不良地質(zhì)條件輸水隧洞斷面比選分析

陳業(yè)芹，王艾艾，魏 勇

（上海宏波工程咨詢管理有限公司，上海 浦東200120）

1 工程概況

擬建某輸水隧洞全長3.0 km，隧洞進(jìn)口接輸水管末端，進(jìn)口高程1941.0 m，底坡1/1500，隧洞出口接箱涵，出口高程1939.0 m，隧洞設(shè)計流量7.56 m3/s。隧洞埋深一般150 m～200 m，最大埋深330 m。隧洞巖性主要有石英砂巖夾白云巖、泥質(zhì)灰?guī)r、粉砂質(zhì)泥巖、石英砂巖等組成。隧洞沿線斷層及皺褶較發(fā)育，主要發(fā)育褶皺為向斜，發(fā)育主要斷裂構(gòu)造5條：分別為向斜、FⅣ-15斷層、F34斷層（大石盆斷裂）、FⅥ-17斷層、FⅥ-16斷裂、FⅥ-18斷裂。隧洞沿線圍巖主要分布Ⅳ類、Ⅴ類圍巖、有少量的Ⅲ類圍巖，隧洞巖石（體）主要物理力學(xué)參數(shù)建議值見表1。

表1 隧洞圍巖巖體力學(xué)參數(shù)取值

2 初選斷面比較

擬建輸水隧洞為無壓洞，考慮采取鉆爆法施工，初步選擇采用城門洞型、馬蹄形兩種斷面，在同等條件下進(jìn)行水力計算[1]。擬建輸水隧洞選擇城門洞型和馬蹄型斷面進(jìn)行分析，兩種斷面型式典型橫斷面見圖1，根據(jù)《水力學(xué)》中計算公式[2]，計算得到的水力參數(shù)比較見表2。表2中有關(guān)參數(shù)按下式計算：

式中：Q為設(shè)計流量，m3/s；A為過水?dāng)嗝?，m2；C為謝才系數(shù)；R為水力半徑，m；i為底坡比降；n為糙率系數(shù)；m為邊坡系數(shù)。

圖1 兩種斷面形式典型橫斷面圖（尺寸單位：cm）

表2 擬建輸水隧洞斷面形式水力參數(shù)比較表

擬建輸水隧洞為長隧洞（2510 m），在輸水流量、設(shè)計底坡、糙率相同的條件下，經(jīng)計算得，城門洞型洞寬、水深、過水?dāng)嗝婷娣e及凈空面積、凈空比分別為2.5 m、2.29 m、5.725 m2、1.25 m2和17.92%，馬蹄形斷面計算值為 2.53 m、2.16 m、5.79 m2、1.483 m2和19.84%，馬蹄型與城門洞型相比，具有開挖斷面小，凈空面積及凈空比大等優(yōu)點，同時，馬蹄型斷面水流過流能力也優(yōu)于城門洞型，經(jīng)比較，初步選用馬蹄形斷面，但還需要通過結(jié)構(gòu)受力、經(jīng)濟(jì)對比進(jìn)一步分析比較，選擇合理的開挖斷面[2～4]。

3 受力分析

3.1 計算模型

兩種斷面襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算方法均采用邊值法[5]，計算原理歸結(jié)為求解非線性常微分方程組的邊值問題，計算軟件采用水工隧洞鋼筋混凝土襯砌計算機(jī)輔助設(shè)計軟件（簡稱SDCAD），選取圓拱直墻斷面和馬蹄形斷面2種計算模型，進(jìn)行襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算分析。圓拱直墻城門洞型輸水隧洞，襯砌厚度0.4 m，洞高2.48 m（從底板中心線算起到直墻高度），頂拱半徑1.44 m，頂拱半中心角62.5°。馬蹄形輸水隧洞，襯砌厚度0.4 m，頂拱半徑1.47 m，頂拱半中心角65°，側(cè)墻半徑4.37 m，側(cè)墻夾角17°，弧形底板半徑4.37 m，半中心角17.6°。

3.2 兩種斷面形式襯砌結(jié)構(gòu)計算分析

3.2.1 計算數(shù)據(jù)、工況及荷載組合

隧洞圍巖巖體力學(xué)參數(shù)取值見表2，選擇Ⅳ類圍巖洞段進(jìn)行分析，垂直壓力系數(shù)取0.3，側(cè)向壓力系數(shù)取0.1，計算外水頭H=50 m，內(nèi)水壓力分別為2.29 m、2.16 m，計算工況取運行期持久狀況，檢修狀況及施工狀況，外水折減系數(shù)分別為0.4、0.5、0.3。

3種工況下的外水壓力通過外水折減系數(shù)自動求出，運行期持久工況輸水隧洞內(nèi)有內(nèi)水壓力，檢修、施工工況洞內(nèi)無水，無內(nèi)水壓力，圍巖壓力通過壓力系數(shù)軟件自動加載，計算中對襯砌上的彈性抗力不作任何假定，可由計算機(jī)進(jìn)行迭代計算自動求出抗力分布，施工工況考慮灌漿壓力，折減后灌漿壓力值取0.2 MPa[4～5]，其計算工況對應(yīng)的荷載組合如下[6～7]：

（1）運行期：內(nèi)水壓力+外水壓力+圍巖壓力+襯砌自重+圍巖彈性抗力

（2）檢修期：外水壓力+圍巖壓力+襯砌自重+圍巖彈性抗力

（3）施工期：灌漿壓力+外水壓力+圍巖壓力+襯砌自重+圍巖彈性抗力

3.2.2 襯砌內(nèi)力計算及結(jié)果分析

通過SDCAD軟件在3種工況下計算得到隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的彎矩、軸力及剪力值數(shù)據(jù)較多，所占篇幅大，本文僅對運行期持久狀況下得到的內(nèi)力、位移值進(jìn)行整理、分析，所得結(jié)果見表3，并給出3種工況下內(nèi)力圖見圖2～圖3。

表3 兩種斷面形式運行期持久工況內(nèi)力計算成果表

圖2 運行期持久狀況內(nèi)力分布圖

圖3 施工況內(nèi)力分布圖

由3種工況下的內(nèi)力計算成果以及內(nèi)力分布圖可知，3種工況下城門洞型斷面襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的內(nèi)力明顯大于馬蹄形斷面，尤其是在底板與邊墻交接位置，內(nèi)力變化很大，這是因為城門洞型斷面在底板與邊墻交接處沒有過渡，為結(jié)構(gòu)突變部位，在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生應(yīng)力集中[7]，以運行期持久工況為例，城門洞型斷面在交接位置剪力為290.44 kN，馬蹄形斷面在墻角處的剪力為173.03 kN，前者彎矩是后者彎矩的1.68倍；城門洞型斷面在交接位置彎矩為98.19 kN·m，馬蹄形斷面在墻角處的彎矩為53.51 kN·m，前者彎矩是后者彎矩的1.68倍，馬蹄形斷面襯砌結(jié)構(gòu)具有很大的優(yōu)勢。

從軸力比較得，馬蹄形斷面隧洞受軸力情況下，最大值比城門洞型斷面最大值大，但相差不大，而最小值，城門洞型斷面要比馬蹄形斷面小很多，這就使得城門洞型斷面最大值與最小值之差，大于馬蹄形斷面最大值與最小值之差。城門洞型斷面軸力分布上沒有馬蹄形斷面軸力分布的均勻。

從位移情況看，馬蹄形斷面隧洞的切向位移與法向位移值比城門洞型斷面的切向、法向位移小，這說明馬蹄形斷面襯砌結(jié)構(gòu)在各種荷載作用下產(chǎn)生的變形小，結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定、安全。

3.2.3 襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

表4 3種工況下襯砌應(yīng)力極值表 單位：kPa

（2）剪力計算由Vc=0.07fcbh0（fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值，N/mm2；b為矩形截面寬度，mm；h0為截面有效高度，為300 mm）得到，兩種斷面隧洞襯砌混凝土的抗剪強(qiáng)度為250 kN，由剪力圖比較可知，在3種工況下，城門洞型斷面除在邊墻與底板交接處剪力值不能滿足要求外，其他部位剪力均滿足要求，馬蹄形斷面襯砌結(jié)構(gòu)在施工期邊墻與底板交接處剪力值不能滿足要求外，其它2種工況均滿足要求，并且馬蹄形斷面受剪力情況較城門洞型小，選擇馬蹄形斷面時應(yīng)在邊墻與底板之間設(shè)置結(jié)構(gòu)縫[8,9]。

根據(jù)兩種斷面在3種不同工況下襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析，馬蹄形斷面在受力、位移上均優(yōu)于城門洞型，克服了城門洞型因結(jié)構(gòu)突變而產(chǎn)生的應(yīng)力集中，故選擇馬蹄形斷面為擬建輸水隧洞的推薦斷面。

4 工程量及投資比較

本文將兩種不同斷面形式隧洞得到工程量及投資對比見表5。

表5 隧洞工程量及投資比較表

經(jīng)過兩種不同斷面投資對比可知，當(dāng)擬建輸水隧洞斷面形式為城門洞型斷面（2.5 m×3.0 m）時，投資為3356.64萬元，隧洞每米造價約1.34萬元，當(dāng)斷面形式為馬蹄形斷面時，投資為3282.93萬元，隧洞每米造價約1.31萬元，每米比城門洞型斷面節(jié)省0.3萬元，總投資節(jié)省約73.71萬元，選用馬蹄形隧洞投資更省，從投資考慮選擇馬蹄形斷面較好[10]。

5 結(jié)論

（1）馬蹄形斷面在水工隧洞中應(yīng)用逐漸增多，設(shè)計時要從水力、結(jié)構(gòu)、投資等方面綜合比選，不能簡單地選擇施工簡單、方便的斷面形式；

（2）馬蹄型斷面開挖對施工技術(shù)控制的要求高，開挖控制不好就會開挖成城門洞型，將失去馬蹄型斷面的優(yōu)勢，因此一定要加強(qiáng)施工隊伍施工技術(shù)水平，嚴(yán)把設(shè)計、施工質(zhì)量關(guān)，保證工程安全、經(jīng)濟(jì)。