邱莊水庫大嶺隧洞襯砌內(nèi)力分析

張愛哲

（唐山市引灤工程管理局邱莊水庫樞紐事務(wù)中心，河北 唐山 063000）

1 工程概況

大嶺隧洞位于邱莊水庫大壩上游約4.5km的還鄉(xiāng)河左岸，是引還入陡工程的渠首建筑物。隧洞穿過水庫庫區(qū)左岸相對高差約120m的分水嶺，全長704m，設(shè)計(jì)輸水流量40m3/s，由上游引渠段、進(jìn)口事故檢修閘、洞身段及出口工作閘組成。大嶺隧洞斷面形式為圓形，內(nèi)徑5.5m，洞底縱坡0.38%，正常輸水情況下為洞內(nèi)有壓流。本文對隧洞在各種運(yùn)行工況下的襯砌內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算分析，為隧洞結(jié)構(gòu)安全評價(jià)提供依據(jù)。

圖1 隧洞襯砌斷面

2 內(nèi)力計(jì)算代表斷面

大嶺隧洞采用全斷面鋼筋混凝土襯砌，為保證隧洞襯砌及圍巖共同承擔(dān)內(nèi)水壓力，襯砌完成后對圍巖進(jìn)行了固結(jié)灌漿處理，隧洞典型斷面如圖1。隧洞襯砌內(nèi)力計(jì)算代表斷面的選取主要考慮圍巖巖性、洞頂巖層厚度及襯砌斷面尺寸等因素。大嶺隧洞圍巖巖性大部分洞段為白云質(zhì)灰?guī)r，巖體新鮮完整，致密堅(jiān)硬，節(jié)理不發(fā)育；0+160～0+180和0+250～0+270兩段為泥灰?guī)r，巖體風(fēng)化較為嚴(yán)重。洞頂巖層厚度一般洞段大于50m，出口段最薄處為12m。隧洞襯砌厚度除出口段為0.7m外，其余洞段均為0.4m。根據(jù)上述圍巖類別、洞頂巖層厚度及洞身襯砌斷面尺寸，選取以下3個斷面為襯砌內(nèi)力計(jì)算代表斷面：

斷面1：白云質(zhì)灰?guī)r洞段，洞頂巖層厚度大于50m，襯砌厚度0.4m。

斷面2：泥灰?guī)r洞段，洞頂巖層厚度大于50m，襯砌厚度0.4m。

斷面3：白云質(zhì)灰?guī)r洞段，洞頂巖層厚度12m，襯砌厚度0.7m。

3 荷載及荷載組合

3.1 荷載組合

由于邱莊水庫水位變幅較大，導(dǎo)致大嶺隧洞運(yùn)行狀況較為復(fù)雜。在水庫正常蓄水位隧洞正常運(yùn)行時，隧洞所承受的最大內(nèi)水壓力水頭達(dá)18.05m；在水庫校核洪水位時，隧洞襯砌所承受的內(nèi)水壓力水頭高達(dá)25.4m；而在水庫正常蓄水位而隧洞放水檢修時，襯砌不承擔(dān)內(nèi)水壓力，此時襯砌除承受圍巖壓力外，還將承受較大的外水壓力。故根據(jù)邱莊水庫特征水位及大嶺隧洞實(shí)際運(yùn)行情況，對于每一種計(jì)算代表斷面選擇以下荷載組合進(jìn)行襯砌內(nèi)力計(jì)算：①水庫正常蓄水位；②水庫校核洪水位；③水庫正常蓄水位，隧洞檢修。

3.2 圍巖壓力

大嶺隧洞在工況③ （水庫正常蓄水位，隧洞檢修）承受圍巖壓力。隧洞襯砌所承受的圍巖壓力與圍巖類別及完整情況、隧洞斷面形狀、開挖支護(hù)方式有關(guān)。大嶺隧洞斷面型式為圓形，圓形斷面使圍巖內(nèi)部形成拱效應(yīng)，有利于圍巖穩(wěn)定。其中，計(jì)算代表斷面1圍巖較為完整、致密，且厚度較大，在施工時采取了光面爆破開挖，并及時進(jìn)行了素噴混凝土臨時支護(hù)，該段隧洞在開挖過程中基本未發(fā)生掉塊現(xiàn)象，根據(jù)上述情況判斷該段圍巖的自穩(wěn)能力較好，故斷面1洞段不再考慮圍巖壓力。而斷面2（泥灰?guī)r段）及斷面3（隧洞出口段）圍巖較為破碎，施工開挖過程中掉塊較多，為結(jié)構(gòu)安全計(jì)，按照薄層及碎裂散體狀巖體計(jì)入圍巖壓力，計(jì)算公式如下：

式中 qv為垂直均布圍巖壓力 （kN/m2）；qh為水平均布圍巖壓力（kN/m2）；γr為巖體重度（kN/m3）；B為隧洞開挖寬度（m）；H為隧洞開挖高度（m）。

3.3 水壓力

3.3.1 內(nèi)水壓力

大嶺隧洞襯砌在工況①、②時均承受較大內(nèi)水壓力，內(nèi)水壓力值可由隧洞水壓線得出，工況①隧洞水壓線由庫水水位扣除沿程水頭損失確定，工況②水壓線與水庫校核水位持平，工況③由于隧洞無水，不再計(jì)入內(nèi)水壓力。

3.3.2 外水壓力

在邱莊水庫蓄水情況下，隧洞地下水位線取隧洞所穿越的分水嶺上游水位（即庫水位）與下游水位（即隧洞出口地下水位）連線，外水壓力由地下水位線至隧洞中心的作用水頭乘以折減系數(shù)得出。外水壓力折減系數(shù)與圍巖狀況與排水條件有關(guān)，大嶺隧洞為有壓隧洞，為防止內(nèi)水外滲，沿線洞身均未設(shè)置排水孔，故排水對外水壓力折減的影響不再計(jì)入。根據(jù)隧洞圍巖的完整性及滲透性確定外水壓力折減系數(shù)，除出口段以外的白云質(zhì)灰?guī)r洞段（斷面1）圍巖完整，節(jié)理裂隙不發(fā)育，透水性很小，取外水壓力折減系數(shù)取0.2；出口段（斷面3）和泥灰?guī)r段（斷面2）圍巖相對較為破碎，透水性較大，其折減系數(shù)均取0.6。

3.4 圍巖彈性抗力

大嶺隧洞在工況①、②情況下襯砌及圍巖將共同承擔(dān)內(nèi)水壓力。較為準(zhǔn)確地確定圍巖彈性抗力，是計(jì)算有壓隧洞襯砌內(nèi)力的關(guān)鍵。計(jì)算代表斷面3圍巖厚度僅為12m，小于3倍開挖洞徑，為安全計(jì)，襯砌內(nèi)力時計(jì)算不考慮圍巖抗力。計(jì)算代表斷面1、2圍巖厚度較大，且在襯砌完成后對圍巖進(jìn)行了固結(jié)灌漿，圍巖的完整性及襯砌與圍巖之間混凝土的密實(shí)性是有保證的，故在襯砌內(nèi)力計(jì)算時計(jì)入圍巖的彈性抗力。彈性抗力系數(shù)的選取根據(jù)隧洞工程地質(zhì)勘察試驗(yàn)成果確定，斷面1白云質(zhì)灰?guī)r洞段取30MPa/cm，斷面2泥灰?guī)r洞段取10MPa/cm。

4 計(jì)算成果及成果分析

4.1 計(jì)算成果

大嶺隧洞襯砌內(nèi)力計(jì)算采用 《理正巖土工程計(jì)算分析軟件》，該軟件將襯砌結(jié)構(gòu)的計(jì)算化為非線性常微分方程組的邊值問題，采用初參數(shù)數(shù)值解法。計(jì)算代表斷面1～3的內(nèi)力計(jì)算成果如表1，其軸向力、剪力及彎矩分布如圖2～圖4。其中軸向力以使微分段受拉為正，彎矩以使微分段內(nèi)側(cè)受拉為正，剪力使微分段產(chǎn)生逆時針轉(zhuǎn)向?yàn)檎?/p>

表1 襯砌內(nèi)力計(jì)算成果

圖2 工況①襯砌內(nèi)力圖

圖3 工況②襯砌內(nèi)力圖

圖4 工況③襯砌內(nèi)力圖

4.2 計(jì)算成果分析

由計(jì)算成果可知，工況①、②由于襯砌承受內(nèi)水壓力大于圍巖壓力與外水壓力之和，故各計(jì)算斷面襯砌軸力為拉應(yīng)力，處于偏拉內(nèi)力狀態(tài)；而工況③由于襯砌主要承受圍巖壓力與外水壓力，故各計(jì)算斷面襯砌軸力為壓應(yīng)力，處于偏壓內(nèi)力狀態(tài)。根據(jù)內(nèi)力計(jì)算成果，按照相關(guān)規(guī)范要求，對各計(jì)算斷面在各種工況下進(jìn)行配筋復(fù)核計(jì)算，經(jīng)復(fù)核隧洞襯砌配筋可滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

5 結(jié)語

根據(jù)大嶺隧洞沿線圍巖類別、圍巖厚度及隧洞襯砌斷面尺寸，選取3個斷面為襯砌內(nèi)力計(jì)算代表斷面。計(jì)算過程中，根據(jù)圍巖情況及不同荷載組合，合理確定圍巖壓力、內(nèi)（外）水壓力及圍巖彈性抗力，取得了較為可靠的內(nèi)力計(jì)算成果，為隧洞結(jié)構(gòu)安全評價(jià)提供了依據(jù)。