陳霄漢

(蘭州交通大學(xué)，甘肅蘭州 730070)

白堊系河口群地層輸水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)分析

陳霄漢

(蘭州交通大學(xué)，甘肅蘭州 730070)

根據(jù)某輸水隧洞所處白堊系地層的物理和力學(xué)特征，擬定白堊系河口群(K1hk1)地層輸水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)，利用Midas GTS NX對(duì)地層結(jié)構(gòu)模型和襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析，確定襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范要求。

輸水隧洞，白堊系河口群，有限元分析，襯砌結(jié)構(gòu)

1 概述

某輸水隧洞所處地層為白堊系河口群(K1hk1)地層，洞身所處第四系黃土。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析時(shí)，應(yīng)充分考慮隧洞所處白堊系地層的巖體物理和力學(xué)特征，利用Midas GTSNX對(duì)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)、二次襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，并結(jié)合具體施工，選取合理安全系數(shù)，確定支護(hù)參數(shù)［1］。擬定輸水隧洞襯砌斷面見(jiàn)圖1。

圖1 輸水隧洞襯砌斷面（單位：m）

2 白堊系地層巖體物理、力學(xué)特征

白堊系地層主要由砂巖與粘土巖互層、砂礫巖組成，該巖石組分中膠粒含量(小于0.002 mm)為11.5%～33.5%，伊利石和蒙脫石含量分別為3%～13.3%和3%～9.4%，其余為高嶺石和綠泥石?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，該地層巖石密度較小，一般小于2.5 g/cm3，最小為2.1 g/cm3;天然含水量較大，一般大于7%，最大達(dá)16%;孔隙率大，一般大于6%，最大達(dá)18.5%。從力學(xué)性質(zhì)來(lái)看，隧洞區(qū)域地層承載力低，變形較大。巖石原狀單軸抗壓強(qiáng)度極低，均不超過(guò)40 MPa，變形模量一般不超過(guò)6 MPa，泊松比一般為0.30左右。該地層具有弱膨脹性，無(wú)荷膨脹率為 9%～21.9%，有荷(50 kPa)膨脹率為2%～4%，膨脹力一般為30 kPa～65 kPa，最大可達(dá)170 kPa，巖塊干燥飽和吸水率為18%～33%，該段有f103斷層發(fā)育，受斷層影響巖體破碎。隧洞洞身大部分位于巖體風(fēng)化帶內(nèi)，隧道埋深多集中在15 m～30 m之間，隧洞拱頂易出現(xiàn)塌方掉塊，開(kāi)挖時(shí)圍巖極不穩(wěn)定，圍巖分級(jí)為Ⅳ級(jí)～Ⅴ級(jí)。

3 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析

基于地層結(jié)構(gòu)模型的分析，利用Midas GTSNX巖土與隧道有限元分析軟件進(jìn)行計(jì)算。有限元?jiǎng)澐志W(wǎng)格如圖2所示，橫向尺寸如下:左、右邊界距隧道開(kāi)挖邊界線(xiàn)均為28 m，底邊界距隧道仰拱底20m，頂面距拱頂25m，邊界條件頂面為自由表面，兩邊為橫向約束，底面為固定約束，分析中按平面應(yīng)變問(wèn)題考慮。計(jì)算所得初期支護(hù)彎矩圖、軸力圖如圖3，圖4所示。

圖2 地層結(jié)構(gòu)模型有限元網(wǎng)格劃分

圖3 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩圖

圖4 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)軸力圖

根據(jù)SL 191—2008水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［2］，SL 252—2000水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)［3］及SL 279—2002水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范［4］第7.0.10條:“對(duì)遇水易泥化、崩解、膨脹、軟化的不良地質(zhì)洞段，或在滲流作用下易于蝕變、滲透變形(失穩(wěn))的較大斷層、卸荷帶、破碎帶、節(jié)理(裂隙)密集帶等不良地質(zhì)洞段，設(shè)計(jì)等級(jí)可提高一級(jí)(最高不超過(guò)Ⅰ級(jí))，并應(yīng)加強(qiáng)襯砌的防滲、止水措施，必要時(shí)進(jìn)行專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)”，因此，對(duì)于彭家平支線(xiàn)主體工程結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算時(shí)，水工工程等級(jí)為Ⅰ級(jí)，對(duì)于素混凝土結(jié)構(gòu)，按受拉承載力計(jì)算的受壓、受彎構(gòu)件，荷載效應(yīng)基本組合時(shí)，其安全系數(shù)為1.45。對(duì)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力薄弱點(diǎn)進(jìn)行安全系數(shù)計(jì)算如表1所示。通過(guò)計(jì)算，白堊系河口群(K1hk1)地層中，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)滿(mǎn)足規(guī)范要求，但墻腳位置應(yīng)力集中，受力薄弱，施工時(shí)應(yīng)用鋼架及時(shí)封閉。

表1 初期支護(hù)關(guān)鍵截面安全系數(shù)

4 二次襯砌結(jié)構(gòu)受力分析

利用Midas GTSNX巖土與隧道有限元分析軟件，采用荷載結(jié)構(gòu)法對(duì)白堊系河口群(K1hk1)地層段二次襯砌進(jìn)行受力分析，二次模筑襯砌采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，其厚度為0.45 m，為鋼筋混凝土襯砌，分析計(jì)算時(shí)運(yùn)營(yíng)與檢修兩種工況，檢修工況根據(jù)設(shè)計(jì)情況添加水壓力。下文僅列出檢修工況計(jì)算結(jié)果。檢修工況結(jié)構(gòu)彎矩圖、軸力圖如圖5，圖6所示。

圖5 檢修工況結(jié)構(gòu)彎矩圖

圖6 檢修工況結(jié)構(gòu)軸力圖

根據(jù)SL 191—2008水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［2］，結(jié)合水工建筑物級(jí)別，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)荷載基本組合時(shí)，承載力安全系數(shù)為1.35，對(duì)二次襯砌結(jié)構(gòu)受力薄弱點(diǎn)進(jìn)行安全系數(shù)計(jì)算如表2所示。

表2 二次襯砌截面安全系數(shù)

通過(guò)計(jì)算，白堊系河口群(K1hk1)地層中，二次襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)滿(mǎn)足規(guī)范要求。對(duì)關(guān)鍵截面大偏心斷面進(jìn)行襯砌裂縫驗(yàn)算，根據(jù)SL 191—2008水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［2］，由混凝土結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境類(lèi)型為四類(lèi)土環(huán)境，查得鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制等級(jí)為一級(jí)，其值為0.2mm。

通過(guò)計(jì)算，墻腳部位裂縫寬度為0.18mm，仰拱裂縫寬度為0. 13mm，二次襯砌裂縫寬度均小于0.2mm，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

從以上計(jì)算結(jié)果可以看出，檢修工況結(jié)構(gòu)內(nèi)力均比運(yùn)營(yíng)工況大，可見(jiàn)，支洞運(yùn)營(yíng)時(shí)，內(nèi)水壓力對(duì)結(jié)構(gòu)受力是有利荷載?？紤]白堊系河口群(K1hk1)地層具有吸水膨脹的特點(diǎn)，結(jié)合膨脹性圍巖的特點(diǎn)及以往相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合襯砌結(jié)構(gòu)受力分析進(jìn)一步確定了襯砌支護(hù)措施。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述計(jì)算，確定襯砌支護(hù)參數(shù)如下:1)超前支護(hù)。拱部120°范圍采用φ42超前小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)，小導(dǎo)管結(jié)合鋼架設(shè)置，每根長(zhǎng)3m，環(huán)向間距30 cm，縱向搭接不小于1 m。2)初期支護(hù)。鋼架:全環(huán)Ⅰ14型鋼鋼架，間距0.75 m/榀。噴層:拱墻C25噴混凝土，厚 15 cm。鋼筋網(wǎng):拱墻 φ8鋼筋網(wǎng)片，間距 150 mm× 150mm。系統(tǒng)錨桿:拱部φ25中空注漿錨桿，邊墻φ22砂漿錨桿，錨桿長(zhǎng)2.5 m，環(huán)向間距0.75 m，縱向間距與鋼架一致，錨桿尾部與鋼架焊接。墊層:C20混凝土墊層，厚25 cm。3)二次襯砌。C30鋼筋混凝土，厚45 cm。

［1］ 張小明.水工隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的缺陷檢測(cè)及穩(wěn)定性分析［D］.成都:西南交通大學(xué)，2014.

［2］ SL 191—2008，水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］ SL 252—2000，水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［4］ SL 279—2002，水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

Analysis on water delivery tunnel lining structure of the group of cretaceous estuary

Chen Xiaohan

(Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China)

According to physicalandmechanical properties of thewater-transportation tunnelwith cretaceous strata，this paper designed thewater delivery tunnel lining structure of the group of cretaceous estuary(K1hk1)，used Midas GTSNX to analyze the structuremodel of soil layer and the lining structure，and made sure the lining structuremeet standard requirements.

water delivery tunnel，group of cretaceous estuary，finite element analysis，lining structure

U455.91

A

1009-6825(2015)29-0172-02

2015-08-05

陳霄漢(1991-)，男，在讀碩士