廣西桂西北治旱百色水庫灌區(qū)銀屯～凡平隧洞襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計

周懷瑜

摘 要：通過對高壓力淺埋深的銀屯～凡平隧洞襯砌結(jié)構(gòu)進行穩(wěn)定計算分析，得出在隧洞圍巖覆蓋厚度滿足和不滿足規(guī)范要求洞段、穿越斷層洞段，需分別采用不同型式的襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計。通過利用隧洞CAD進行設(shè)計計算，同時利用理正軟件進行驗算，建立隧洞模型，對其施加荷載并計算得到應(yīng)力分布與變形分布圖。計算結(jié)果表明：二次支護的配筋采用小直徑小間距的方式，并在以滿足正常使用極限狀態(tài)的要求以及采用鋼襯+鋼筋混凝土襯砌的結(jié)構(gòu)設(shè)計，降低鋼筋配置密度，減少內(nèi)水外滲風險，解決覆蓋層厚度不足及隧洞穿越斷層的問題。

關(guān)鍵詞：隧洞;淺埋深;高壓力;襯砌結(jié)構(gòu)

1 工程概況

廣西桂西北治旱百色水庫灌區(qū)是百色水利樞紐的配套工程。灌區(qū)位于百色市右江河谷內(nèi)，范圍涉及百色市的右江區(qū)、田陽縣和田東縣，設(shè)計灌溉面積59.2萬畝，為大（2）型灌區(qū)。百色水庫灌區(qū)工程的施工總工期為48個月，總干管銀屯～凡平隧洞，施工總工期為30個月。

銀屯～凡平隧洞目線路總長為2264m，其中隧洞總長2236m，前連接鋼管段長2m，后連接鋼管段長10m。銀屯～凡平隧洞為百色水庫灌區(qū)百色水庫引水部分總干管的首部工程，控制百色水庫引水部分全部灌溉面積共39.2萬畝，約占百色灌區(qū)工程灌溉面積的66%。隧洞設(shè)計流量即百色灌區(qū)總干管口設(shè)計流量6.60m3/s。銀屯～凡平隧洞單項工程的隧洞、輸水管道的建筑物級別為4級[1]。

2 工程總布置

（1）隧洞規(guī)模

銀屯～凡平隧洞為百色水庫灌區(qū)百色水庫引水部分總干管的首部工程，控制百色水庫引水部分全部灌溉面積共39.2萬畝，約占百色灌區(qū)工程灌溉面積的66%。隧洞設(shè)計流量即百色灌區(qū)總干管口設(shè)計流量6.60m3/s。

（2）隧洞縱、橫斷面

ZG0+917m前段隧洞縱坡為0.8%，后段隧洞縱坡根據(jù)隧洞出口高程確定為2%，隧洞縱坡滿足上下游銜接、施工及檢修要求。

總干管的管徑為2.8～2.2m，銀屯～凡平隧洞所處區(qū)段的洞（管）徑為2.8m，故銀屯～凡平隧洞徑確定為2.8m。

（3）洞線布置

隧洞進口位于銀屯副壩東北側(cè)的山坳底部，距離約400m，隧洞出口位于凡平村西側(cè)，距離約220m。

銀屯～凡平隧洞段長度為2251m，進口連接段鋼管長3m，出口連接段鋼管長25m，其中10m長的下彎段位于隧洞內(nèi)，15m長的上彎段位于隧洞出口以外。銀屯～凡平隧洞線路總長為2269m。

3 隧洞洞身支護襯砌設(shè)計

隧洞洞身段以Ⅳ類為主，局部為Ⅲ，Ⅴ類圍巖為兩處斷層處。根據(jù)圍巖類別不同，分別采用不同的襯砌類型[2]。

①Ⅳ類圍巖洞段

Ⅳ類圍巖洞段開挖斷面采用“城門洞”斷面，開挖斷面底寬3.8m，高3.7m。二次支護全斷面采用C25鋼筋混凝土襯砌，厚度400mm，根據(jù)不同的內(nèi)水壓力段按Φ16@200～Φ22@150配筋;

②Ⅲ類圍巖洞段

Ⅲ類圍巖洞段開挖斷面采用“城門洞”斷面，開挖斷面底寬3.6m，高3.7m。

二次支護全斷面采用C25鋼筋混凝土襯砌，厚度400mm，由于Ⅲ類圍巖與Ⅳ類圍巖分界不明顯，交替出現(xiàn)，且占比較小，其配筋按不同壓力段與相近Ⅳ類圍巖洞段配筋相同。

③Ⅴ類圍巖洞段

Ⅴ類圍巖洞段為2處穿越斷層洞段。根據(jù)地質(zhì)勘查表明Fz02-1斷層為平移逆斷層，斷層影響帶寬約15m;Fz02為平移逆斷層，斷層影響帶寬約24m，斷層影響帶巖體破碎，巖體完整性差，圍巖極不穩(wěn)定，存在涌水突泥的可能。二次支護全斷面采用C25鋼筋混凝土襯砌，厚度500mm，按Φ18@200配筋;由于斷層影響帶圍巖穩(wěn)定性差，屬Ⅴ類圍巖，圍巖抗力小，抗?jié)B能力差，為防止隧洞運行期滲透失穩(wěn)和水力劈裂，引起隧洞結(jié)構(gòu)破壞并嚴重影響上部環(huán)境，在襯砌內(nèi)側(cè)布置1道鋼板內(nèi)襯，鋼板厚度為δ=16mm。

為使隧洞襯砌與鋼管可實現(xiàn)聯(lián)合受力，鋼襯與混凝土間襯砌之間進行接觸灌漿。隧洞鋼板內(nèi)襯主要承受內(nèi)水壓力，混凝土襯砌承受外壓，鋼板內(nèi)襯焊縫為“三類焊縫”。為增強鋼板內(nèi)襯承受外壓能力鋼板外側(cè)布置，間距為0.5m×0.5m（環(huán)向×縱向）直徑為Φ16的錨筋。

4 隧洞襯砌計算

襯砌采用中南院開發(fā)的《水工隧洞鋼筋混凝土襯砌SDCAD4.0》軟件進行計算，同時采用北京理正軟件股份有限公司開發(fā)的《理正巖土計算6.5PB2版 隧道襯砌計算軟件》進行同步驗算復核。計算工況分別為正常運行、完建、檢修、地震等4種工況，各工況的荷載組合詳見表4-1。

根據(jù)隧洞的地質(zhì)條件，覆蓋巖體厚度，以及不同的地下水位線深度，分別選取了分別選取3個隧洞典型斷面進行內(nèi)力及配筋復核計算，斷面特性及計算參數(shù)見表4-2，隧洞受力計算簡圖見圖4-1，隧洞內(nèi)力結(jié)果示意圖見圖4-2～4，隧洞襯砌配筋計算成果見表4-3。

本工程隧洞洞線地質(zhì)條件均以Ⅳ類圍巖為主，隧洞進出口段為Ⅴ類圍巖，且洞身穿沖溝段及進、出口段巖石覆蓋厚度不足，為避免隧洞內(nèi)水外滲，對周邊山體穩(wěn)定產(chǎn)生影響，因此隧洞鋼筋混凝土襯砌不僅應(yīng)進行承載力極限狀態(tài)計算，還應(yīng)進行正常使用極限狀態(tài)驗算。本工程隧洞襯砌結(jié)構(gòu)所出環(huán)境類別為“二”類，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最大裂縫寬度限值為ωlim=0.3mm。

根據(jù)表4-3計算成果，圍巖覆蓋層滿足要求的洞段，隧洞襯砌自上游往下游內(nèi)水壓力逐漸增大，所需配置的鋼筋由Φ16@200～Φ22@150，最大裂縫寬度滿足規(guī)范要求。隧洞進、出口段為Ⅴ類圍巖，在不設(shè)鋼襯的情況下，為避免隧洞產(chǎn)生過大的裂縫造成內(nèi)水外滲，危及隧洞進、出口邊坡的穩(wěn)定，需配置的鋼筋較為密集，不便于隧洞施工及混凝土澆筑，因此考慮采用設(shè)置鋼襯的防止內(nèi)水外滲，同時降低配筋密度。其余洞身段雖然圍巖覆蓋層厚度不足，但是其巖體多為Ⅳ類、Ⅲ類圍巖，為微風化巖體，物理力學性質(zhì)較好，采取常規(guī)鋼筋混凝土襯砌可以滿足抗裂計算要求，配置的鋼筋密度相對較低，并采取固結(jié)灌漿措施增加圍巖的整體性，提高圍巖的抗?jié)B性能。隧洞穿越斷層處，圍巖巖體破碎，圍巖彈性抗力弱，圍巖堅固系數(shù)低，透水性為中等透水，當僅采用常規(guī)混凝土襯砌是所需的配置鋼筋密度大，且仍存在裂縫并有內(nèi)水外滲的風險，采用鋼襯后可以減少襯砌裂縫寬度，并且降低鋼筋配置密度，減少內(nèi)水外滲風險。故采用設(shè)置鋼管內(nèi)襯方式[3]。

5 結(jié)語

銀屯～凡平隧洞有如下特點：

（1）本工程設(shè)計內(nèi)水壓力達0.8MPa，屬高壓淺埋隧洞，且存在斷層，需對特殊洞身段進行加固設(shè)計，本工程采用鋼襯+鋼筋混凝土襯砌的結(jié)構(gòu)設(shè)計，降低鋼筋配置密度，減少內(nèi)水外滲風險，解決覆蓋層厚度不足及隧洞穿越斷層的問題。

（2）由于隧洞埋深較淺，為避免隧洞內(nèi)水外滲，對周邊山體穩(wěn)定產(chǎn)生影響，二次支護的配筋采用小直徑小間距的方式，并在以滿足正常使用極限狀態(tài)的要求。

參考文獻

[1]GB50288-99，《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》[S];

[2]戴永浩，陳衛(wèi)忠，于洪丹，等.大坂膨脹性泥巖引水隧洞長期穩(wěn)定穩(wěn)定性分析[J].巖石力學與工程學報，2005，29（S1）3227-3234.

[3]高水頭引水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)非線性有限元分析[D].西安：西安理工大學，2010.