圍巖隧洞襯砌結(jié)構(gòu)如圖1所示。具體指標(biāo)如表1所示。

圖1 Ⅳ類圍巖隧洞襯砌結(jié)構(gòu)

表1 圍巖及襯砌材料物理力學(xué)指標(biāo)

3 二次襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算

3.1 圍巖壓力計算

圍巖壓力為隧洞開挖后圍巖變形或塌落作用在支護上的壓力。目前，確定圍巖壓力的方法有松散介質(zhì)理論(普氏理論)、圍巖壓力系數(shù)法(水利規(guī)范建議計算法)和彈塑性理論法等，本文分別采用松散介質(zhì)理論和圍巖壓力系數(shù)法計算圍巖壓力，結(jié)構(gòu)計算取其中大值。圍巖壓力計算成果如表2所示。

表2 隧洞圍巖壓力計算結(jié)果

3.2 外水壓力計算

外水壓力是地下水頭引起的，規(guī)范規(guī)定外水壓力是作用在襯砌外表面的邊界力。外水壓力對無壓隧洞通常起控制作用，而對有壓隧洞則有對內(nèi)水壓力抵消的作用[11]。由于影響地下滲流的因素較多，因此，外水壓力的值通常無法準(zhǔn)確確定。常用的方法是將地下水面以上的水柱高乘以折減系數(shù)β作為外水壓力值。該方法簡單方便，在工程上一直廣泛應(yīng)用(雖然近似粗略)。外水壓力計算結(jié)果如表3所示。

表3 隧洞外水壓力計算結(jié)果

3.3 隧洞襯砌自重計算

襯砌自重是指沿隧洞軸線1 m長的襯砌自重，均勻作用于襯砌厚度的平均線上。單位面積上的自重強度g為

g=γc·h

(1)

式中γc—襯砌材料的容重

h—包括超挖在內(nèi)的襯砌厚度

隧洞襯砌厚度為300 mm，襯砌材料(鋼筋混凝土)容重為24 kN/m3，因此，隧洞襯砌自重為g=0.3 m×24 kN/m3=7.2 kN/m2。

3.4 其他荷載

作用于隧洞襯砌結(jié)構(gòu)上的其他荷載還包括灌漿壓力、地震力、溫度荷載等。本次計算僅考慮圍巖壓力、水壓力及隧洞襯砌自重這3種主要荷載，而不考慮灌漿壓力、溫度應(yīng)力、地震荷載等作用。

4 內(nèi)力計算結(jié)果及分析

根據(jù)上述方法，分別計算以下兩種工況下的隧洞二次襯砌混凝土內(nèi)力：第1種是考慮初期支護與二次襯砌結(jié)構(gòu)共同承載且承載比例為7∶3工況；第2種是未考慮初期支護與二次襯砌聯(lián)合承載，即外荷載完全由二次襯砌獨自承擔(dān)工況。兩種工況下二次襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算結(jié)果對比如表4所示。

表4 隧洞各截面內(nèi)力計算結(jié)果對比

根據(jù)隧洞各截面在未考慮初期支護與二次襯砌聯(lián)合承載和考慮二者共同承載兩種工況下的彎矩、軸力計算結(jié)果，繪制出彎矩及軸力圖，如圖2所示。

圖2 Ⅳ類圍巖內(nèi)力圖

根據(jù)表4結(jié)果，考慮支護及二襯共同受力及未考慮兩者共同受力的軸力隨截面的變化趨勢如圖4所示。

由表4、圖3可以看出：當(dāng)考慮初期支護與二次襯砌聯(lián)合承載且承載比例為7∶3時，最大彎矩出現(xiàn)在拱頂處，最大軸力出現(xiàn)在直墻墻角處，彎矩最大值為4.05 kN·m，軸力最大值為44.10 kN；當(dāng)不考慮二次襯砌與初期支護共同承載時，此時全部的外荷載由二次襯砌獨自承擔(dān)，屬于危險工況，二次襯砌內(nèi)力較大，最大彎矩同樣發(fā)生在拱頂處、最大軸力也發(fā)生在直墻墻角處，彎矩最大值為6.25 kN·m，軸力最大值為62.67 kN。兩種不同算法的彎矩值最大值差2.2 kN·m，考慮初期支護與二次襯砌聯(lián)合承載比不考慮兩者共同受力彎矩值減少35.20%。由軸力隨截面的變化趨勢可知，未考慮支護及二襯共同受力的軸力趨勢線始終處于考慮支護及二襯共同受力的軸力趨勢線上方，兩條線基本處于平行狀態(tài)。0號截面處未考慮支護及二襯共同受力的軸力為21.56 kN，考慮支護及二襯共同受力的軸力為11.05 kN，兩種不同算法的差值為10.51 kN，軸力值減小約48.74%。5號截面處未考慮支護及二襯共同受力的軸力為47.44 kN，考慮支護及二襯共同受力的軸力為28.62 kN，兩種不同算法的差值為18.82 kN，軸力值減小39.67%。10號截面處未考慮支護及二襯共同受力的軸力為62.67 kN，考慮支護及二襯共同受力的軸力為44.10 kN，兩種不同算法的差值為18.57 kN，軸力值減小29.63%。對比上述兩種工況下的二次襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力，在考慮初期支護與二次襯砌聯(lián)合承載工況下，最大彎矩值減小35.20%，最大軸力值減小約48.74%；兩種工況下，彎矩與軸力都是對稱分布的，這是由于隧洞計算模型及荷載的對稱性。

圖3 軸力隨截面變化趨勢

為了保證隧洞結(jié)構(gòu)安全性，取上述兩種工況中最危險工況，即在進行應(yīng)力驗算時不考慮初期支護的承擔(dān)荷載，此時所有外荷載都由二次襯砌承擔(dān)[12]。不考慮初期支護與二次襯砌聯(lián)合承載時彎矩、軸力計算成果，根據(jù)材料力學(xué)中的應(yīng)力計算公式得出二襯混凝土的內(nèi)、外側(cè)拉應(yīng)力及壓應(yīng)力，計算結(jié)果表明：最大拉應(yīng)力為362 kN/m2，出現(xiàn)在拱頂處，遠小于C20混凝土的允許拉應(yīng)力937.65 kN/m2；最大壓應(yīng)力為615 kN/m2，出現(xiàn)在直墻墻頂附近，小于C20混凝土的允許壓應(yīng)力7 692.5 kN/m2。由此可知，使用30 cm厚的C20混凝土襯砌能夠滿足隧洞安全需求。

5 結(jié)論

(1)圓拱直墻隧洞的二次襯砌結(jié)構(gòu)受力不均勻。其最大彎矩發(fā)生在拱頂處，最大軸力發(fā)生在直墻墻角處。其中，軸力呈半橢圓形分布，彎矩和軸力圖都是對稱的，這是由于計算模型和荷載分布都是對稱的。

(2)對比分析考慮支護及二襯共同受力及未考慮兩者共同受力兩種工況，在考慮初期支護與二次襯砌聯(lián)合承載工況下，最大彎矩值相比未考慮兩者共同受力時減小35.20%，最大軸力值減小約48.74%。通過對襯砌最危險工況的驗算，在進行無壓隧洞復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計時，考慮初次支護與二次襯砌聯(lián)合承載并按照7：3的荷載承擔(dān)比例進行結(jié)構(gòu)設(shè)計計算是安全的，也更符合工程實際。