某煤礦地下輸煤隧道結(jié)構(gòu)安全性分析

郭東韡

摘 要：地下輸煤隧道是電廠的核心基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)施，其在電廠發(fā)電中起著關(guān)鍵的交通運營作用，一旦地下輸煤隧道出現(xiàn)安全問題，將會給人們的生產(chǎn)、生活用電帶來麻煩。該文針對某電廠地下輸煤隧道結(jié)構(gòu)的安全性，通過有限元數(shù)值模擬對V-b、V-a型兩種襯砌斷面進行分析，通過結(jié)構(gòu)安全系數(shù)及裂縫寬度兩種方式對結(jié)果進行判定，可知對于地下深埋和淺埋輸煤隧道主要采用合理的隧道襯砌斷面，結(jié)構(gòu)的安全性可以得到保證。

關(guān)鍵詞：輸煤隧道 有限元 襯砌斷面 結(jié)構(gòu)安全性

中圖分類號：U455 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）06（a）-0053-02

地下輸煤隧道是電廠的核心基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)施，一旦地下輸煤隧道出現(xiàn)安全問題，將造成難以估量的經(jīng)濟損失。因此，做好地下輸煤隧道結(jié)構(gòu)的安全性分析顯得極其重要，目前國內(nèi)還沒有出現(xiàn)關(guān)于地下輸煤隧道的相關(guān)規(guī)范，所以，地下輸煤隧道結(jié)構(gòu)的安全性也只能借助于公路、鐵路隧道等的關(guān)規(guī)范進行分析。該文以某電廠地下輸煤隧道為工程實例，通過數(shù)值模擬對兩種不同襯砌斷面條件下的輸煤隧道進行分析，通過合理選取隧道襯砌斷面，以保證輸煤隧道的安全性。

1 隧道主體工程設(shè)計

該次設(shè)計結(jié)合輸煤隧道縱斷面布設(shè)要求，主要分析常用的Ⅴ-a型、Ⅴ-b型復(fù)合式襯砌，具體襯砌及參數(shù)如表1所示。

2 計算理論及基本假定

2.1 計算理論

采用荷載-結(jié)構(gòu)法進行分析，依據(jù)JTGD 70—2004《公路隧道設(shè)計規(guī)范》及相關(guān)文獻，在計算過程中，首先確定圍巖壓力，然后計算襯砌結(jié)構(gòu)在地層壓力及其他荷載作用下的內(nèi)力分布，最后根據(jù)內(nèi)力組合進行襯砌結(jié)構(gòu)的斷面驗算。

2.2 基本假定

對所建立的模型引入基本假定：（1）圍巖的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系符合摩爾庫倫模型（M-C模型）；（2）整個過程中襯砌處于完全彈性狀態(tài)。

3 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

3.1 材料的物理力學參數(shù)

圍巖的物理力學參數(shù)按照實際勘測資料選取，襯砌按照混凝土規(guī)范選取。在荷載-結(jié)構(gòu)法計算模型中，襯砌采用二維梁單元BEAM3模擬，梁單元寬度為單位寬度，梁高按實際設(shè)計襯砌厚度考慮。圍巖對襯砌的變形約束作用通過彈性抗力來實現(xiàn)，計算中彈性抗力采用彈簧單元COMBIN14模擬，圍巖彈性抗力系數(shù)參照JTGD 70—2004《公路隧道設(shè)計規(guī)范》，Ⅴ級圍巖情況下K=100 MPa/m。襯砌的荷載分擔比見表2。

3.2 Ⅴ-a型襯砌斷面

Ⅴ-a型復(fù)合式襯砌內(nèi)輪廓為城門洞型斷面，拱腳為直墻襯砌結(jié)構(gòu)，襯砌采用C35防腐鋼筋混凝土，襯砌全斷面厚度60 cm，襯砌計算模型如圖1所示。結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析與安全系數(shù)計算如下。

（1）計算結(jié)果。

隧道斷面范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)彎矩在拱頂、拱角、墻角和底板中心處較大；結(jié)構(gòu)軸力在拱頂位置較小，兩側(cè)邊墻隨埋深增加軸力變大，底板軸力為定值，襯砌結(jié)構(gòu)全斷面受壓。最大彎矩出現(xiàn)在墻角處，最大彎矩為585 kN·m，對應(yīng)軸力為1 780 kN，最大軸力出現(xiàn)在拱角處，最大軸力為2 013 kN，對應(yīng)彎矩為517 kN·m。

（2）配筋計算。

根據(jù)素混凝土計算表表3可以看出，襯砌各關(guān)鍵部位安全系數(shù)k均不滿足規(guī)范要求，故需要進行配筋計算，采用雙側(cè)對稱配筋，兩側(cè)均配8Φ25的鋼筋。

表3可以看到配筋后安全系數(shù)均大于隧道要求的K配≥2.0，均滿足裂縫計算寬度W≤0.3 mm的要求，故Ⅴ-a型襯砌斷面安全。

3.3 Ⅴ-b型襯砌斷面

Ⅴ-b型復(fù)合式襯砌內(nèi)輪廓為城門洞型斷面，拱腳為直墻襯砌結(jié)構(gòu)，襯砌采用C35防腐鋼筋混凝土，襯砌全斷面厚度70 cm。結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析與安全系數(shù)計算如下。

（1）計算結(jié)果。

根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)可知，隧道斷面范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)彎矩在拱頂、拱角、墻角和底板中心處較大；結(jié)構(gòu)軸力在拱頂位置較小，兩側(cè)邊墻隨埋深增加軸力變大，底板軸力為定值，襯砌結(jié)構(gòu)全斷面受壓。最大彎矩出現(xiàn)在墻角處，最大彎矩為832 kN·m，對應(yīng)軸力為2 210 kN；最大軸力出現(xiàn)在拱角處，最大軸力為2 484 kN，對應(yīng)彎矩為723 kN·m。

（2）配筋計算

根據(jù)素混凝土計算表表4可以看出，襯砌各關(guān)鍵部位安全系數(shù)k均不滿足規(guī)范要求，故需要進行配計算。采用雙側(cè)對稱配筋，兩側(cè)均配8Φ28的鋼筋。

表4可以看到配筋后安全系數(shù)均大于隧道要求的K配≥2.0，裂縫計算均滿足寬度W≤0.3 mm的要求，故Ⅴ-b型襯砌斷面安全。

4 結(jié)論

（1）各級圍巖襯砌的控制截面均是拱頂、拱腳、墻腳、底板中心處，相對位置是一致的，分布規(guī)律相同，與筆者以往工程經(jīng)驗和監(jiān)控量測結(jié)果規(guī)律相符，說明該次設(shè)計的隧道斷面結(jié)構(gòu)輪廓是安全的。

（2）分析中發(fā)現(xiàn)所有模型墻腳處的彎矩和軸力均較大，配筋后安全系數(shù)均能滿足要求，都可以保證結(jié)構(gòu)的安全性。

（3）對各斷面裂縫寬度進行驗算，均滿足裂縫計算寬度W≤0.3 mm的要求，即所選隧道襯砌截面結(jié)構(gòu)安全性可以得到保證。

參考文獻

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