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不同計算方法對隧洞襯砌配筋結(jié)果的影響

2018-06-04 01:06:14聶思敏
關(guān)鍵詞:側(cè)墻帷幕隧洞

聶思敏,黃 凱

(貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院,貴州 貴陽 550002)

地下隧洞開挖會破壞巖體的初始應(yīng)力場,造成圍巖產(chǎn)生破壞甚至坍塌,對隧洞進行襯砌可承擔(dān)部分圍巖應(yīng)力,減小圍巖變形[1]。水利設(shè)計人員通常采用邊值法和公式法進行隧洞襯砌內(nèi)力計算及配筋計算。但傳統(tǒng)的襯砌配筋計算方法還有許多待完善之處,有限元配筋法尚在發(fā)展之中[2]。本文利用邊值法和有限元法對某工程隧洞襯砌結(jié)構(gòu)進行計算,對襯砌的受力狀態(tài)及應(yīng)力分布進行分析,對比兩種不同計算方法對配筋結(jié)果的影響。

1 工程概況

1.1 基本情況

某工程溢洪道洞身段,埋深12~207 m,Ⅲ類圍巖占75.1%,Ⅳ類~Ⅴ類圍巖合占24.9%。洞室穩(wěn)定主要受到圍巖壓力、襯砌自重、外水壓力、內(nèi)水壓力及施工期灌漿壓力作用。考慮到溢洪洞不同部位受到的圍巖壓力及外水壓力變化較大,選取兩個代表性剖面進行計算,分別為:剖面一,帷幕后段Ⅲ類圍巖;剖面二,帷幕后段Ⅳ類圍巖。

(1)地質(zhì)剖面一,帷幕后段Ⅲ類圍巖:從山體外側(cè)向內(nèi),隧洞編號為1#,2#,3#。襯砌厚度為1.2 m(圖1)。

圖1 帷幕后段Ⅲ類圍巖剖面圖

(2)地質(zhì)剖面二,帷幕后段Ⅳ類圍巖:從山體外側(cè)向內(nèi),隧洞編號為1#,2#,3#。襯砌厚度為1.5 m(圖2)。

1.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)

隧洞的開挖斷面為城門洞型,凈斷面尺寸為15 m×18.53 m(寬×高),帷幕后段Ⅲ類圍巖襯砌厚度為1.2 m,帷幕后段Ⅳ類圍巖襯砌為1.5 m,采用C25混凝土與HPB300及HRB400進行襯砌。隧洞頂部和側(cè)墻采用Φ25,間距2 m×2 m,L=9/6 m 錨桿梅花型布置,帷幕后隧洞襯砌結(jié)構(gòu)具體參數(shù)見圖3。

1.3 計算荷載組合

該隧洞段為1級建筑物。根據(jù)承載能力極限狀態(tài)計算,結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1,設(shè)計狀況系數(shù)運行期工況、檢修工況、施工期工況分別取1.0、0.95、0.95。荷載分項系數(shù)如表1。

圖2 帷幕后段Ⅳ類圍巖剖面圖

圖3 帷幕后段Ⅲ類圍巖、帷幕后段Ⅳ類圍巖襯砌剖面圖(單位:cm)

表1 荷載作用分項系數(shù)

外水壓力:

Pe=βeγwHe

(1)

式中:Pe為作用在襯砌結(jié)構(gòu)外表面的外水壓力,kN/m2;βe為外水壓力折減系數(shù);γw為水的容重,kN/m3;He為地下水位線至隧洞中心的作用水頭,m。帷幕后段Ⅲ類圍巖斷面外水折減系數(shù)取0.4,帷幕后段Ⅳ類圍巖襯砌斷面外水折減系數(shù)取0.3[3]。荷載組合按以下三種工況進行計算,運行工況:圍巖壓力+襯砌自重+內(nèi)水壓力+外水壓力;檢修工況:圍巖壓力+襯砌自重+外水壓力;施工工況:圍巖壓力+襯砌自重+外水壓力+灌漿壓力,見表2~表3。對于輸水隧洞而言,高外水壓力是引起圍巖襯砌變化的主要影響因素。當(dāng)外水壓力與內(nèi)水壓力同時存在時,內(nèi)水壓力對襯砌結(jié)構(gòu)受力更為有利,故只計算檢修工況和施工工況,運行工況不再計算。

表2 剖面一荷載計算值

表3 剖面二荷載計算值

2 有限元法

2.1 計算模型

有限元法采用abaqus軟件進行計算,本次計算巖體材料采用Mohr-Coulomb模型,襯砌材料及錨桿采用線彈性模型,山體和襯砌采用CPE4和CPE3平面應(yīng)變網(wǎng)格,錨桿采用桿單元B21進行計算??紤]到計算的精度及計算速度,對襯砌及襯砌周圍的網(wǎng)格劃分較密,單元的平均尺寸為0.2 m,山體部位網(wǎng)格較稀疏。襯砌與圍巖采用共結(jié)點的方式近似模型。對模型兩側(cè)邊界約束節(jié)點的水平位移,模型底部邊界約束節(jié)點的豎直位移。隧洞襯砌無法按桿件結(jié)構(gòu)力學(xué)方法求得截面內(nèi)力,可由彈性力學(xué)分析方法或?qū)嶒灧椒ㄇ蟮媒Y(jié)構(gòu)在彈性狀態(tài)下的截面應(yīng)力圖形,再根據(jù)拉應(yīng)力圖形面積,確定鋼筋數(shù)量[4]。

2.2 有限元法計算結(jié)果

2.2.1 帷幕后段(Ⅲ類圍巖)計算結(jié)果及分析

(1)帷幕后段(Ⅲ類圍巖)襯砌計算結(jié)果。經(jīng)計算可得帷幕后段(Ⅲ類圍巖)檢修工況和施工工況下襯砌的計算結(jié)果,見表4。

表4 襯砌應(yīng)力計算結(jié)果

通過計算結(jié)果分析可得,帷幕后段隧洞襯砌,最大壓應(yīng)力為1.39 MPa,最大拉應(yīng)力為0.67 MPa,都出現(xiàn)在襯砌的底部。最大拉應(yīng)力主要分布在底板上側(cè)以及襯砌側(cè)墻與底板拐角處的局部區(qū)域,最大壓應(yīng)力主要分布在側(cè)墻和底板的拐角處。襯砌頂部和側(cè)墻主要以壓應(yīng)力為主。

(2)帷幕后段(Ⅲ類圍巖)配筋計算結(jié)果。取控制工況下襯砌應(yīng)力計算,計算成果顯示,最大壓應(yīng)力<混凝土的設(shè)計抗壓強度,故不需進行壓應(yīng)力配筋。拉應(yīng)力主要分布在結(jié)構(gòu)的四個角部及其隧洞腰部,配筋計算按頂部、腰部、腳部進行應(yīng)力配筋。配筋拉應(yīng)力大小由路徑積分求出總力,按應(yīng)力相等原則進行配筋量計算[5]。

在配筋計算過程中,考慮結(jié)構(gòu)系數(shù)1.2,其配筋表見表5。

表5 結(jié)構(gòu)配筋表

2.2.2 帷幕后段(Ⅳ類圍巖)計算結(jié)果及分析

(1)帷幕后段(Ⅳ類圍巖)襯砌計算結(jié)果。經(jīng)計算可得帷幕后段(Ⅳ類圍巖)檢修工況和施工工況下襯砌的計算結(jié)果,如表6所示。

表6 襯砌應(yīng)力計算結(jié)果

通過計算結(jié)果分析可得,帷幕前段隧洞襯砌,最大壓應(yīng)力為3.48 MPa,最大拉應(yīng)力為1.25 MPa,都出現(xiàn)在襯砌的底部。最大拉應(yīng)力主要分布在底板上側(cè)以及襯砌側(cè)墻與底板拐角處的局部區(qū)域,最大壓應(yīng)力主要分布在側(cè)墻和底板的拐角處。襯砌頂部和側(cè)墻主要以壓應(yīng)力為主。

(2)帷幕后段(Ⅳ類圍巖)配筋計算結(jié)果。取控制工況下襯砌應(yīng)力計算:計算成果顯示,最大壓應(yīng)力<混凝土的設(shè)計抗壓強度,故不需進行壓應(yīng)力配筋。拉應(yīng)力主要分布在結(jié)構(gòu)的四個角部及其隧洞腰部,配筋計算按頂部、腰部、腳部進行應(yīng)力配筋。配筋拉應(yīng)力大小由路徑積分求出總力,按應(yīng)力相等原則進行配筋量計算[5]。

在配筋計算過程中,考慮結(jié)構(gòu)系數(shù)1.2,其配筋表見表7。

表7 結(jié)構(gòu)配筋表

3 邊值法

利用邊值法分別對隧洞襯砌的兩個剖面進行內(nèi)力計算,根據(jù)內(nèi)力結(jié)果進行配筋計算[6]。

3.1 帷幕后段(Ⅲ類圍巖)襯砌計算結(jié)果及分析

Ⅲ類圍巖檢修工況下隧洞襯砌內(nèi)力計算結(jié)構(gòu)如圖4、圖5所示,施工工況下隧洞襯砌內(nèi)力計算結(jié)構(gòu)如圖6、圖7所示。

(1)檢修工況

圖4 檢修工況(自重作用分項系數(shù)1.1)下隧洞襯砌內(nèi)力圖

圖5 檢修工況(自重作用分項系數(shù)1.0)下隧洞襯砌內(nèi)力圖

(2)施工工況

圖6 施工工況(自重作用分項系數(shù)1.1)下隧洞襯砌內(nèi)力圖

圖7 施工工況(自重作用分項系數(shù)1.0)下隧洞襯砌內(nèi)力圖

通過計算結(jié)果可以看出,隧洞的控制工況為檢修工況,最大彎矩主要分布在邊墻與底板的拐角處以及頂拱與邊墻的拐角處。在檢修工況下,主要受到外水壓力作用,按承載力能力極限狀態(tài)下,自重作用系數(shù)為1.1時,最大彎矩為4173.79 kN·m;按正常使用極限狀態(tài)下,自重作用系數(shù)為1.0時,最大彎矩為4160.64 kN·m。最終的配筋結(jié)果見表8。

表8 單位寬度結(jié)構(gòu)配筋表

3.2 帷幕后段(Ⅳ類圍巖)襯砌計算結(jié)果及分析

Ⅳ類圍巖檢修工況下隧洞襯砌內(nèi)力計算結(jié)構(gòu)如圖8、圖9所示,施工工況下隧洞襯砌內(nèi)力計算結(jié)構(gòu)如圖10、圖11所示。

(1)檢修工況

圖8 檢修工況(自重作用分項系數(shù)1.1)下隧洞襯砌內(nèi)力圖

圖9 檢修工況(自重作用分項系數(shù)1.0)下隧洞襯砌內(nèi)力圖

(2)施工工況

圖10 施工工況(自重作用分項系數(shù)1.1)下隧洞襯砌內(nèi)力圖

圖11 施工工況(自重作用分項系數(shù)1.0)下隧洞襯砌內(nèi)力圖

通過計算結(jié)果可以看出,隧洞的控制工況為檢修工況,最大彎矩主要分布在邊墻與底板的拐角處,以及頂拱與邊墻的拐角處。在檢修工況下,主要受到外水壓力作用,按承載力能力極限狀態(tài)下,自重作用系數(shù)為1.1時,最大彎矩為5956.16 kN·m;按正常使用極限狀態(tài)下,自重作用系數(shù)為1.0時,最大彎矩為5922.26 kN·m。最終的配筋結(jié)果見表9。

表9 單位寬度結(jié)構(gòu)配筋表

4 結(jié) 論

從有限元及邊值法內(nèi)力計算結(jié)果看出,拉應(yīng)力較大部位均主要集中在底板和襯砌頂部,在襯砌的邊墻及頂部,大部分區(qū)域都處于受壓狀態(tài)。最大彎矩位置主要集中在側(cè)墻與底板的拐角處及側(cè)墻與頂拱的拐角處。從有限元及邊值法配筋計算結(jié)果看出,有限元法配筋面積遠遠小于邊值法。因為有限元法考慮了錨桿作用,并將圍巖和襯砌作為共同受力體,而邊值法將襯砌作為單獨承載單元,故邊值法計算的內(nèi)力較大,計算配筋偏于保守。設(shè)計人員可綜合兩種方法的計算結(jié)果進行配筋,以優(yōu)化設(shè)計、減小工程投資。

[1] 羅雪嬌.高外水壓力作用下輸水隧洞襯砌設(shè)計研究[D].宜昌:三峽大學(xué),2015.

[2] 劉波.水工壓力隧洞襯砌配筋方法探討[D].西安:西安理工大學(xué),2010.

[3] 中華人民共和國電力工業(yè)部.水工建筑物荷載設(shè)計規(guī)范:DL 5077—1997 [S]. 北京:中國電力出版社,1998.

[4] 中華人民共和國國家能源局.水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范: DL/T 5057—2009 [S].北京:中國電力出版社,2009.

[5] 鈕新強 .新編水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊 [M].北京:中國水利水電出版社,2010.

[6] 中華人民共和國國家發(fā)展與改革委員會. 水工隧洞設(shè)計規(guī)范: DL/T 5195—2004 [S].北京:中國電力出版社,2004.

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