不良地質條件輸水隧洞斷面比選分析

陳業芹，王艾艾，魏 勇

（上海宏波工程咨詢管理有限公司，上海 浦東200120）

1 工程概況

擬建某輸水隧洞全長3.0 km，隧洞進口接輸水管末端，進口高程1941.0 m，底坡1/1500，隧洞出口接箱涵，出口高程1939.0 m，隧洞設計流量7.56 m3/s。隧洞埋深一般150 m～200 m，最大埋深330 m。隧洞巖性主要有石英砂巖夾白云巖、泥質灰巖、粉砂質泥巖、石英砂巖等組成。隧洞沿線斷層及皺褶較發育，主要發育褶皺為向斜，發育主要斷裂構造5條：分別為向斜、FⅣ-15斷層、F34斷層（大石盆斷裂）、FⅥ-17斷層、FⅥ-16斷裂、FⅥ-18斷裂。隧洞沿線圍巖主要分布Ⅳ類、Ⅴ類圍巖、有少量的Ⅲ類圍巖，隧洞巖石（體）主要物理力學參數建議值見表1。

表1 隧洞圍巖巖體力學參數取值

2 初選斷面比較

擬建輸水隧洞為無壓洞，考慮采取鉆爆法施工，初步選擇采用城門洞型、馬蹄形兩種斷面，在同等條件下進行水力計算[1]。擬建輸水隧洞選擇城門洞型和馬蹄型斷面進行分析，兩種斷面型式典型橫斷面見圖1，根據《水力學》中計算公式[2]，計算得到的水力參數比較見表2。表2中有關參數按下式計算：

式中：Q為設計流量，m3/s；A為過水斷面，m2；C為謝才系數；R為水力半徑，m；i為底坡比降；n為糙率系數；m為邊坡系數。

圖1 兩種斷面形式典型橫斷面圖（尺寸單位：cm）

表2 擬建輸水隧洞斷面形式水力參數比較表

擬建輸水隧洞為長隧洞（2510 m），在輸水流量、設計底坡、糙率相同的條件下，經計算得，城門洞型洞寬、水深、過水斷面面積及凈空面積、凈空比分別為2.5 m、2.29 m、5.725 m2、1.25 m2和17.92%，馬蹄形斷面計算值為 2.53 m、2.16 m、5.79 m2、1.483 m2和19.84%，馬蹄型與城門洞型相比，具有開挖斷面小，凈空面積及凈空比大等優點，同時，馬蹄型斷面水流過流能力也優于城門洞型，經比較，初步選用馬蹄形斷面，但還需要通過結構受力、經濟對比進一步分析比較，選擇合理的開挖斷面[2～4]。

3 受力分析

3.1 計算模型

兩種斷面襯砌結構內力計算方法均采用邊值法[5]，計算原理歸結為求解非線性常微分方程組的邊值問題，計算軟件采用水工隧洞鋼筋混凝土襯砌計算機輔助設計軟件（簡稱SDCAD），選取圓拱直墻斷面和馬蹄形斷面2種計算模型，進行襯砌結構內力計算分析。圓拱直墻城門洞型輸水隧洞，襯砌厚度0.4 m，洞高2.48 m（從底板中心線算起到直墻高度），頂拱半徑1.44 m，頂拱半中心角62.5°。馬蹄形輸水隧洞，襯砌厚度0.4 m，頂拱半徑1.47 m，頂拱半中心角65°，側墻半徑4.37 m，側墻夾角17°，弧形底板半徑4.37 m，半中心角17.6°。

3.2 兩種斷面形式襯砌結構計算分析

3.2.1 計算數據、工況及荷載組合

隧洞圍巖巖體力學參數取值見表2，選擇Ⅳ類圍巖洞段進行分析，垂直壓力系數取0.3，側向壓力系數取0.1，計算外水頭H=50 m，內水壓力分別為2.29 m、2.16 m，計算工況取運行期持久狀況，檢修狀況及施工狀況，外水折減系數分別為0.4、0.5、0.3。

3種工況下的外水壓力通過外水折減系數自動求出，運行期持久工況輸水隧洞內有內水壓力，檢修、施工工況洞內無水，無內水壓力，圍巖壓力通過壓力系數軟件自動加載，計算中對襯砌上的彈性抗力不作任何假定，可由計算機進行迭代計算自動求出抗力分布，施工工況考慮灌漿壓力，折減后灌漿壓力值取0.2 MPa[4～5]，其計算工況對應的荷載組合如下[6～7]：

（1）運行期：內水壓力+外水壓力+圍巖壓力+襯砌自重+圍巖彈性抗力

（2）檢修期：外水壓力+圍巖壓力+襯砌自重+圍巖彈性抗力

（3）施工期：灌漿壓力+外水壓力+圍巖壓力+襯砌自重+圍巖彈性抗力

3.2.2 襯砌內力計算及結果分析

通過SDCAD軟件在3種工況下計算得到隧洞襯砌結構的彎矩、軸力及剪力值數據較多，所占篇幅大，本文僅對運行期持久狀況下得到的內力、位移值進行整理、分析，所得結果見表3，并給出3種工況下內力圖見圖2～圖3。

表3 兩種斷面形式運行期持久工況內力計算成果表

圖2 運行期持久狀況內力分布圖

圖3 施工況內力分布圖

由3種工況下的內力計算成果以及內力分布圖可知，3種工況下城門洞型斷面襯砌結構產生的內力明顯大于馬蹄形斷面，尤其是在底板與邊墻交接位置，內力變化很大，這是因為城門洞型斷面在底板與邊墻交接處沒有過渡，為結構突變部位，在結構上產生應力集中[7]，以運行期持久工況為例，城門洞型斷面在交接位置剪力為290.44 kN，馬蹄形斷面在墻角處的剪力為173.03 kN，前者彎矩是后者彎矩的1.68倍；城門洞型斷面在交接位置彎矩為98.19 kN·m，馬蹄形斷面在墻角處的彎矩為53.51 kN·m，前者彎矩是后者彎矩的1.68倍，馬蹄形斷面襯砌結構具有很大的優勢。

從軸力比較得，馬蹄形斷面隧洞受軸力情況下，最大值比城門洞型斷面最大值大，但相差不大，而最小值，城門洞型斷面要比馬蹄形斷面小很多，這就使得城門洞型斷面最大值與最小值之差，大于馬蹄形斷面最大值與最小值之差。城門洞型斷面軸力分布上沒有馬蹄形斷面軸力分布的均勻。

從位移情況看，馬蹄形斷面隧洞的切向位移與法向位移值比城門洞型斷面的切向、法向位移小，這說明馬蹄形斷面襯砌結構在各種荷載作用下產生的變形小，結構更加穩定、安全。

3.2.3 襯砌結構應力分析

表4 3種工況下襯砌應力極值表 單位：kPa

（2）剪力計算由Vc=0.07fcbh0（fc為混凝土軸心抗壓強度設計值，N/mm2；b為矩形截面寬度，mm；h0為截面有效高度，為300 mm）得到，兩種斷面隧洞襯砌混凝土的抗剪強度為250 kN，由剪力圖比較可知，在3種工況下，城門洞型斷面除在邊墻與底板交接處剪力值不能滿足要求外，其他部位剪力均滿足要求，馬蹄形斷面襯砌結構在施工期邊墻與底板交接處剪力值不能滿足要求外，其它2種工況均滿足要求，并且馬蹄形斷面受剪力情況較城門洞型小，選擇馬蹄形斷面時應在邊墻與底板之間設置結構縫[8,9]。

根據兩種斷面在3種不同工況下襯砌結構的內力分析，馬蹄形斷面在受力、位移上均優于城門洞型，克服了城門洞型因結構突變而產生的應力集中，故選擇馬蹄形斷面為擬建輸水隧洞的推薦斷面。

4 工程量及投資比較

本文將兩種不同斷面形式隧洞得到工程量及投資對比見表5。

表5 隧洞工程量及投資比較表

經過兩種不同斷面投資對比可知，當擬建輸水隧洞斷面形式為城門洞型斷面（2.5 m×3.0 m）時，投資為3356.64萬元，隧洞每米造價約1.34萬元，當斷面形式為馬蹄形斷面時，投資為3282.93萬元，隧洞每米造價約1.31萬元，每米比城門洞型斷面節省0.3萬元，總投資節省約73.71萬元，選用馬蹄形隧洞投資更省，從投資考慮選擇馬蹄形斷面較好[10]。

5 結論

（1）馬蹄形斷面在水工隧洞中應用逐漸增多，設計時要從水力、結構、投資等方面綜合比選，不能簡單地選擇施工簡單、方便的斷面形式；

（2）馬蹄型斷面開挖對施工技術控制的要求高，開挖控制不好就會開挖成城門洞型，將失去馬蹄型斷面的優勢，因此一定要加強施工隊伍施工技術水平，嚴把設計、施工質量關，保證工程安全、經濟。