輸水隧洞豎井馬頭門襯砌結構有限元分析

杭蘇成

(水利部新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000)

0 引 言

馬頭門作為井筒與巷道連接的關鍵部位，斷面大、受力復雜、周圍圍巖穩定性差、原巖壓力大、應力高度集中，極易發生大變形失穩破壞，導致出現不安全問題[1-3]。在馬頭門巷道施工過程中，由于圍巖失穩破壞而造成的冒頂、塌方事故時有發生。近年來，在我國新建的一些大中型礦井如淮南潘集一號井、阜新王家營立井、龍口北皂礦、大屯張雙樓礦等，其馬頭門巷道在施工過程中相繼發生圍巖失穩破壞的重大事故，不僅嚴重影響建井工期，浪費了大量資金，而且還造成慘重的人員傷亡[4-5]。

馬頭門是豎井的咽喉部位，其位置特殊，設計斷面大，服務年限長。通過對現有施工案例分析，馬頭門作為結構受力較復雜部位，極易發生事故。圍巖塑性變形等引起巷道底鼓、直墻外鼓、拱頂出現裂痕等破壞現象[6]。因此，在施工中應制定應急預案。施工中建議同步襯砌，襯砌的結構尤為重要。馬頭門是一個三維空間結構，本文采用有限元分析軟件Midas GTS NX對馬頭門襯砌結構進行數值模擬，從而優化傳統襯砌結構尺寸及結構配筋。

1 工程概況

新疆EH調水工程是一項長距離輸水工程，其中KS隧洞總長283.3 km，為無壓輸水隧洞，平均埋深428 m，最大埋深774 m，設計流量40 m3/s，縱坡1/2 583。KS隧洞地質條件復雜，采用開敞式TBM(全斷面硬巖掘進機)、礦山法等多種掘進方式相結合施工。

S5豎井位于K79+815處，豎井埋深為187.19 m，豎井開挖直徑為8.7 m，襯砌結構厚度為0.55 m，豎井內徑為7.6 m。馬頭門段主洞結構尺寸為14.65 m×11.575 m(寬度×高度)，該段長度為12 m。主洞段兩端連接喇叭口結構隧洞，隧洞為城門洞型，結構最小處尺寸為9.2 m×8.85 m(寬度×高度)，隧洞側墻及頂拱襯砌厚度為800 mm，底板厚度為1 200 mm。

取豎井結構8 m、馬頭門及主洞喇叭口段為研究對象，采用荷載-結構法，即認為圍巖對襯砌結構的作用以荷載的形式施加于襯砌表面，同時考慮圍巖與襯砌之間存在彈性抗力，從而計算襯砌結構的變形和分布規律[7]。

該段隧洞發育1條次級斷層(f72)，產狀290°NE∠68°，斷層走向與洞線方向夾角60°，破碎帶寬度80 m，斷層帶內以泥盆系凝灰巖、糜棱巖及碎裂巖為主，巖體穩定性差，為Ⅳ～Ⅴ類圍巖。隧洞主支洞交叉口處于泥盆系凝灰巖，圍巖整體穩定性較差，地質提供資料判定此處為IV類圍巖。

2 計算模型

根據工程布置，選取主洞計算長度為26 m、豎井標準斷面長度8 m的范圍為研究對象并建模計算。利用Midas GTS NX中2D殼單元模擬隧洞襯砌結構，通過軟件中曲面彈簧功能模擬圍巖與襯砌結構之間的彈性抗力。在施加荷載時，將作用在襯砌上的圍巖壓力和水壓力等荷載轉化為2D單元面力，分別按水平和垂直方向的分力施加在單元面上，同時施加重力加速度來模擬襯砌結構自重。由于圍巖和襯砌之間的不承受拉力，在建立曲面彈簧時需要設置曲面彈簧為彈性連接且僅受壓，從而得到最終結果。見圖1。

圖1 主支洞空間位置示意圖

3 計算參數及工況

3.1 力學參數

見表1和表2。

表1 襯砌材料參數

表2 圍巖力學參數

3.2 荷載計算

3.2.1 圍巖荷載計算

圍巖壓力：圍巖壓力是隧洞襯砌設計中起重要作用的荷載，影響圍巖壓力的因素有巖石的物理力學性質、巖石強度、巖石的完整性、節理裂隙的發育情況、地下水的影響、隧洞斷面型式、施工方法、支護方式等。

圍巖洞段山巖壓力：對于Ⅳ、Ⅴ巖洞，可按松動介質平衡理論估算圍巖壓力，采用普氏理論、太沙基、鐵路、水工公式計算，本階段按照《水工隧洞設計規范》(SL 279-2016)第6.2.4條規定計算。

按照《水工隧洞設計規范》(SL 279-2016)第9.2.4條規定，薄層狀及碎裂散體結構圍巖、山巖壓力按下列公式計算：

垂直方向：qv=(0.2～0.3)γr·B

水平方向：qh=(0.05～0.10)γr·H

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/m3；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。

垂直方向中0.2～0.3系數，本文Ⅲ類圍巖取值0.25，qv=114.27 kN。水平方向中0.05～0.10系數，本文Ⅲ類圍巖取值0.06，qh=30.095 kN。根據《煤礦立井井筒及硐室設計規范》(GB 50384-2016)計算豎井環向圍巖荷載：q1=0.017·26·185=81.77 kPa。

3.2.2 其他荷載計算

1)自重：按設計厚度計算自重荷載，必要時將超挖部分回填混凝土一并計算。混凝土容重按24 kN/m3、鋼筋混凝土按25 kN/m3計。

2)內水壓力：無壓洞按靜水壓力分布計算，水深按隧洞最大過水流量對應水深加一定超高考慮。本文隧洞段內水頭統一采用3.5 m。

3)外水壓力：根據地勘資料，本工程地下水在洞頂線以上20 m的洞段，外水對襯砌的作用力按設排水孔考慮。由于作用到襯砌上的外水壓力除與圍巖滲透條件有關外，還與襯砌本身的滲透性關系密切。本文中隧洞埋深大、滲徑長，經計算在有排水孔條件下作用到襯砌上的外水壓力較小，本隧洞外水采用6.0 m。

4)灌漿壓力：指回填灌漿壓力，灌漿施工中，灌漿壓力一般按鋼筋砼襯砌結構取0.3～0.5 MPa壓力控制。結構計算中一般取0.1～0.2 MPa，本階段隧洞灌漿壓力取0.2 MPa。

5)溫度應力：現澆混凝土段襯砌較薄、內外表面溫差較小，溫度應力可通過隧洞襯砌分縫和施工措施來消除，可不考慮溫度荷載。

6)地應力荷載：本次結構計算均針對巖石較破碎的Ⅳ、Ⅴ圍巖進行，較破碎圍巖中不易形成水平地應力的積聚，因此本階段不考慮地應力。

7)地震荷載：本隧洞為1級建筑物，設防烈度為7度，依據《水工建筑物抗震設計規范》(SL 203-2018)第9.1.1條說明“設計烈度為9度的地下結構或設計烈度為8度的1級地下結構，均應驗算建筑物和圍巖的抗震強度和穩定性”，本隧洞可不驗算隧洞洞身段的抗震強度和穩定性。

8)彈性抗力：隧洞圍巖的抗力習慣上多采用彈性抗力系數k來表征，其意義是圓形斷面的隧洞受到均勻內水壓力使隧洞半徑增長一個單位距離時，巖壁上受到的壓力強度。當隧洞半徑為1 m時，k用k0表示，成為單位彈性抗力系數。

式中：k/k0為圍巖的彈性抗力系數/單位彈性抗力系數，MPa/m；E為圍巖的彈性模量，MPa；μ為圍巖的泊松比；r為隧洞襯砌外半徑及開挖半徑(開挖寬度的一半)，m。

Ⅲ圍巖彈性抗力系數k0取值為4.5 MPa/cm。

3.3 隧洞計算荷載組合

根據《水工隧洞設計規范》(SL 279-2016)附錄I，對于承載能力極限狀態需考慮持久狀況、短暫工況及偶然狀況，但是本工程不存在校核洪水位，屬于無壓隧洞，可以不考慮偶然工況。正常使用極限狀態需按持久狀況進行考慮，以最不利荷載組合作為計算工況荷載條件進行計算[3]。根據實際計算分析的需求，計算施工期、完建期及運行期3種工況，見表3。

表3 荷載組合表

4 計算分析

根據計算對比，本結構控制工況為施工期工況，施工期工況計算結果見圖2-圖8。

圖2 豎向位移圖

圖3 軸力圖

圖4 YZ平面剪力圖

圖5 XZ平面剪力圖

圖6 彎矩圖

圖7 最大主應力圖

圖8 最小主應力圖

根據圖2-圖8可知，馬頭門襯砌最大沉降位移分布于主洞頂部位置，位移為1.89 mm，滿足設計要求。從襯砌應力云圖可看出，結構最大拉應力出現在主支洞交叉口底板位置，最大拉應力7.54 MPa。但拉應力分布范圍較小，結構配筋時可采用局部設置加強鋼筋。隧洞襯砌結構彎矩最大值位于側墻與底板連接處，軸力最大值位于側墻底部，剪力最大值位于底板端部，其中豎井與主洞連接處側墻與底板連接處有部分內力集中區域，需局部加強配筋。施工工況各項內力值最大，喇叭口端部側墻與底板連接處彎矩值達到1 429.63 kN·m，但作用范圍較小，加強鋼筋設置范圍相應可減小。根據計算結果，本隧洞主支洞正常段襯砌配筋內外側設置E28@200。主支洞交叉口處襯砌配筋為內外側設置E28@150，底板外側鋼筋和側墻外側鋼筋應互錨3.0 m，從而達到局部加強配筋效果，最終優化結構配筋。

5 結 語

本文采用Midas GTS NX軟件對引水隧洞深埋豎井馬頭門進行有限元模型，利用荷載-結構法對襯砌結構進行有限元分析，得出了馬頭門結構在不同工況下的變形、應力以及內力分布規律。根據控制工況結果，判斷襯砌結構的安全穩定性，并提出合理的建議措施。豎井馬頭門處底部主洞拱頂位置變形量較大，建議此處應加強固結灌漿措施，提升圍巖自穩性，減小鋼拱架榀距，以提高一次支護強度。結構側墻與底板連接處內力值最大，其中豎井與主洞連接處軸力集中尤為明顯，可適當局部加強配筋，以增強結構強度。