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        一種采用環(huán)形鋼筋混凝土受彎構(gòu)件穿越溶洞的水工隧洞設計

        2022-10-18 13:32:04景孟旗馬國梁
        地下水 2022年5期
        關鍵詞:錨桿圍巖混凝土

        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。

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