隧洞結構工程特性及設計理論方法

劉 磊

(中電投電力工程有限公司大連分公司,遼寧大連 116000)

隧洞結構工程特性及設計理論方法

劉 磊

(中電投電力工程有限公司大連分公司,遼寧大連 116000)

結合遼寧紅沿河核電廠取水隧洞工程實例,參閱其它工程資料,分析了隧洞結構的工作特性。考慮隧洞工程所處地質環境的復雜性以及施工方法的差異性,總結、歸納了隧洞在不同條件下適宜采取的計算模型及設計方法,以供類似其它工程參考。

隧洞;工作特性;計算模型;設計方法

1 概述

隨著國家能源結構的調整,核電作為一種清潔能源已成為中國能源建設的發展方向。其中,取水工程為核電廠常規島冷卻水、核島安全廠用水和海水淡化系統提供海水。目前,國內運行及在建核電項目主要采取隧洞取水方案和明渠取水方案,在綜合考慮技術、經濟、安全、運行維護、廠區總體布置和土石方平衡等因素后,多數核電廠采用隧洞取水方案。

以遼寧紅沿河核電廠取水隧洞工程為例,廠區規劃裝機容量為 6×1 000 MW級機組,分兩期建設,一期建設 4臺 1 000 MW級的 CPR 1 000機組。取水工程主要為電廠常規島冷卻水、核島安全廠用水和海水淡化系統提供海水,每臺機組總的設計取水量為 50.1 m3/s。一期 4臺機組取水工程包括 1座取水建筑物和 4個取水隧洞。電廠廠址地形條件是北高南低,結合廠區總體布置,取水建筑物位于電廠北部約 1.0 km的天然小海灣內,取水隧洞從取水建筑物至 PX泵房。4個隧洞入口處的底標高為 -9.70 m,隧洞出口處底標高為 -10.2 m。1號隧洞長 966 m,2號隧洞長 979 m,兩隧洞中心間距約為 47.7 m,3號隧洞長 1 037 m,4號隧洞長1 051 m,兩隧洞中心間距約為 29.2 m。引水隧洞采用圓形斷面,直徑 5.5 m,采用鋼筋混凝土襯砌,襯砌厚度為 500mm。

根據紅沿河核電廠取水隧洞工程的設計、建造經驗,參閱其它工程資料,下面論述隧洞結構工程開挖支護特性及設計理論方法,為后續其它工程提供參考。

2 隧洞結構工作特性

在大量的隧洞工程建設實踐中,通過對隧洞工程的現場觀測、試驗以及計算、認為隧洞結構工作狀態有以下特點。

2.1 隧洞結構在施工階段就進入工作狀態

一般地面結構是施工完成后才承受活載、風載及自重等荷載,施工階段的荷載一般較小,而隧洞結構是在受載狀態下構筑的,施工過程中要承受圍巖垂直壓力和水平側向壓力。對于長度較大的隧洞工程而言,隧洞工程應該是一個空間結構體系,因此,隧洞結構在施工階段和使用階段有不同的工作狀態。

2.2 圍巖地質條件對隧洞結構設計影響很大

隧洞結構的主要荷載是圍巖壓力,圍巖壓力與圍巖級別及工程性質緊密相關,徹底弄清圍巖的工程性質是困難的。在隧洞結構設計過程中,常需要參考借鑒類似工程的成功經驗。如果圍巖是很破碎的軟弱巖體,一般可以看成是破碎、松散的連續體,按松散體計算松散壓力或按連續介質理論確定圍巖壓力;如果圍巖是較完整的巖體,則要按工程地質方法確定圍巖壓力,此時特別要注意巖體結構面的不利和有利的組合,這樣才能在安全條件下有效和經濟地建造隧洞結構。此外,隧洞結構埋深不同,所處地質構造部位不同,原巖初始應力也不同,初始應力釋放將對隧洞工程的開挖和穩定產生很大影響。要特別注意的是,圍巖地質條件在設計時只是一個概略的資料,施工過程才能逐步了解地質狀態,并且隨著時間的推移,由于受力狀態的變化,巖體還會流變,有地殼運動的因素,如地震等,都會使圍巖隨時間有明顯或不明顯的變化。

2.3 圍巖具有一定的自承載能力

隧洞結構所處的圍巖不單純是對結構產生荷載,也是承擔荷載的組成部分。圍巖壓力由隧洞結構和圍巖共同承擔,圍巖有一定的自承載能力,不論在垂直方向或水平方向,圍巖均有一定的自穩范圍和自穩時間。隨著巖體類型和構造不同,其自穩范圍和自穩時間在一個很大的范圍內變化。要充分利用或者改善圍巖的自穩范圍和自穩時間的大小,要做到這一點,就要求圍巖產生一定的變形和一定范圍的塑性區,同時要及時進行支護。設計和施工者的任務就是將這一變形控制在允許范圍之內,完全不變形是不可能的,同時過大變形也會帶來支護的困難和造價的增高。充分發揮圍巖的自承載能力,是現在隧洞工程設計施工區別于傳統方法的根本點,通過錨桿、錨索、噴射混凝土等對圍巖的加固是提高圍巖自承載能力的有效措施。

2.4 隧洞水的賦存狀態對隧洞結構的設計施工產

生巨大的影響

一般說來,隧洞水影響隧洞工程施工階段的結構、人員的安全以及施工方法的選擇,而且帶來隧洞工程運行期間的防排水問題,在很大程度上惡化圍巖級別及工程性質。在設計和施工中要了解隧洞水的情況,注意隧洞水變化帶來的地層參數的變化,以及靜、動水壓力的變化。

2.5 施工方法和施工時機對圍巖及隧洞支護結構

的穩定有制約作用

隧洞結構是以隧洞空間代替巖體的承載結構,替代過程是在某種范圍和時間內依賴圍巖的自承載力實現的,施工方法和施工時機能在很大程度上影響圍巖及隧洞支護結構的穩定。考慮到這種因素,在構筑預期的隧洞結構的過程中,尤其在軟弱、破碎圍巖當中,要注意對圍巖的過度擾動、限制超挖,要注意隧洞結構與圍巖共同工作或者與輔助支護結構、臨時支護結構共同作用,形成空間受力體系,以減少或控制變形,并注意構成封閉的三向受力體系,稱為“勤支護 、早封閉 、弱擾動”,因此,隧洞結構的施工步驟要有嚴格的工作程序和施作時間規定。

2.6 多期支護對改善隧洞結構穩定有積極作用

開挖早期適時進行初期支護,但支護剛度不大,以便圍巖產生一定的變形,在變形發展到一定水平后再進行二次支護,兩者支護措施共同構成永久隧洞結構。這種多次支護的方法能主動控制圍巖的變形,改善作業空間環境,節約工程造價。

3 隧洞結構計算模型

工程設計必須建立在科學合理的力學模型基礎之上。隨著隧洞工程計算理論的發展,隧洞結構設計必需的計算模型有了其理論依據,但具體計算模型的確定應能反映以下情況:

a.盡可能反映結構實際工作狀態以及圍巖與結構的邊界關系,假定條件接近實際且不宜過多。

b.計算模型中有關參數應該是能夠測定的、實用的,且受人為干擾的程度較小。

c.計算出的結果,如應力、應變等應真實可靠,符合經濟實用、安全合理原則。

d.荷載確定簡單明確,荷載種類符合結構在施工和使用階段的實際情況。

e.計算模型適用范圍應廣泛,具有普遍性,能被反復檢驗。

由于隧洞工程所處地質環境的復雜性和施工方法的差異性,以某個理想的計算模型來適用于圍巖環境,對于隧洞工程來說是較難實現的,必然會存在多種適用于各自圍巖條件的計算模型。

從隧洞結構設計實踐來看,隧洞結構設計的計算模型可以歸納為三大類:

第一類“荷載 -結構模型”,基于結構力學的分析模型,圍巖對結構產生荷載,承載主體是襯砌結構,同時圍巖對結構的變形有約束作用。

第二類“圍巖 -結構模型”,基于連續介質力學的分析模型,襯砌結構對圍巖的變形起限制作用,承載主體是圍巖。

第三類“收斂 -約束模型”,以連續介質力學、結構力學等理論為基礎,結合實測、經驗的分析模型。

3.1 荷載 -結構模型

這類計算模型又稱為結構力學計算模型,其主要思想是,圍巖既對結構產生荷載又對結構提供彈性支承作用,承載主體是襯砌結構,在考慮圍巖與結構的相互作用的同時將圍巖與結構分開考慮,圍巖壓力按圍巖分類法或有關實用計算公式計算,結構截面內力按彈性地基梁法或假定抗力法等方法計算,圍巖對隧洞結構穩定的貢獻主要體現在圍巖能以彈性支承的方式約束結構的變形。圍巖的彈性約束作用越大(即圍巖的剛度越大或自承載能力越強),襯砌結構受到的彈性抗力越大,襯砌結構變形越小,同時圍巖壓力越小,作用于襯砌結構的荷載也越小,襯砌結構截面可以設計得很薄。相反,襯砌結構受到的彈性抗力越小,襯砌結構變形越大,同時圍巖壓力也越大,作用于襯砌結構的荷載也越大,襯砌結構截面則應設計得很厚。這一計算模型的理論基礎就是上述彈性結構階段的彈性連續拱形框架法。

當圍巖被超挖、不回填或回填不密實時,就可按不計圍巖抗力法計算,這種情況下沒有考慮圍巖與結構的相互作用,因此與地面結構一樣襯砌結構,可以自由變形。

當圍巖與襯砌結構接觸緊密時,就可按假定彈性抗力法或彈性地基梁法計算。按圍巖與結構的相互作用的假定方法不同,可以分為局部理論計算法和共同變形理論計算法。

圖1為按荷載 -結構模型計算襯砌結構的計算簡圖,其中圖 1(a)為不計圍巖抗力的計算簡圖,襯砌結構只受主動圍巖壓力作用。圖 1(b)為按假定彈性抗力法的計算簡圖,襯砌結構除受主動圍巖壓力作用外,還在左右兩側受到假定的被動彈性抗力。圖 1(c)為按彈性地基梁法的計算簡圖,彈性抗力用彈簧表示,抗力值須由計算得到。

圖1 荷載-結構模型計算簡圖

內力的計算安全可以用結構力學的方法或位移法,但手算比較復雜,目前多數采用通用有限元軟件,如 SAP 2000、ANSYS等軟件,建模十分方便,計算結果也直觀快速。荷載 -結構模型概念清晰、計算簡便,在目前隧洞結構設計中仍被廣泛采用,尤其適用于圍巖因超挖或過分變形而發生松動的情形,這類結構是主要承載體。

3.2 圍巖 -結構模型

這類計算模型又稱為巖體力學模型,模型將襯砌結構與圍巖視為一個由兩種材料組成、在接觸邊界面處變形協調的統一連續體,認為圍巖是主要承載體,襯砌結構主要約束圍巖的變形,共同組成一個承載結構體系,結構與圍巖的應力應變按連續介質原理及變形協調條件計算,因此也稱為連續介質力學計算模型。計算簡如圖 2所示,一些圓形、矩形等斷面幾何形狀簡單的襯砌結構的彈性問題、黏彈性問題、彈塑性問題都能得到解析解,但斷面幾何形狀復雜的結構以及材料本構關系復雜的問題很難獲得解析解,必須借助數值手段獲得。

目前,隨著一些處理功能強大的有限元軟件的開發,如 ANSYS、FLAC、3D-σ和 ADINA等軟件,使數值分析在越來越多的隧洞工程實踐中得到廣泛應用,也為設計施工方案、方法確定發揮了積極的理論指導作用。顯然采用數值分析的圍巖 -結構模型在任何場合都可以適用,主要的準備工作就是確定各種材料本構模型的參數以及圍巖初始應力等條件。圍巖—結構模型與目前一些先進施工技術條件下隧洞結構的實際工作狀態基本吻合,如錨噴支護、鋼架格柵支護等具有快速、密貼、早強等特點,對限制圍巖的變形可以起到及時有效的約束作用,是充分發揮圍巖自承載力的一項有效措施,這正好符合圍巖 -結構模型的特點。正因為如此,圍巖 -結構模型成為目前運用越來越廣泛的分析方法。

3.3 收斂 -約束模型

收斂 -約束模型又稱特征曲線模型,是指利用圍巖的收斂特征曲線與襯砌結構的支護特征曲線關系求出支護結構的類型和尺寸的計算模型。

圖2 圍巖-結構模型計算簡圖

收斂 -約束模型計算簡圖如圖 3,曲線 1為圍巖的收斂特征曲線,按連續介質力學方法得到,橫坐標為洞壁位移 u,縱坐標為襯砌對洞周圍巖的支護阻力 Pi,該曲線可理解為圍巖的支護需求曲線;曲線 2為襯砌結構的支護特征曲線,由結構力學方法得到的襯砌結構受力變形關系曲線,該曲線也可理解為襯砌結構的支護補給曲線。

如果掌握了圍巖的收斂特征曲線和襯砌結構的支護特征曲線以及施作襯砌結構前已經發生的初始自由變形 u0。那么兩曲線的交點縱坐標 Pimin為支護結構上的最終圍巖變形壓力,交點橫坐標為支護結構的最終變形量。有了支護結構的圍巖變形壓力后,可按一般結構力學的方法分析支護結構的內力,進而設計截面尺寸。

在求解上述兩個特征曲線時,一些斷面復雜的隧洞結構很難得到解析解,必須采用數值方法,或者采用等效圓法作近似估算,等效圓半徑

式中,A為隧洞斷面面積。

因受力引起的變形位移是最容易被觀測的,因此位移分析的收斂 -約束模型具有很大的發展前景。在目前的隧洞工程建設實踐中,現場位移量測以及反饋分析普遍受到重視,當然,收斂 -約束模型理論還有待進一步發展和完善。

圖3 收斂約束模型計算簡圖

4 隧洞結構設計方法

隧洞工程有關計算理論發展很快,計算手段越來越多,由于隧洞工程所處圍巖環境和工作狀態的特殊性,任何理論都不能取得十分滿意合理的結果。因此,與地面結構那種偏重理論計算的設計方法不同,目前隧洞結構的設計方法仍然為半理論半經驗的局面,依賴于工程經驗。從國內外隧洞工程的設計實例看,大致可概括為三種設計方法,即經驗設計法、理論設計法和動態設計法。

4.1 經驗設計法

經驗設計法即工程類比法,隧洞工程的基本特點是圍巖地質環境復雜,要取得準確的地質、圍巖參數和設計荷載參數等數據,極其困難。一些施工技術的機理復雜,如錨噴支護等,其計算理論不太成熟。因此,在相當長的歷史時期內,經驗判斷對隧洞工程設計仍將起很大作用。

目前,在實際隧洞工程的支護設計往往采用工程類比法,中國多數錨噴支護設計規范都明確規定錨噴支護設計應以工程類比法為主。隧洞工程的工程類比法設計程序:分析工程地質情況;對擬建工程進行圍巖分級;以圍巖級別為依據,按照有關規范中提供的參數表或類似工程經驗數據,查出支護參數,以此作為設計依據繪制施工圖。一些簡單的巖石隧洞工程,其地質條件清楚、斷面尺寸不大、斷面形狀不復雜時,往往直接按工程類比設計法選定結構斷面形式及尺寸,繪制結構施工圖。現行的工程類比設計往往都是一種半定量的設計,即只給出支護參數范圍,設計者必須以豐富的設計經驗作出合理判斷,不能以安全保險為目的選用最大值,否則就失去了類比設計給出的一定范圍的價值,造成大量的浪費。

4.2 理論設計法

工程類比法簡單易行,只要地質條件吻合,設計可靠性也較高。但畢竟每個隧洞工程都有其不同的特殊性,如圍巖地質條件不可能完全一致,因此工程類比法的局限性是顯而易見的。目前,在中國的隧洞工程建設中即使采用工程類比法,也要進行理論驗算,對于無經驗可參考的大跨度隧洞工程和洞群復雜的隧洞工程設計,必須進行理論計算甚至要進行專門試驗研究。

理論設計法就是以上述隧洞結構計算模型為理論基礎,根據地質條件確定圍巖壓力,求出隧洞結構內力核算截面參數并繪制施工圖。其設計程序:分析工程地質情況、對擬建工程進行圍巖分級、選定結構計算模型、初步擬定結構截面尺寸、確定結構所受的圍巖壓力、結構內力計算、截面配筋設計、結構穩定性驗算及安全性評價、繪制結構施工圖。其中結構計算模型選定是關鍵,要綜合考慮圍巖地質特征、結構形式、隧洞跨度、埋深、擬采用的施工方法等一系列因素,力求使計算結果符合實際受力情況。

4.3 動態設計法

眾所周知,隧洞工程設計由于地質環境復雜、基礎信息缺乏,無論采用理論計算法還是工程類比法,依據目前的技術水平,都不可能得到十分準確的結果。另外,由于工期、經費、勘測手段等因素的限制,在開挖前不可能將地質信息等施工中可能出現的因素搞得十分清楚,而必須通過開挖后所揭示的地質條件對圍巖級別進行再認識和確定,所有這些將嚴重影響設計和施工決策的可靠性。設計文件中所擬定的斷面尺寸、結構形式、支護參數、預留變形量和施工方法等設計參數不是一成不變的,需要在開挖過程中重新評估和確認,必要時須做調整或修正。因此,隧洞工程的設計無法在開工前就做到一步到位,這就是隧洞工程有別于其他土木工程的重要特征。因此,在目前在隧洞工程設計中,廣泛采用經驗借鑒、理論分析、現場量測技術、信息反饋、超前預報和動態調整相結合的所謂“動態設計法”。

隧洞工程動態設計法又稱信息化設計,與地面工程迥然不同,在隧洞工程的動態設計法中,勘察、設計、施工等諸環節之間有交叉、反復、變更等現象。在前期地質調查和試驗資料的基礎上,根據經驗方法或通過理論計算進行預設計,初步選定支護參數,然后根據預設計進行施工。同時,還須在施工過程中進行監控量測、超前預報,對量測數據進行理論分析,獲得關于圍巖穩定性和支護系統力學和工作狀態的信息,結合有關規范和經驗,對預設計有關支護參數及施工方案進行調整。這個過程是反復持續下去的動態過程,即修改設計、再施工、再量測、再反饋,直到建成一個長期穩定的隧洞結構體系。由此可見,動態設計方法與過去采用的一般設計方法相比,有了很大的改變。它不僅包括施工前的設計,還包括施工過程中的設計,即把過去截然分開的施工和設計兩個階段融合為一體,構成了一個完整的動態設計過程。這種方法并不排斥以往各種理論計算、經驗類比以及模型試驗等設計法,而是“變孤軍奮戰為多兵種聯合作戰”,把它們最大限度地容納在自己的理論系統中,發揮其各種方法特有的優勢;變一步到位為多步調整,讓各種傳統方法在一個動態系統中不斷發揮作用。

5 結論

實踐表明,隧洞工程特別適合采用動態設計法,因為一般隧洞工程多為線狀結構物,不僅可以通過已成隧洞采取地質素描與攝影、工程測量、隧洞水位觀測、位移應力監測等手段獲得圍巖的基本信息,還可以通過超前地質預報、地球物理探測等先進技術手段探測開挖面前方的圍巖情況。因此,采用動態設計法,在開挖過程中進行設計和施工調整,能夠較好的滿足工程建設的需求。

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[6] 李圍.隧道及地下工程 ANSYS實例分析[M].北京:水利水電出版社,2008.

Discussion on operational factors and design methods of tunneling project

LIU Lei
(Dalian Subsidiary of CPIPower Engineering Co.,Ltd,Dalian 116000,China)

In accordancewith the intake tunnel project in Hongyanhe Nuclear Power Plant and other information,this paper analyzes the operational factors of tunnel structure.In view of the complexity of geological environment and the difference of construction,computingmodels and design methods,as a reference for other projects,under different conditionsare summarized.

tunnel;operational factors;computingmodel;design method

TU271.1

A

1002-1663(2010)02-0118-05

2010-01-14

劉 磊(1982-),男,大連理工大學土木工程專業畢業,主要從事核電工程土建結構專業設計管理工作,助理工程師。

(責任編輯 侯世春)