CCS水電站TBM步進(jìn)洞明拱段襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

徐慶 楊曉箐

摘 要：根據(jù)CCS水電站TBM步進(jìn)洞明拱段的地形條件、地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)受力情況等，按照結(jié)構(gòu)力學(xué)法結(jié)合美國(guó)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范，在不同的荷載組合及不同的受力條件下對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，得出結(jié)構(gòu)不利的剪力和彎矩，進(jìn)而對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行了配筋驗(yàn)算。該計(jì)算分析結(jié)果已在工程中得到應(yīng)用，可為類(lèi)似工程襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：TBM;明拱;鋼筋混凝土;內(nèi)力計(jì)算;配筋;CCS水電站

中圖分類(lèi)號(hào)：TV554 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.11.021

Abstract：According to the topographical conditions， geological conditions and structural stress conditions of the open arch section of the TBM stepping tunnel of CCS Hydropower Station and according to the method of structural mechanics combined with the relevant American structural design codes， the internal forces of the structure under different load combinations and different stress conditions were calculated， the unfavorable shear force and bending moment of the structure were obtained and then the reinforcement checking calculation of the lining structure was carried out. The calculation and analysis results had been listed in this paper. The application in the project can provide reference for the design of lining structure in similar projects.

Key words： TBM; open arch; reinforced concrete; internal force calculation; reinforcement; CCS Hydropower Station

TBM選型、制造、運(yùn)輸及組裝周期較長(zhǎng)，為保證工期，在其組裝完成前采用鉆爆法施工預(yù)備洞，其組裝后需移動(dòng)到掌子面方能具備始發(fā)掘進(jìn)條件，稱之為“步進(jìn)”[1]。而作為步進(jìn)的附屬設(shè)施，如隧洞或明拱與隧洞結(jié)合，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性、可靠性是保證TBM步進(jìn)工作順利開(kāi)展的關(guān)鍵。本文以TBM步進(jìn)洞明拱段為研究對(duì)象，根據(jù)地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，為結(jié)構(gòu)安全性、經(jīng)濟(jì)性提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

CCS水電站2#施工支洞位于COCA河右岸，距離首部樞紐約14 km，洞口區(qū)處于山前坡麓與河谷地貌過(guò)渡帶，地形起伏較大。COCA河右岸為Ⅱ級(jí)階地，階面寬150～200 m，階面起伏不大，高程1 237～1 245 m，組成為含礫砂層，成分為火山碎屑、火山灰?jiàn)A碎塊石、大孤石，沖洪積層含礫砂層屬于疏松、稍密狀。

2#施工支洞共兩條，其中2A支洞進(jìn)口高程約1 241.40 m，全長(zhǎng)1 646.18 m，用于TBM1進(jìn)洞施工;2B支洞進(jìn)口高程約1 241.40 m，全長(zhǎng)1 660.92 m，用于TBM2進(jìn)洞施工。2A、2B支洞采用鉆爆法和TBM聯(lián)合施工。根據(jù)地質(zhì)條件，樁號(hào)PK0+000—PK0+525采用鉆爆法開(kāi)挖，成洞洞徑9.61 m，開(kāi)挖洞徑9.86～9.91 m。進(jìn)口前段設(shè)置10 m長(zhǎng)明拱段。TBM全長(zhǎng)172 m，主機(jī)和后備套總質(zhì)量為1 986 t，其中：主機(jī)長(zhǎng)12.5 m，質(zhì)量1 100 t;TBM刀頭、主驅(qū)動(dòng)、前盾長(zhǎng)3.1 m，總質(zhì)量635 t。

2 計(jì)算原理及方法

2.1 中美規(guī)范差異

在我國(guó)，《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[2]、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]等是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中普遍采用的規(guī)范，但許多國(guó)家會(huì)要求采用美國(guó)規(guī)范。由美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)（ACI）編制的《Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary》（ACI318M-05）及美國(guó)陸軍工程師團(tuán)編制的《Strength Design for Reinforced-Concrete Hydraulic Structures》（EM1110-2-2104）是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要技術(shù)文件，兩者聯(lián)系緊密，后者幾乎處處引用前者，但不重復(fù)敘述。

對(duì)于美國(guó)混凝土結(jié)構(gòu)建筑規(guī)范與我國(guó)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的差異研究，文獻(xiàn)[6]給出了較全面的總結(jié)，針對(duì)該工程設(shè)計(jì)特點(diǎn)，兩者差異主要是：①在荷載計(jì)算中，我國(guó)規(guī)范是由標(biāo)準(zhǔn)值、作用分項(xiàng)系數(shù)和組合系數(shù)組成，并且采用相應(yīng)材料的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，而美國(guó)規(guī)范則是由規(guī)定的荷載值和荷載系數(shù)組成，并且采用材料的強(qiáng)度和強(qiáng)度折減系數(shù);②荷載分項(xiàng)系數(shù)取值，我國(guó)規(guī)范中恒載一般取1.2，活載為1.4，而美國(guó)規(guī)范中恒載為1.4，活載為1.7;③在結(jié)構(gòu)分析時(shí)，我國(guó)規(guī)范只考慮有側(cè)移的情況，美國(guó)規(guī)范按無(wú)側(cè)移和有側(cè)移兩種情況考慮。

2.2 荷載系數(shù)的選擇

結(jié)構(gòu)整體受力狀態(tài)分析按照結(jié)構(gòu)力學(xué)方法進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，得出結(jié)構(gòu)的剪力值及彎矩值，由此可進(jìn)行結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算。參考《Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary》（ACI318M-05）以及《Strength Design for Reinforced-Concrete Hydraulic Structures》（EM1110-2-2104），荷載系數(shù)取值如下：①考慮重力與臨時(shí)荷載組合時(shí)U=0.75×（1.4D+1.7L）（U為承載能力極限狀態(tài)荷載效應(yīng)組合值;D為永久荷載;L為活荷載）;②僅考慮重力荷載組合時(shí)U=1.4D。

因此，第一種組合工況下，永久荷載系數(shù)K1=1.05、活荷載系數(shù)K2=1.275;第二種組合工況下，荷載系數(shù)為K3=1.4。

2.3 抗彎與抗剪計(jì)算

3.2 計(jì)算參數(shù)

2#施工支洞位于火山灰堆積層。鋼筋采用G60，屈服強(qiáng)度值為fy=420 MPa。2#施工支洞地層物理力學(xué)指標(biāo)及混凝土材料參數(shù)見(jiàn)表1、表2。

3.3 荷載分析

結(jié)構(gòu)所受的荷載包括襯砌混凝土結(jié)構(gòu)自重、TBM軌道混凝土自重、TBM滑行荷載以及側(cè)向土壓力。取洞軸線方向長(zhǎng)度為1 m的一段為計(jì)算對(duì)象，各荷載值求解如下。

（1）襯砌混凝土結(jié)構(gòu)自重G1=563.246 kN。

（2）TBM軌道混凝土自重G2=338.613 kN。

（3）TBM混凝土滑行軌道需要承擔(dān)的荷載主要來(lái)源于刀頭、主驅(qū)動(dòng)、前盾，總質(zhì)量為635 t，長(zhǎng)度為3.1 m，TBM滑行荷載G3=2 003.323 kN。

（4）側(cè)向土壓力在高度方向呈線性分布，其底部壓力T1=γH[tan（45°-φ2）]2=79.637 kN，頂部壓力T0=0 kN。

4 計(jì)算結(jié)果與分析

結(jié)構(gòu)計(jì)算需要考慮兩種斷面受力形式[4]，一種為結(jié)構(gòu)不承受側(cè)向土壓力，另一種為結(jié)構(gòu)承受側(cè)向土壓力。每種受力形式均需按重力與臨時(shí)荷載組合及僅重力荷載組合兩種工況分別進(jìn)行分析。

4.1 不承受側(cè)向土壓力計(jì)算結(jié)果與分析

（1）重力與臨時(shí)荷載組合。①地基均布反力為q1=（G1+G2）K1+G3K2L=342.918 kN/m;②將TBM軌道混凝土自重按均布荷載考慮，即q2=G2LK1=34.823 kN/m;③作用在兩段的TBM滑行荷載按均布力考慮，即q3=G3LK2=250.170 kN/m。

根據(jù)以上荷載作用，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗剪、抗彎內(nèi)力計(jì)算，結(jié)果顯示：最大剪力出現(xiàn)在底板兩端，為Vu=295.71 kN，側(cè)墻最大剪力位于底部，為Vu=38.48 kN;最大正彎矩出現(xiàn)在底板中間部位，為Mu=438.10 kN·m，最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在底板與兩側(cè)邊墻結(jié)合處，為Mu=-316.69 kN·m。

（2）僅考慮重力荷載組合。①地基均布反力q1=（G1+G2）K3L=123.663 kN/m;②將TBM軌道混凝土自重按均布荷載考慮，即q2=G2LK3=46.431 kN/m。

根據(jù)以上荷載作用，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗剪、抗彎內(nèi)力計(jì)算，結(jié)果顯示：最大剪力出現(xiàn)在底板兩端，為Vu=394.27 kN，側(cè)墻最大剪力位于底部，為Vu=51.57 kN;最大正彎矩出現(xiàn)在底板中間部位，為Mu=584.13 kN·m，最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在底板與側(cè)墻結(jié)合處，為Mu=-422.24 kN·m。

4.2 承受側(cè)向土壓力計(jì)算結(jié)果與分析

（1）重力與臨時(shí)荷載組合。底部側(cè)向土壓力t1=T1K1=83.619 kN/m，頂部側(cè)向土壓力t0=0 kN/m。其他荷載與4.1中重力與臨時(shí)荷載組合一樣，由此可求得結(jié)構(gòu)剪力、彎矩。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知：最大剪力出現(xiàn)在側(cè)墻底部，為Vu=304.07 kN，底板兩端剪力為Vu=295.71 kN;最大正彎矩出現(xiàn)在底板中間，為Mu=274.08 kN·m，最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在底板與側(cè)墻結(jié)合處，為Mu=-480.71 kN·m。

（2）僅考慮重力荷載組合。底部側(cè)向土壓力t1=T1K3=111.48 kN/m，頂部側(cè)向土壓力t0=0 kN/m。其他荷載與4.1節(jié)中重力荷載組合一樣，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗剪、抗彎內(nèi)力計(jì)算。結(jié)果顯示：最大剪力出現(xiàn)在側(cè)墻底部，為Vu=405.43 kN，底板兩端剪力為Vu=394.27 kN;最大正彎矩出現(xiàn)在底板中間部位，為Mu=355.44 kN·m，最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在底板與側(cè)墻結(jié)合處，為Mu=-640.94 kN·m，側(cè)墻最大負(fù)彎矩為Mu=-212.17 kN·m。

4.3 配筋計(jì)算

綜合以上兩種計(jì)算情況，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行配筋計(jì)算，最終采用如下配筋方式。

（1）按抗彎配筋。側(cè)墻和拱圈按照最大彎矩M=212.17 kN·m進(jìn)行配筋，配置Φ22@150的鋼筋，同時(shí)為滿足側(cè)墻底部和底板兩端最大彎矩M=640.94 kN·m的配筋，在此彎矩范圍內(nèi)配置Φ22@150的角鋼;底板下部配筋按照最大彎矩M=640.94 kN·m進(jìn)行配筋，由于兩端彎矩最大處已考慮配置Φ22@150的角鋼，因此底部可配置Φ25@150的鋼筋，底板表面按照最大彎矩為M=584.13 kN·m，配置Φ25@100的鋼筋。

（2）按抗剪配筋復(fù)核。側(cè)墻和拱圈按照最大剪力V=405.43 kN進(jìn)行配筋，底板按照最大剪力V=394.27 kN進(jìn)行配筋，經(jīng)過(guò)計(jì)算，兩者配筋均比在抗彎配筋情況小。

由以上兩種配筋計(jì)算情況可知，結(jié)構(gòu)最終按照抗彎計(jì)算進(jìn)行配筋。該計(jì)算分析結(jié)果已在工程中得到應(yīng)用，可為類(lèi)似工程襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙清伯.西秦嶺特長(zhǎng)隧道TBM步進(jìn)段弧形基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)與施工[J].路基工程，2011（2）：175-177.

[2] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：GB 50009—2012[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012：8-12.

[3] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50010—2010[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010：7-18.

[4] 貢金鑫，魏巍巍，胡家順.中美歐混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007：21-26.

【責(zé)任編輯 張華巖】