錨噴襯砌在長距離城門洞形引水隧洞中的應用

郝明

（遼寧省水利水電勘測設計研究院，遼寧沈陽110006）

錨噴襯砌在長距離城門洞形引水隧洞中的應用

郝明

（遼寧省水利水電勘測設計研究院，遼寧沈陽110006）

對于城門洞形隧洞襯砌計算，目前均采用《水工隧洞設計規范》規定的邊值數值解法，或通過隧洞襯砌計算軟件SDCAD計算。該方法對于小斷面城門洞形隧洞，按照邊值法計算后，即使圍巖條件較好的洞段采用鋼筋混凝土襯砌，仍需采用雙層配筋，對長距離引水工程來說，投資較大。因此，通過ANSYS有限元法和邊值數值解法進行對比計算分析，對于小斷面城門洞形隧洞襯砌進行優化，以集安供水工程為例，主要論證Ⅱ、Ⅲ類圍巖采用錨噴襯砌的可行性，有效節省投資。

引水隧洞；城門洞形；錨噴襯砌；ANSYS；有限元分析

0 前言

隧洞的斷面形式分為小斷面和大斷面，大斷面寬度20 m以上，小斷面寬度2 m以下，但在國內小斷面的長距離輸水隧洞工程實例還較少，本文以集安供水工程為例，主要研究長距離小斷面城門洞形引水隧洞的襯砌優化在工程投資中的作用，對于城門洞形隧洞襯砌計算，目前均采用《水工隧洞設計規范》[1-2]規定的邊值數值解法，或通過隧洞襯砌計算軟件SDCAD計算，但計算結果仍需采用雙層配筋，這對長距離引水工程無疑是一種較大的投資，本文通過ANSYS有限元法和邊值數值解法進行對比計算分析，對于小斷面城門洞形隧洞襯砌進行優化[3]，論證Ⅱ、Ⅲ類圍巖采用錨噴襯砌的可行性。

1 工程概況

集安供水工程位于吉林省集安市境內，引水隧洞全長14.6 km，為有壓隧洞，斷面為城門洞形，成洞洞徑為2.4 m×2.2 m（寬×高，其中直墻高1.0 m，圓拱高1.2 m），設計年供水量3400萬m3，設計水頭為60 m。本工程主要建筑物引水隧洞級別為3級，次要建筑物如施工支洞、生產輔助用房等級為4級。

引水隧洞地形地貌屬長白山南延龍崗山脈侵蝕斷褶中低山地形，洞室埋深多在90 m以上。隧洞穿越的地層巖性較簡單，主要為侏羅紀侵入花崗巖，硬質巖，巖體微風化~新鮮巖為主，節理較發育~不發育，多閉合，無充填，巖體完整性差~較完整，巖體呈鑲嵌結構~次塊狀結構。隧洞圍巖類別以Ⅱ、Ⅲ類為主，其中Ⅱ類~Ⅴ類所占比例分別為25.5%、64.4%、3.5%、6.7%。

2 隧洞襯砌計算

本工程初步設計階段擬采用鋼筋混凝土襯砌，混凝土強度指標為C30，其中Ⅱ、Ⅲ類圍巖襯砌厚度為250 mm，襯砌長度為13.12 km，考慮到小斷面隧洞襯砌施工的難度及節約工程投資、縮短工程工期，在實際施工過程中，結合現場揭露出的圍巖及監控量測結果，對隧洞Ⅱ、Ⅲ類圍巖襯砌形式進行優化設計。

2.1 圍巖物理力學參數（見表1）

表1 圍巖物理力學參數表

2.2 鋼筋混凝土襯砌計算

2.2.1 計算方法及計算程序

根據《水工隧洞設計規范》SL279-2016對隧洞襯砌結構計算的規定，對Ⅱ、Ⅲ類圍巖的隧洞襯砌結構宜采用邊值法。程序計算采用《SDCAD5.0》，由中南勘測設計研究院有限公司編制的隧洞襯砌計算程序[4-5]。襯砌初選厚度為250 mm，混凝土標號采用C30，鋼筋采用HRB400。

2.2.2 彎矩圖及配筋

圖1圓拱直墻形受力圖（Ⅱ類圍巖）

圖2圓拱直墻形受力圖（Ⅲ類圍巖）

Ⅱ類圍巖計算結果詳見圖1，Ⅲ類圍巖計算結果詳見圖2。

從圖1、2可以看出，對于圓拱直墻型斷面來說，底部兩個直角位置的彎矩、剪力值均較大，且正負彎矩均存在較大值；拱頂位置彎矩貢獻作用較大，根據邊值法計算均需配雙層鋼筋，配筋量與襯砌量計算結果詳見表2。

2.3 ANSYS有限元對比分析

2.3.1 基于ANSYS有限元錨噴襯砌計算

（1）分析步驟

表2 城門洞形隧洞Ⅱ、Ⅲ類圍巖襯砌配筋表

建立ANSYS的二維計算模型，圍巖采用PLANE42單元模擬，錨噴襯砌結構采用BEAM3單元模擬。隧洞圍巖邊界取10倍以上洞徑[6]，而ANSYS中加載，首先施加初始加速度荷載，加速度為9.81m/s2。根據規范規定施加外荷載，其中包括，襯砌自重、內水壓力、外水壓力、回填灌漿壓力，施加邊界約束條件。

雖然通過邊值法（或結構力學法）計算城門洞形斷面各類圍巖段均需配置雙層筋[7-8]，但考慮集安供水工程壓力隧洞洞頂以上圍巖厚度均大于90 m，不存在內水外滲、滲透失穩和環境問題，因此考慮將鋼筋混凝土襯砌優化成錨噴襯砌，通過ANSYS有限元計算錨噴襯砌是否滿足穩定、位移、強度要求。也主要分析Ⅱ、Ⅲ類圍巖，物理力學參數參見表1。

（2）錨噴襯砌參數選擇

Ⅱ類圍巖：噴50 mm厚的混凝土，局部可加設Φ22錨桿。

Ⅲ類圍巖：噴80 mm厚的混凝土，頂拱布設局部錨桿Φ22，入巖長度為1.5 m，局部頂拱掛網Φ8@150 mm×150 mm。

圖3斷面位移控制結點圖

圖4Ⅱ類圍巖斷面位移矢量圖

圖5Ⅱ類圍巖斷面位移云圖

圖6Ⅲ類圍巖斷面位移矢量圖

圖7Ⅲ類圍巖斷面位移云圖

2.3.2 位移穩定分析

對斷面進行單元劃分，共24個單元，24個結點，斷面位移控制結點詳見圖3。通過斷面上各結點的位移分析，錨噴襯砌后各類圍巖斷面頂部沉降位移和底部隆起位移最大。斷面在100 m埋深工況下的拱頂最大沉降位移分別為：城門洞型斷面為Ⅱ類圍巖中為0.110 mm，Ⅲ類圍巖中為2.5 mm。底部隆起位移詳見圖4、圖6。圖5、圖7為洞室開挖后的位移分析圖，從圖中可以清楚地看出洞室開挖后各處位移趨勢。

從圖中可以看出兩類斷面錨噴完后水平位移相對豎向位移很小，隧洞開挖后變形趨勢為頂部沉降、底部鼓起、側向收縮。各類斷面洞周位移趨勢基本一致，頂拱處和底板中心處位移最大，而且位移值均在許可的范圍之內。

根據《水工隧洞設計規范》DL/T5195-2004中11.1.2節規定，對II類及部分III類圍巖宜采用不承載的混凝土襯砌，考慮II類、III類圍巖條件較好，初期支護后滿足穩定要求，因此主洞斷面II類、III類圍巖采用錨噴襯砌作為永久支護結構是合理的。

3 結語

（1）根據《水工隧洞設計規范》的邊值數值解法，Ⅱ、Ⅲ類需雙層配筋，通過有限元計算，Ⅱ、Ⅲ類圍巖洞段，經過錨噴支護后，水平位移和豎向位移很小，基本能滿足穩定要求。

（2）對于小斷面長距離城門洞形引水隧洞，圍巖條件較好洞段，當滿足覆蓋巖體不上抬、不發生水力劈裂和滲透失穩破壞時，采用錨噴襯砌不僅在技術上可行，而且經濟效益明顯，可大幅度縮減工期。

[1]中華人民共和國國家發展和改革委員會.DL/T5195.2004.水工隧洞設計規范[S].北京:中國電力出版社.

[2]中華人民共和國水利部.SL279-2016水工隧洞設計規范[S].北京.中國水利水電出版社.

[3]陸莉娜,呂燕.直墻半圓拱導流洞襯砌結構優化研究[J].水利與建筑工程學報.2013.11(6).

[4]胡本雄.有壓小斷面長隧洞斷面形式的比較分析.中國農村水利水電[J].（2005）09-0097-02.

[5]侯華梁,張輝.小斷面長引水隧洞襯砌綜合施工技術.水利科技與經濟[J].2013.10(19)110~113.

[6]邵潮鑫,沈振中.基于ANSYS的隧洞襯砌有限元分析配筋法研究.南水北調與水利科技[J].2014,08(12)116~119.

[7]楊曉娟,漆文邦,鄭俊等.中小型水電站非圓形有壓隧洞襯砌配筋計算.水利發電[J].2012,01(38)27~29.

[8]任旭華,李同春,陳祥榮.錦屏二級水電站深埋引水隧洞襯砌及圍巖結構分析.巖石力學與工程學報[J].2001,01(20)16~19.

Application of Bolting&Shotcrete and Lining in Long Distance City-gate Shaped Water Tunnel

Hao Ming
（LiaoningProvincial Water resources and hydropower surveyand design institute Shenyang110006,Liaoning）

For lining calculation of the city-gate shaped tunnel,the boundary value numerical method specified by the "Design Code for Hydraulic Tunnels"is used at present,or the tunneling calculation software SDCAD.For the small-section gates-shaped tunnel,it is calculated by the boundary value method.Even if the tunnel section with good surrounding rock is reinforced with reinforced concrete lining,the double reinforcement is still needed.For long distance water diversion project,it is investment in vast.Therefore,through compare ANSYS finite element method to the boundary value numerical method for calculating and analyzing,for the small section gates,its lining is optimized,for an example of the water supply works,it mainly discusses classⅡandⅢsurrounding rock that they are executed by the bolting and shotcrete and lining method and is effective savingofinvestment.

Diversion tunnel,city-gate tunnel,boltingand shotcrete and lining,ANSYSand finite element analysis

TV672.1

B

1673-9000（2017）03-0107-03

2017-01-25

郝明（1985-），男，遼寧沈陽人，工程師，主要從事水利工程、結構工程設計及管理方面工作。