白堊系河口群地層輸水隧洞襯砌結構分析

陳霄漢

(蘭州交通大學，甘肅蘭州 730070)

白堊系河口群地層輸水隧洞襯砌結構分析

陳霄漢

(蘭州交通大學，甘肅蘭州 730070)

根據某輸水隧洞所處白堊系地層的物理和力學特征，擬定白堊系河口群(K1hk1)地層輸水隧洞襯砌結構，利用Midas GTS NX對地層結構模型和襯砌結構進行了有限元分析，確定襯砌結構安全系數滿足相關規范要求。

輸水隧洞，白堊系河口群，有限元分析，襯砌結構

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。在進行結構有限元分析時，應充分考慮隧洞所處白堊系地層的巖體物理和力學特征，利用Midas GTSNX對初期支護結構、二次襯砌結構進行有限元分析，并結合具體施工，選取合理安全系數，確定支護參數［1］。擬定輸水隧洞襯砌斷面見圖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。現場試驗結果表明，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16%;孔隙率大，一般大于6%，最大達18.5%。從力學性質來看，隧洞區域地層承載力低，變形較大。巖石原狀單軸抗壓強度極低，均不超過40 MPa，變形模量一般不超過6 MPa，泊松比一般為0.30左右。該地層具有弱膨脹性，無荷膨脹率為 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170 kPa，巖塊干燥飽和吸水率為18%～33%，該段有f103斷層發育，受斷層影響巖體破碎。隧洞洞身大部分位于巖體風化帶內，隧道埋深多集中在15 m～30 m之間，隧洞拱頂易出現塌方掉塊，開挖時圍巖極不穩定，圍巖分級為Ⅳ級～Ⅴ級。

3 初期支護結構受力分析

基于地層結構模型的分析，利用Midas GTSNX巖土與隧道有限元分析軟件進行計算。有限元劃分網格如圖2所示，橫向尺寸如下:左、右邊界距隧道開挖邊界線均為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，分析中按平面應變問題考慮。計算所得初期支護彎矩圖、軸力圖如圖3，圖4所示。

圖2 地層結構模型有限元網格劃分

圖3 初期支護結構彎矩圖

圖4 初期支護結構軸力圖

根據SL 191—2008水工混凝土結構設計規范［2］，SL 252—2000水利水電工程等級劃分及洪水標準［3］及SL 279—2002水工隧洞設計規范［4］第7.0.10條:“對遇水易泥化、崩解、膨脹、軟化的不良地質洞段，或在滲流作用下易于蝕變、滲透變形(失穩)的較大斷層、卸荷帶、破碎帶、節理(裂隙)密集帶等不良地質洞段，設計等級可提高一級(最高不超過Ⅰ級)，并應加強襯砌的防滲、止水措施，必要時進行專門設計”，因此，對于彭家平支線主體工程結構內力計算時，水工工程等級為Ⅰ級，對于素混凝土結構，按受拉承載力計算的受壓、受彎構件，荷載效應基本組合時，其安全系數為1.45。對初期支護結構受力薄弱點進行安全系數計算如表1所示。通過計算，白堊系河口群(K1hk1)地層中，初期支護結構安全系數滿足規范要求，但墻腳位置應力集中，受力薄弱，施工時應用鋼架及時封閉。

表1 初期支護關鍵截面安全系數

4 二次襯砌結構受力分析

利用Midas GTSNX巖土與隧道有限元分析軟件，采用荷載結構法對白堊系河口群(K1hk1)地層段二次襯砌進行受力分析，二次模筑襯砌采用梁單元進行模擬，其厚度為0.45 m，為鋼筋混凝土襯砌，分析計算時運營與檢修兩種工況，檢修工況根據設計情況添加水壓力。下文僅列出檢修工況計算結果。檢修工況結構彎矩圖、軸力圖如圖5，圖6所示。

圖5 檢修工況結構彎矩圖

圖6 檢修工況結構軸力圖

根據SL 191—2008水工混凝土結構設計規范［2］，結合水工建筑物級別，鋼筋混凝土結構荷載基本組合時，承載力安全系數為1.35，對二次襯砌結構受力薄弱點進行安全系數計算如表2所示。

表2 二次襯砌截面安全系數

通過計算，白堊系河口群(K1hk1)地層中，二次襯砌結構安全系數滿足規范要求。對關鍵截面大偏心斷面進行襯砌裂縫驗算，根據SL 191—2008水工混凝土結構設計規范［2］，由混凝土結構所處的環境類型為四類土環境，查得鋼筋混凝土結構裂縫控制等級為一級，其值為0.2mm。

通過計算，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，滿足規范要求。

從以上計算結果可以看出，檢修工況結構內力均比運營工況大，可見，支洞運營時，內水壓力對結構受力是有利荷載。考慮白堊系河口群(K1hk1)地層具有吸水膨脹的特點，結合膨脹性圍巖的特點及以往相關工程經驗，結合襯砌結構受力分析進一步確定了襯砌支護措施。

5 結語

通過上述計算，確定襯砌支護參數如下:1)超前支護。拱部120°范圍采用φ42超前小導管預支護，小導管結合鋼架設置，每根長3m，環向間距30 cm，縱向搭接不小于1 m。2)初期支護。鋼架:全環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:拱墻 φ8鋼筋網片，間距 150 mm× 150mm。系統錨桿:拱部φ25中空注漿錨桿，邊墻φ22砂漿錨桿，錨桿長2.5 m，環向間距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.水工隧洞襯砌結構的缺陷檢測及穩定性分析［D］.成都:西南交通大學，2014.

［2］ SL 191—2008，水工混凝土結構設計規范［S］.

［3］ SL 252—2000，水利水電工程等級劃分及洪水標準［S］.

［4］ SL 279—2002，水工隧洞設計規范［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