地下風(fēng)機(jī)房結(jié)構(gòu)受力分析與研究

錢文斐

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

相關(guān)專業(yè)

地下風(fēng)機(jī)房結(jié)構(gòu)受力分析與研究

錢文斐

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

縱向式通風(fēng)井送排式通風(fēng)是當(dāng)前和未來特長隧道的主流通風(fēng)模式。通過對地下風(fēng)機(jī)房隧道群結(jié)構(gòu)體系的核心組成部分——地下風(fēng)機(jī)房受力及變形的分析，得出了如下結(jié)論：在Ⅲ級圍巖的條件下，端頭墻交界處受力不利，應(yīng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；端頭墻對拱部、邊墻部5m范圍內(nèi)有一定的約束支撐作用；地下風(fēng)機(jī)房的總體位移值較小。以上結(jié)論為地下風(fēng)機(jī)房的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一定程度的參考價(jià)值。

特長隧道；縱向式通風(fēng)井送排式通風(fēng)；地下風(fēng)機(jī)房；端頭墻

0 引言

20世紀(jì)80年代以后修建的特長隧道大多采取縱向式通風(fēng)井送排式通風(fēng)，由此可見縱向式通風(fēng)井送排式通風(fēng)是當(dāng)前和未來特長隧道的主流通風(fēng)模式，而這種通風(fēng)模式的核心是建立在地下風(fēng)機(jī)房隧道群的結(jié)構(gòu)體系之上。地下風(fēng)機(jī)房作為地下風(fēng)機(jī)房隧道群結(jié)構(gòu)體系的“核心”，目前國內(nèi)學(xué)者及設(shè)計(jì)師關(guān)于其結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)方面的研究成果較少，因此有必要進(jìn)行深入研究。

1 研究對象

以某隧道地下風(fēng)機(jī)房隧道群為例，對地下風(fēng)機(jī)房的內(nèi)力、變形等情況進(jìn)行分析研究。

1.1 計(jì)算條件

具體的計(jì)算條件如下：

（1）地下風(fēng)機(jī)房隧道群洞身所處圍巖級別為Ⅲ級圍巖。

（2）組成地下風(fēng)機(jī)房隧道群各洞室的尺寸見表1，相對位置關(guān)系如圖1和圖2所示。

表1 各洞室尺寸一覽表

圖1 地下風(fēng)機(jī)房隧道群平面布置圖（單位:mm）

（3）對于組成地下風(fēng)機(jī)房隧道群的各個(gè)洞室均只考慮初期支護(hù)作用，對于送風(fēng)機(jī)房，采用C25噴射混凝土20 cm，其余洞室則均采用10 cm。

圖2 地下風(fēng)機(jī)房隧道群各洞室空間位置關(guān)系

（4）施工工序：搬運(yùn)通道→送風(fēng)機(jī)房→送風(fēng)口、送風(fēng)道、聯(lián)絡(luò)道。

1.2 荷載確定

采用“地層-結(jié)構(gòu)”法。

2 計(jì)算結(jié)果

2.1 拱頂最大主應(yīng)力值

拱頂最大主應(yīng)力值分布如圖3所示。

圖3 拱頂最大主應(yīng)力值分布圖

由圖3可以得出：

（1）拱頂最大主應(yīng)力值在端頭墻位置出現(xiàn)最大值，分別為678 kPa、1 090 kPa，這是由于端頭墻位置結(jié)構(gòu)形式發(fā)生突變，從而出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。但是距離端頭墻3 m、3.5 m時(shí)，最大主應(yīng)力值迅速降低至最小值，分別為51.8 kPa、89.7 kPa。這說明應(yīng)力集中影響范圍在距離端頭墻3～3.5 m,經(jīng)分析認(rèn)為：距離端頭墻3～3.5 m時(shí)，拱頂部分由于端頭墻支承作用，因此受力條件較之有利，最大主應(yīng)力值最小。

（2）在開洞位置處的最大主應(yīng)力值較之未開洞處小，經(jīng)分析認(rèn)為，這是由于開洞位置削弱了邊墻對拱頂?shù)闹巫饔?，使得拱頂?shù)膽?yīng)力部分得到了一定程度的釋放。

（3）在開洞及端墻影響范圍之外的區(qū)域，其最大主應(yīng)力值居中，在390～550 kPa范圍內(nèi)，這是因?yàn)橄鄬Χ?，此區(qū)段既沒有受到端墻支承作用也沒有應(yīng)力釋放的渠道。

2.2 邊墻部位最大主應(yīng)力值

左側(cè)邊墻最大主應(yīng)力值分布如圖4所示。

圖4 左側(cè)邊墻最大主應(yīng)力值分布圖

由圖4可以得出：

（1）兩側(cè)邊墻距離端頭墻5 m范圍內(nèi)，最大主應(yīng)力值基本為負(fù)值，即壓應(yīng)力值，且數(shù)值均較小，基本在80 kPa以下。經(jīng)分析認(rèn)為，這是因?yàn)榇硕芜厜τ捎诙祟^墻的支撐作用，因此受力條件較之有利。

（2）在開洞位置的拱頂至拱腰以及邊墻部位，最大主應(yīng)力為壓應(yīng)力，而拱腰至拱腳及底板，最大主應(yīng)力為拉應(yīng)力。

（3）在開洞及端墻影響區(qū)范圍外，最大主應(yīng)力大部分為壓應(yīng)力，小部分為拉應(yīng)力（不大于300 kPa）。

右側(cè)邊墻最大主應(yīng)力值分布如圖5所示。

圖5 右側(cè)邊墻最大主應(yīng)力值分布圖

由圖5可以得出：

（1）兩側(cè)邊墻距離端頭墻5 m范圍內(nèi)，最大主應(yīng)力值大多為壓應(yīng)力值，雖小部分為拉應(yīng)力值（30 kPa以下），但數(shù)值較小。經(jīng)分析認(rèn)為，這是因?yàn)榇硕芜厜τ捎诙祟^墻的支撐作用，因此受力條件較之有利。

（2）在開洞位置的拱部、邊墻及底板的最大主應(yīng)力值均為拉應(yīng)力，其中拱部接近1 000 kPa，邊墻在500～800 kPa范圍，底板超過2 000 kPa；拱腳、邊墻底均為壓應(yīng)力值。

（3）在開洞及端墻影響區(qū)范圍外，最大主應(yīng)力大部分以拉應(yīng)力為主，小部分為壓應(yīng)力。

通過對左、右邊墻的對比得出：

（1）由于受到端頭墻支撐作用的有利條件，在距離端頭墻5 m范圍內(nèi)的邊墻受力條件均較為有利。

（2）開洞位置處的最大主應(yīng)力值分布情況及數(shù)值均存在著較大差異。

（3）總體而言，右側(cè)邊墻的支護(hù)處于相對不利的狀態(tài)。

2.3 端頭墻最大主應(yīng)力值

端頭墻最大主應(yīng)力值分布如圖6和圖7所示。

圖6 與送風(fēng)口交界處端頭墻

圖7 與送風(fēng)道交界處端頭墻

由圖6和圖7可得出：

（1）兩側(cè)端頭墻的最大主應(yīng)力值分布趨勢基本相同。在拱部及底部均出現(xiàn)了一定范圍的拉應(yīng)力值，拱頂位置處最大值分別為1 912 kPa、1 931 kPa；底部位置處最大值分別為2 050 kPa、1 739 kPa；在洞室邊墻部位均出現(xiàn)了壓應(yīng)力值，但與送風(fēng)道交界處的應(yīng)力值較小，為50 kPa左右，與送風(fēng)口交界處的應(yīng)力值較大，為450 kPa左右。

2.4 拱頂豎向位移

根據(jù)送風(fēng)機(jī)房拱頂豎向位移分布情況，由圖8和圖9可以看出，在地下風(fēng)機(jī)房中間部位的豎向位移相對較大，因此擬針對此部位豎向位移在施工過程中的變化情況進(jìn)行分析。

圖8 拱頂豎向位移平面分布云紋圖（第26施工步）

圖9 拱頂豎向位移縱剖面分布云紋圖（第26施工步）

拱頂豎向位移隨施工步變化情況如圖10所示。

從圖10可以看出：

（1）中部位置處由于臨空面較大，因此豎向位移值也較大。

（2）施工步11～18,豎向位移相對變化較快，施工步18～26，豎向位移變化不大,這說明當(dāng)送風(fēng)機(jī)房開挖支護(hù)施作后，后續(xù)洞室的施作對送風(fēng)機(jī)房拱頂?shù)某两涤绊懖淮蟆?/p>

（3）施工步11～18,右側(cè)比左側(cè)豎向位移值大，但隨著后續(xù)洞室施作，兩者的豎向位移值較為接近。

2.5 邊墻部位橫向位移

根據(jù)地下風(fēng)機(jī)房邊墻部位的橫向位移分布情況（見圖11），可以看出，在地下風(fēng)機(jī)房中間部位的橫向位移分布情況相對較為復(fù)雜，但總體數(shù)值在10-2mm級別，故可以得出，橫向位移影響不大，但需指出的是，與搬運(yùn)通道、聯(lián)絡(luò)道交界位置的下部區(qū)域出現(xiàn)了與其余區(qū)域不同的位移方向，此處位移方向向外側(cè)，而其余區(qū)域則向內(nèi)側(cè)。

圖11 邊墻水平位移分布云紋圖（第26施工步）

3 研究結(jié)論

根據(jù)以上分析結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

（1）與端頭墻交接處，由于結(jié)構(gòu)形式發(fā)生突變，結(jié)構(gòu)受力由于應(yīng)力集中處于較為不利的情況，因此設(shè)計(jì)中需加強(qiáng)此處的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（2）端頭墻對于風(fēng)機(jī)房的拱部、邊墻部均有一定范圍的約束支撐作用，這種作用有利于結(jié)構(gòu)的受力，約束范圍約距離端頭墻5 m。

（3）與我們通常所認(rèn)為的“開洞寬度越大，結(jié)構(gòu)受力越不利”不同，右側(cè)邊墻雖然開洞寬度較左側(cè)小，但右側(cè)邊墻相對而言受力狀態(tài)處于不利的情況。因此理論上右側(cè)邊墻支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)高于左側(cè)。

（4）對于端頭墻而言，開洞位置的拱部、底部處于相對不利的受力狀態(tài)，而邊墻部則相對有利，施工中應(yīng)重點(diǎn)觀察開洞位置的拱部、底部的支護(hù)，以防止支護(hù)在以上部位發(fā)生破壞。

4 結(jié)語

雖然本文得出了關(guān)于地下風(fēng)機(jī)房受力性狀的一些結(jié)論，可以為相關(guān)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，但考慮到計(jì)算假定與圍巖實(shí)際的本構(gòu)關(guān)系存在一定程度的差異，因此尚需在施工中通過監(jiān)控量測以進(jìn)行驗(yàn)證及修正，從而更好地為工程設(shè)計(jì)服務(wù)。

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U453.5

A

1009-7716（2017）03-234-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.03.065

2016-12-26

錢文斐（1977-），男，江蘇鎮(zhèn)江人，高級工程師，主要從事巖土工程與地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究工作。