軟弱松散巖體淺埋隧洞襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

程 宵，蘇軍安，王福初，周春根，吳文洪

(1.水能資源利用關(guān)鍵技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長沙410014；2.中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長沙410014)

當(dāng)隧洞圍巖為軟弱松散巖體，且洞頂上覆埋深小，屬于軟弱松散巖體淺埋隧洞。一般情況下，圍巖厚度越小，承載能力越差，滲透穩(wěn)定越難滿足，覆蓋在隧洞頂上的巖體不可能形成完整的支撐環(huán)，襯砌結(jié)構(gòu)承受所有的巖體松散壓力。在埋深淺、圍巖穩(wěn)定性差的淺埋隧洞基本采用明挖，盡量避免淺埋隧洞暗挖。托巴水電站工程地處高山峽谷區(qū)，考慮棄渣場運(yùn)用要求等因素，采用了淺埋暗挖進(jìn)洞方式。目前，我國對軟巖淺埋隧洞設(shè)計(jì)研究的尚不多見，本文根據(jù)《水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)手冊》[1]、《導(dǎo)流截流及圍堰工程》[2]、《水工設(shè)計(jì)手冊》[3]和《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]等規(guī)定的山巖壓力計(jì)算理論開展對襯砌結(jié)構(gòu)的敏感性計(jì)算分析，并提出相應(yīng)安全控制措施，可作為今后類似條件下襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)評估的有益參考。

1 工程概況

托巴水電站工程位于云南省迪慶州維西縣中路鄉(xiāng)境內(nèi)，為一等大(1)型工程，考慮到工程施工棄渣規(guī)劃，在長約1.00 km的沖溝(中路溝)布置了一個(gè)總?cè)萘考s587萬m3的永久棄渣場，棄渣高度約120 m。中路溝棄渣場在沖溝上游側(cè)布置了1條永久排水隧洞，將沖溝內(nèi)的水引至瀾滄江，其防洪標(biāo)準(zhǔn)選用100 a重現(xiàn)期，設(shè)計(jì)流量為129 m3/s。

排水隧洞長1 219.142 m，進(jìn)口底板高程1 757 m，出口底板高程1 630.3 m。根據(jù)排水隧洞實(shí)際開挖揭露的地質(zhì)情況，樁號(hào)P0+000～P0+095段圍巖為軟巖，且呈碎塊石夾泥為主的散體結(jié)構(gòu)，圍巖自穩(wěn)性差，淺埋洞段采用全斷面鋼筋混凝土襯砌。過水?dāng)嗝鏋閳A拱直墻型，洞寬4.4 m，高5.4 m，頂拱中心角116.53°，頂拱半徑2.587 m，襯砌采用C30鋼筋混凝土，厚度1.0 m，底板與直墻直角連接。

2 軟弱松散淺埋隧洞判定

軟弱松散圍巖以碎塊石夾泥為主的散體結(jié)構(gòu)組成，遇水易軟化，圍巖主要特征值見表1。

表1 圍巖材料主要計(jì)算參數(shù)

表2 軟弱松散巖體淺埋洞段樁號(hào)P0+095.00斷面山巖壓力組合工況

根據(jù)《導(dǎo)流截流及圍堰工程》上冊淺埋隧洞山巖壓力計(jì)算，淺埋隧洞的臨界深度按下式估算[2]

(1)

式中，Hmax為深、淺埋隧洞分界深度，m；b1為計(jì)算寬度，b1=b+2htan(45°-0.5φ)，m；b和h分別為隧洞開挖寬度和高度，m；φ為底層巖石內(nèi)摩擦角,(°)。

經(jīng)計(jì)算得出軟弱松散圍巖深、淺埋隧洞的分界深度為42.82 m，排水洞實(shí)際開挖揭露出在樁號(hào)P0±000.000～P0+095.000洞段圍巖為軟弱松散巖體，埋深均小于該計(jì)算值，為淺埋隧洞，其中，P0+095.000斷面洞頂以上最大埋深32.39 m，且外水水位最高(襯砌底板頂面以上水頭16.181 m)，將其作為淺埋洞段的典型計(jì)算斷面開展襯砌結(jié)構(gòu)敏感性計(jì)算。

3 淺埋隧洞計(jì)算分析

3.1 淺埋隧洞山巖壓力計(jì)算方法

(1)豎向山巖壓力[2]計(jì)算需考慮兩側(cè)摩擦力作用，采用式(2)和(3)進(jìn)行計(jì)算。

(2)

(3)

式中，H為洞頂以上埋深，m；γ為巖石容重，kN/m3；其他符號(hào)含義同前。

(2)側(cè)向山巖壓力計(jì)算未有明確的計(jì)算方法，主要根據(jù)圍巖側(cè)壁是否穩(wěn)定，參考《水工設(shè)計(jì)手冊》[2]中普氏理論(朗肯主動(dòng)土壓力)、松散介質(zhì)理論和《導(dǎo)流截流及圍堰工程》[2]中松動(dòng)介質(zhì)平衡理論中側(cè)向山巖壓力計(jì)算開展敏感性分析。

(3)淺埋洞段襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算采用了水工隧洞鋼筋混凝土襯砌計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)(SDCAD)中邊值法。計(jì)算基于以下假定：①作用對稱于排水洞垂直中心線；②垂直和側(cè)向圍巖松動(dòng)壓力，均按均勻分布考慮；③襯砌自重沿襯砌的結(jié)構(gòu)中心線均勻分布；④排水洞外水壓力作用方向均與襯砌結(jié)構(gòu)的中心線成正交。

3.2 計(jì)算工況

由于淺埋隧洞側(cè)向山巖壓力沒有明確的計(jì)算方法，本文根據(jù)普氏理論(朗肯主動(dòng)土壓力)、松散介質(zhì)理論和松動(dòng)介質(zhì)平衡理論中的側(cè)向山巖壓力開展襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定敏感性計(jì)算，考慮3種不同計(jì)算工況組合(見表2)。

3.3 襯砌結(jié)構(gòu)受力分析

3.3.1 內(nèi)力成果分析

方案①的側(cè)向山巖壓力系數(shù)采用朗肯主動(dòng)土壓力計(jì)算取值，數(shù)值為1.894。其軸力、剪力和彎矩計(jì)算成果表明，底板和邊墻所受軸力均較大，最大數(shù)值分別為-1 244.75 kN和-1 468.24 kN(壓力)，出現(xiàn)在底板和邊墻交匯處；底板與邊墻交匯處剪力也最大，數(shù)值分別為1 468.23 kN和-1 244.75 kN；底板中部和邊墻腰部一定范圍內(nèi)彎矩為正值，表明內(nèi)側(cè)為相對受拉區(qū)，底板端部、邊墻底部和頂拱部位彎矩為負(fù)值，表明外側(cè)為相對受拉區(qū)，內(nèi)力圖如圖1所示。

圖1 方案①內(nèi)力

圖2 方案②內(nèi)力

方案②豎向山巖壓力與方案①一樣，側(cè)向山巖壓力按松動(dòng)介質(zhì)理論計(jì)算，數(shù)值為0.262，側(cè)向山巖壓力系數(shù)明顯減小。其軸力、剪力和彎矩計(jì)算成果表明，相較方案①，由于水平向施加荷載減小，底板軸力和邊墻底部剪力有所減小(最大數(shù)值均為-630.34 kN)，邊墻軸力和底板端部剪力略小(最大數(shù)值分別為-1465.82 kN和1465.81 kN)；邊墻和底板的彎矩規(guī)律基本一致，底板內(nèi)側(cè)和邊墻外側(cè)相對受拉區(qū)范圍有所增加，頂拱的彎矩規(guī)律直觀上有所差別，主要表現(xiàn)為拱頂一定范圍內(nèi)彎矩為正值，內(nèi)側(cè)為相對受拉區(qū)，原因是施加的豎向荷載較大，頂拱拱效應(yīng)將力傳遞到拱座，而施加的水平荷載較小不能完全抵抗傳遞來的拱座推力，拱座表現(xiàn)為向洞外變形的趨勢，拱頂表現(xiàn)為向下變形趨勢，因此頂拱的彎矩規(guī)律本質(zhì)上也是一致的，內(nèi)力如圖2所示。

方案③豎向山巖壓力與方案①一樣，側(cè)向山巖壓力按松散介質(zhì)平衡理論計(jì)算，數(shù)值為0.1，相較方案②側(cè)向山巖壓力系數(shù)又有所減小。其軸力、剪力和彎矩計(jì)算規(guī)律基本與方案②相同，由于水平向施加的荷載進(jìn)一步減小，底板軸力和邊墻底部剪力也相應(yīng)減小(最大數(shù)值均為-570.95 kN)，邊墻軸力和底板端部剪力略小(最大數(shù)值分別為-1 465.83 kN和1 465.82 kN)，內(nèi)力如表3所示。

3.3.2 襯砌配筋成果分析

根據(jù)方案①～方案③的軸力、剪力和彎矩內(nèi)力成果，列出了襯砌厚度為1.0 m時(shí)所需配筋，如圖1所示。

3.3.3 各方案計(jì)算成果比選分析

方案①～方案③的計(jì)算內(nèi)力和配筋成果表明，在同樣襯砌厚度情況下，對于軟弱松散巖體淺埋隧洞，圍巖自穩(wěn)性較差，不僅不能與襯砌聯(lián)合承載，而且作用在襯砌上的山巖壓力較大，結(jié)合外水壓力的雙重影響，需加強(qiáng)重視襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。方案①～方案③中襯砌豎向山巖壓力和外水壓力相同，僅考慮圍巖側(cè)壁是否穩(wěn)定、側(cè)向山巖壓力數(shù)值不同，主要體現(xiàn)在襯砌邊墻軸力和底板剪力數(shù)值差別很小，但由于水平向施加的荷載減少，襯砌底板軸力和邊墻剪力差別較大。

圖3 方案③內(nèi)力

方案名稱正截面計(jì)算配筋斜截面計(jì)算配筋方案①方案②方案③頂拱雙側(cè)16@200;邊墻、底板雙側(cè)20@200底板角隅和邊墻角隅所需配筋面積分別為1735mm2和872mm2,第一排彎起鋼筋分別為32@400和22@400;均無需第二排彎起鋼筋底板角隅所需配筋面積分別為1920mm2,第一排彎起鋼筋為32@400;邊墻無需設(shè)置彎起鋼筋底板角隅所需配筋面積分別為1939mm2,第一排彎起鋼筋為32@400;邊墻無需設(shè)置彎起鋼筋

方案①襯砌承受的軸力和剪力最大，底板和邊墻角隅均需配置斜截面抗剪鋼筋，面積分別為1 735 mm2和872 mm2，相較方案②和方案③，底板角隅的抗剪面積較少，邊墻角隅的抗剪面積較多，雖方案①不作為軟弱松散巖體淺埋隧洞設(shè)計(jì)的控制工況，但根據(jù)現(xiàn)場圍巖實(shí)際變形監(jiān)測，圍巖側(cè)壁腰部變形較明顯，因此，對于若軟松散巖體淺埋隧洞，側(cè)向山巖壓力采用主動(dòng)土壓力進(jìn)行計(jì)算更為合適。

4 減小襯砌結(jié)構(gòu)斜截面抗剪能力的措施

從上節(jié)的分析結(jié)果可以看出，軟弱松散巖體淺埋隧洞的山巖壓力作用顯著，在山巖壓力和外水壓力共同作用下，襯砌受力較大，尤其底板和邊墻直角連接處應(yīng)力集中區(qū)域較大，將出現(xiàn)較大范圍的剪切破壞區(qū)，且所需的抗剪鋼筋多。針對這一問題本文提出在邊墻和底板連接處設(shè)置貼腳措施，如圖4所示。

圖4 淺埋隧洞襯砌底板和邊墻連接處增設(shè)貼腳方案斷面(尺寸單位：mm)

經(jīng)計(jì)算分析，襯砌軸力、剪力和彎矩規(guī)律基本與方案①一致，但底板和邊墻連接處應(yīng)力集中有效緩解，數(shù)值分別為971.08 kN和-843.50 kN(壓力)，底板角隅和邊墻角隅斜截面所需配筋面積分別為997 mm2和407 mm2，相較方案①，剪力分別減小33.86%和32.24%，配筋面積分別減小42.54%和53.33%。內(nèi)力如圖5所示。經(jīng)計(jì)算，配筋成果為：襯砌頂拱、邊墻和底板均雙側(cè)配筋16@200；底板角隅和邊墻角隅所需配筋面積分別為997 mm2和407 mm2，第一排彎起鋼筋分別為25@400和16@400，均無需第二排彎起鋼筋。

5 結(jié) 論

(1)軟弱松散巖體淺埋隧洞具有埋深淺、圍巖自穩(wěn)性差、易軟化散體結(jié)構(gòu)等，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分認(rèn)識(shí)其特點(diǎn)，加強(qiáng)重視該類襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

圖5 底板和邊墻增設(shè)貼腳方案計(jì)算內(nèi)力

(2)根據(jù)現(xiàn)場圍巖實(shí)際變形監(jiān)測情況，軟弱松散巖體側(cè)壁腰部變形明顯，圍巖邊壁自身不能自穩(wěn)，淺埋隧洞側(cè)向山巖壓力優(yōu)先采用主動(dòng)土壓力進(jìn)行計(jì)算更合適。

(3)襯砌承受山巖壓力和外水壓力雙重作用，當(dāng)在底板和邊墻連接處增設(shè)貼腳時(shí)，能夠有效緩解應(yīng)力集中、減小剪切破壞區(qū)域、降低剪切破壞的可能性。因此，研究處于軟巖地質(zhì)條件下的淺埋隧洞的開挖和支護(hù)，對保證工程安全，加快施工速度，節(jié)省工程投資具有重大的意義，可為今后同類的淺埋隧洞設(shè)計(jì)提供參考。

[1] 康世榮, 陳東山. 水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)手冊[M]. 北京： 中國水利水電出版社, 1996．

[2] 鄭守仁, 王世華, 夏仲平, 等. 導(dǎo)流截流及圍堰工程[M]. 北京： 中國水利水電出版社, 2004．

[3] 索麗生, 劉寧. 水工設(shè)計(jì)手冊 [M]. 第2版. 北京： 中國水利水電出版社, 2013．

[4] SL 279—2016 水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．