景孟旗，馬國梁

(陜西省水工程勘察規(guī)劃研究院，陜西 西安 710003)

0 引言

隨著我國水利、交通建設的蓬勃發(fā)展，建設過程中會遇到大量隧洞，隧洞施工過程中會遇到各種不同的地質(zhì)問題，其中巖溶及地下水是經(jīng)常的問題，一般的小型溶洞通常采用回填處理的方式，但是對于地下暗河頂部發(fā)育的溶洞，回填會影響地下暗河的過流能力，且溶洞發(fā)育較大時，回填量巨大，因此本文結(jié)合工程實例，提出一種局部處理后，采用洞身作為受力結(jié)構(gòu)跨越溶洞的處理方式。

1 隧洞工程概況

本文所述隧洞為貴州一大型水利工程總干渠中的隧洞，為減少水頭損失，采用無壓流。隧洞穿越烏蒙山脈，全長15 760 m，大部分洞段地下水位在洞線以上100～180 m位置，最大埋深超過300 m，屬深埋長隧洞，為增強隧洞的抗外水壓力能力，采用圓形斷面。設計輸水流量35 m3/s，選用C25鋼筋混凝土襯砌，按照圍巖類別不同采用不同的襯砌厚度，Ⅲ、Ⅳ類圍巖段襯砌厚400 mm，Ⅴ類圍巖段襯砌厚500 mm，隧洞坡降1/3 000，最大外水壓力水頭180 m，隧洞內(nèi)設計水深3.9 m，設計流速1.8 m/s。

隧洞初期支護根據(jù)圍巖類別不同采用不同的支護型式：

Ⅲ類圍巖洞段采用隨機錨桿作臨時支護，Φ25隨機錨桿長3 m，上部180°范圍內(nèi)噴C20混凝土，厚度6 cm。

對Ⅳ類圍巖洞段采用系統(tǒng)錨桿掛網(wǎng)噴C20混凝土作臨時支護，噴C20混凝土厚6 cm，Φ25系統(tǒng)錨桿間排距1.5 m，根長3.0 m，掛網(wǎng)鋼筋Φ8@250。

對Ⅴ類圍巖洞段采用鋼支撐加系統(tǒng)錨桿掛網(wǎng)噴C20混凝土作臨時支護，鋼支撐間距0.5 m，噴C20混凝土厚10 cm，Φ25系統(tǒng)錨桿間排距1.5 m，根長3.0 m，掛網(wǎng)鋼筋Φ8@250。

隧洞施工過程中遇到的不良地質(zhì)情況主要有：(1)涌水；(2)涌泥；(3)斷層破碎帶；(4)巖爆；(5)瓦斯洞段。隧洞在地質(zhì)條件明顯變化處(如斷層、破碎帶等部位)及襯砌形式變化處等位置設置伸縮縫，縫內(nèi)設銅片止水帶；其它地質(zhì)條件單一處根據(jù)施工設備的不同，每10～12 m設一條施工縫，縫中設BW-Ⅱ止水條。

隧洞共設6條施工支洞，加上進出口，一共14個工作面。

隧洞2#施工支洞下游開挖至樁號6+110附近時遇到溶洞，溶洞為裂隙性溶洞，走向與隧洞走向近直交，溶洞最大寬度13 m左右，最窄處3 m左右。洞內(nèi)鐘乳石較發(fā)育，無充填，溶洞中部發(fā)育一平臺，左側(cè)底部有水流，水量約為200 L/s，為暗河系統(tǒng)。

溶洞沿洞軸線方向跨度約13 m，施工中在6+110～6+122段隧洞左側(cè)擴挖后作為臨時施工通道，臨時渡過該溶洞區(qū)域。

圖1 隧洞平面走向及溶洞發(fā)育情況示意圖

后續(xù)處理過程中，該段隧洞襯砌斷面與原設計斷面相同，采用圓形斷面，內(nèi)半徑2.7 m，采用C25鋼筋混凝土襯砌，溶洞段圍巖類別為Ⅴ類圍巖，襯砌厚度500 mm。溶洞發(fā)育情況及其與隧洞關系詳見示意圖(圖1～圖3)。

圖2 隧洞橫斷面及溶洞發(fā)育情況示意圖

圖3 隧洞縱剖面及溶洞發(fā)育情況示意圖

2 隧洞結(jié)構(gòu)設計

2.1 橫斷面設計計算

2.1.1 洞身所受荷載類型

隧洞襯砌結(jié)構(gòu)設計計算中考慮的荷載有：(1)山巖壓力；(2)襯砌自重；(3)圍巖彈性抗力；(4)外水壓力；(5)內(nèi)水壓力；(6)回填灌漿壓力。

計算工況分運行期、施工期或檢修期。

運行期所受荷載：(1)山巖壓力+(2)襯砌自重+(3)圍巖彈性抗力+(4)外水壓力+(5)內(nèi)水壓力。

施工期或檢修期所受荷載：①山巖壓力+②襯砌自重+③圍巖彈性抗力+④可能的最大外水壓力(⑥回填灌漿壓力)兩者中取大值；

2.1.2 荷載計算公式

(1) 山巖壓力：(薄層狀及碎裂散體結(jié)構(gòu))

①垂直山巖壓力(標準值)：

qvk=(0.2～0.3)γRB

(1)

②側(cè)向山巖壓力：

qhk=(0.05～0.1)γRH

(2)

式中：B為隧洞開挖寬度，m；H為隧洞開挖高度，m；γR為圍巖容重，kN/m3；qvk為垂直山巖壓力，kPa；qhk為側(cè)向山巖壓力，kPa；

(2) 襯砌自重

襯砌自重，可按初步確定的襯砌斷面積，乘上襯砌長度1 m，求得襯砌的體積，再乘以襯砌材料的容重，就得到襯砌的自重。

(3) 圍巖彈性抗力

彈性抗力系數(shù)K=100 K0/r，單位MN/m3，其中K0為單位彈性抗力系數(shù)，單位MPa/cm，r為開挖洞徑，單位cm。

(4)內(nèi)、外水壓力

本工程中隧洞為無壓隧洞，內(nèi)水壓力按最大水深計。

外水壓力(地下水壓力)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的邊界力。

(5)灌漿壓力

初擬回填灌漿壓力 0.3 MPa，根據(jù)《水工隧洞的設計理論和計算》一書，灌漿壓力大小可按灌漿時壓力計讀數(shù)的1～1/3倍折減。

2.1.3 計算結(jié)果

根據(jù)上文不同工況的荷載組合以及計算公式，計算所得的荷載結(jié)果見表1。

表1 不同工況荷載組合表

采用上述不同工況下的荷載組合，用理正軟件進行計算，算得的隧洞橫斷面所需鋼筋面積為1 364 mm2，橫斷面鋼筋型式選用C20@200。

2.2 縱斷面設計計算

2.2.1 洞身所受荷載及計算跨度

縱向設計計算時，洞身所受荷載與橫斷面配筋計算相同。

跨溶洞段縱向按簡支模型計算，計算跨度取1.05倍凈跨以及凈跨與支座寬度之和中的較小者。

2.2.2 配筋計算公式

本工程中縱向配筋計算簡化為簡支梁結(jié)構(gòu)計算內(nèi)力，按照環(huán)形截面受彎構(gòu)件進行正截面承載力計算。計算公式如下：

αfcA+(α-αt)fyAs=0

(3)

(4)

αl=1-1.5α

式中：M為截面彎矩設計值；A為環(huán)形截面面積，mm2；As為全部縱向鋼筋截面面積，mm2；r1、r2為環(huán)形截面內(nèi)、外半徑，mm；rs為縱向鋼筋所在圓周半徑，mm；a為受壓區(qū)面積與全截面面積的比值；at為縱向受拉鋼筋截面面積與全部縱向鋼筋截面面積的比值，當a>2/3時，取at=0。

根據(jù)以上公式，環(huán)形截面受彎構(gòu)件正截面承載力計算過程為(試算法)：首先，假定截面縱向鋼筋截面面積As(即假定所配縱向鋼筋直徑d、間距s)，然后由公式(3)求解a值，再帶入公式5，得出at值，最后再根據(jù)公式4計算出縱向鋼筋截面面積As，與假定值相比，如果兩者相差較多，則重復以上計算，直到求出的As與假定As接近為止。

2.2.3 計算結(jié)果

按照上文計算公式及過程，進行縱向鋼筋試算，試算結(jié)果見表2。經(jīng)試算，假定的縱向鋼筋面積為37 200 mm2時，計算結(jié)果接近假設面積，實際采用不小于37 200 mm2，縱向鋼筋型式選用C25@200。

結(jié)合橫向及縱向配筋計算結(jié)果，橫向鋼筋型式選用C20@200，縱向鋼筋型式選用C25@200。

表2 縱向鋼筋試算結(jié)果

3 結(jié)語

(1)我國的基礎建設仍在如火如荼的發(fā)展，建設過程中會不斷遇到各種新的挑戰(zhàn)，只有不斷總結(jié)經(jīng)驗，才能為今后的工程建設提供借鑒。

(2)本文所述的這種結(jié)構(gòu)兼有常規(guī)渡槽和隧洞的特點，既承受較大橫向荷載，又承受較大的縱向荷載，該結(jié)構(gòu)在之前的工程中并不常見，可為今后同類工程提供借鑒，對于跨越較大溶洞的隧洞可避免大規(guī)模回填，對于跨越地下河流的隧洞則可避免回填阻礙地下水流流通。同時，本結(jié)構(gòu)也可供受力情況類似的結(jié)構(gòu)參考。