水工隧洞設(shè)計(jì)方法研究

高 仝

(云南省滇中引水工程建設(shè)管理局大理分局，云南 大理 671000)

水工隧洞設(shè)計(jì)方法研究

高 仝

(云南省滇中引水工程建設(shè)管理局大理分局，云南 大理 671000)

水工隧洞可為水利水電工程建設(shè)提供完善的電力能量來(lái)源，也可為周邊打通水利運(yùn)輸?shù)耐ǖ?，但由于我?guó)水工隧洞的設(shè)計(jì)方法單一，隧洞施工設(shè)計(jì)的多樣性較差，未能充分發(fā)揮水工隧洞在水利水電工程施工中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，因此，加強(qiáng)對(duì)水工隧洞設(shè)計(jì)方法的研究，有利于保障選擇支護(hù)結(jié)構(gòu)型式的合理性。文章首先闡述了水工隧洞設(shè)計(jì)方法的類型及其在應(yīng)用過(guò)程中的注意事項(xiàng)，結(jié)合工程實(shí)例對(duì)水工隧洞設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析，以提高隧洞設(shè)計(jì)的整體水平。

水工隧洞；水電水利工程；設(shè)計(jì)方法；類型及應(yīng)用

0 引 言

水工隧洞設(shè)計(jì)方法的選擇對(duì)保障工程施工安全和施工質(zhì)量具有直接影響，水工隧洞結(jié)構(gòu)主要由圍巖及其加固措施構(gòu)成的，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需將洞室圍巖的自穩(wěn)能力和承載能力考慮在內(nèi)，加強(qiáng)前期的地質(zhì)條件和施工環(huán)境探測(cè)，充分發(fā)揮隧洞加固措施的作用。另外，隨著水工隧洞建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，隧洞施工技術(shù)、地質(zhì)勘探技術(shù)、巖石力學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多方面的發(fā)展，共同促進(jìn)了隧洞的科學(xué)發(fā)展，因此，通過(guò)選擇合理的支護(hù)結(jié)構(gòu)型式來(lái)提高隧洞的設(shè)計(jì)水平，實(shí)現(xiàn)工程效益的最大化[1]。

1 水工隧洞設(shè)計(jì)方法的類型

水工隧洞的設(shè)計(jì)方法可分為結(jié)構(gòu)力學(xué)法、有限元分析法、施工預(yù)期法和功能反饋法。

1.1 結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計(jì)方法

結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計(jì)法主要是在充分利用水工隧洞實(shí)際力學(xué)相關(guān)理論的基礎(chǔ)上，并結(jié)合水工隧洞的地形地質(zhì)、水文條件等因素，以建立力學(xué)分析模型為主的設(shè)計(jì)手段。該設(shè)計(jì)方法的主要特點(diǎn)是設(shè)計(jì)目的明確、設(shè)計(jì)思路清晰，尤其適用于傳輸水工隧洞、排沙水工隧洞和施工水工隧洞，可有效保證水工隧洞施工方案的科學(xué)性，提高施工隧洞的施工效率。結(jié)構(gòu)力學(xué)法是不考慮圍巖彈性抗力最為常用和《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL279-2016)主要推薦使用的設(shè)計(jì)方法。

1.2 有限元分析設(shè)計(jì)方法

有限元分析設(shè)計(jì)方法主要通過(guò)控制單一變量法的使用，通過(guò)分析對(duì)水工隧洞設(shè)計(jì)造成影響的內(nèi)部因素和外部因素，來(lái)提高水工隧洞設(shè)計(jì)方案的合理性，該設(shè)計(jì)方法在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中具有較強(qiáng)的實(shí)用性和匹配性。有限元分析設(shè)計(jì)方法在水工隧洞設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，主要是結(jié)合隧洞荷載的實(shí)際承受情況，對(duì)圍巖、錨桿等部位的實(shí)際荷載承受能力進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)水工隧洞的彈性抗壓能力、開(kāi)挖厚度等進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整[2]。該設(shè)計(jì)方法適用于一些施工方案較為清晰的水工隧洞施工中，并結(jié)合水工隧洞的實(shí)際設(shè)計(jì)要求，提升設(shè)計(jì)方案的可行性與可控性。有限元分析方法是高壓水工隧洞及重要隧洞設(shè)計(jì)主要采用的方法。

1.3 施工預(yù)期設(shè)計(jì)方法

施工預(yù)期設(shè)計(jì)方法主要是結(jié)合水工隧洞施工方案而形成的設(shè)計(jì)方法，在水工隧洞施工前，對(duì)工程的施工成本、施工進(jìn)度、施工質(zhì)量等方面進(jìn)行判斷和預(yù)測(cè)，可確保選擇符合工程施工要求的設(shè)計(jì)方法，以提升水工隧洞工程的施工效率[3]。在工程預(yù)測(cè)和判斷過(guò)程中，需注意施工現(xiàn)場(chǎng)整體布局合理性的問(wèn)題，在確定水工隧洞半徑的過(guò)程中，針對(duì)一些施工周期較長(zhǎng)的工程，在控制旋轉(zhuǎn)半徑的同時(shí)，還應(yīng)重視支洞和輔洞的設(shè)計(jì)和施工，以在有限的區(qū)間范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)工程效益最大化。

1.4 功能反饋設(shè)計(jì)方法

功能反饋設(shè)計(jì)方法主要是利用先進(jìn)的監(jiān)測(cè)技術(shù)與設(shè)備，不斷完善和調(diào)整水工隧洞功能要求的設(shè)計(jì)方法。常規(guī)的水工隧洞設(shè)計(jì)方法需建立在對(duì)水工施工狀況具有系統(tǒng)性認(rèn)知的基礎(chǔ)上，該設(shè)計(jì)方法在水工隧洞設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，可大大提升隧洞工程后期設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性，減少施工質(zhì)量問(wèn)題的出現(xiàn)，很大程度上擴(kuò)大了水工隧洞工程設(shè)計(jì)方法的選擇范圍，可有效提升水工隧洞的設(shè)計(jì)效率。

2 水工隧洞設(shè)計(jì)方法實(shí)際應(yīng)用的注意事項(xiàng)

2.1 水工隧洞的構(gòu)造設(shè)計(jì)

水工隧洞設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用要求其可以滿足常壓下的無(wú)水滲透要求，因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需對(duì)隧洞止水結(jié)構(gòu)傳感器進(jìn)行完善，并利用石英制或銅制的傳感器對(duì)止水帶進(jìn)行檢測(cè)；在排水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)地形、水文與地質(zhì)的數(shù)據(jù)分析、使用和計(jì)算，避免洪水期隧洞進(jìn)出洞口出現(xiàn)積水漫洞現(xiàn)象；一般情況下，溫度會(huì)對(duì)水工隧洞整體穩(wěn)定性造成影響，因此，在縫隙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中需將這一問(wèn)題考慮在內(nèi)，并結(jié)合地質(zhì)條件、水文條件、隧洞結(jié)構(gòu)等實(shí)際情況，選擇合適的設(shè)計(jì)方法，確保設(shè)計(jì)方法應(yīng)用價(jià)值的充分發(fā)揮[4]。

2.2 水工隧洞的灌漿設(shè)計(jì)

水工隧洞灌漿材料在很大程度上影響著水工隧洞施工整體效果，因此，在選擇設(shè)計(jì)方法時(shí)需結(jié)合工程灌漿設(shè)計(jì)的目的進(jìn)行選擇，根據(jù)灌漿方式的不同，水工隧洞的灌漿設(shè)計(jì)可分為固結(jié)式灌漿設(shè)計(jì)和回填式灌漿設(shè)計(jì)。在對(duì)隧洞洞身進(jìn)行灌漿施工的過(guò)程中，應(yīng)重視周圍巖石的處理分析，對(duì)固結(jié)式灌漿隧洞的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行控制。另外，在工程灌漿過(guò)程中，灌漿材料多采用水泥漿液，根據(jù)工程實(shí)際，水泥漿液中可加入水玻璃、氯化鈣、硫酸鈉等速凝劑，木質(zhì)碳酸鹽、萘系、聚羧酸類高效減水劑，膨潤(rùn)土、高塑性黏土等穩(wěn)定劑和其他外加劑。

2.3 水工隧洞的結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)

水工隧洞結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)主要包括隧洞進(jìn)出口處、洞身和洞頂?shù)牟贾迷O(shè)計(jì)。通常情況下，針對(duì)具有輸送水流或泥沙功能的水工隧洞，多將其進(jìn)出口上部分和下部分分別設(shè)計(jì)成半圓拱形、矩形，以減少隧洞上端巖石對(duì)洞身造成的壓力；而隧洞洞身的布置主要考慮直接影響傳輸效率和排沙效率，進(jìn)而會(huì)影響到工程的整體運(yùn)行效果和施工進(jìn)度。因此，需針對(duì)工程的實(shí)際地質(zhì)條件，將設(shè)計(jì)方法在水工隧洞工程中的應(yīng)用效果進(jìn)行記錄和整理，明確在同一工程地質(zhì)條件下，不同設(shè)計(jì)方法所具備的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，以獲得良好的設(shè)計(jì)效果。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

某水工隧洞洞頂圍巖厚度10-100m，部分洞段可能存在上層積水的現(xiàn)象，隧洞圍巖類別總體為Ⅳ類，圍巖堅(jiān)固系數(shù)為1-2.5，單位彈性抗力系數(shù)為100-300MPa/m，飽和抗壓強(qiáng)度為10-20MPa，泊松比為0.32-0.35，變形模量為0.5-2GPa。隧洞結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 隧洞結(jié)構(gòu)圖

3.2 設(shè)計(jì)方法分析

1)結(jié)構(gòu)力學(xué)法設(shè)計(jì)。噴錨支護(hù)在混凝土硬化過(guò)程中的受力情況是不同的，在采用結(jié)構(gòu)力學(xué)法設(shè)計(jì)的過(guò)程中，通常將噴錨支護(hù)作為結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備，無(wú)需考慮其對(duì)圍巖壓力的分擔(dān)作用。采用普氏塌落拱法對(duì)鋼筋混凝土襯砌所承受的圍巖壓力進(jìn)行計(jì)算。

2)有限元方法分析。利用相關(guān)軟件模擬出一個(gè)(42m×43m×30m)的圍巖脫離體中，在開(kāi)挖隧洞的過(guò)程中，將圍堰、錨桿和混凝土作為一個(gè)整體，以對(duì)其承受外部荷載的實(shí)際能力進(jìn)行分析。

為了更好的模擬出隧洞結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況，并對(duì)工程施工不同階段結(jié)構(gòu)和圍巖間的相互作用進(jìn)行綜合分析。在模型建立的過(guò)程中，需對(duì)工程施工流程進(jìn)行簡(jiǎn)化，同時(shí)將工程實(shí)際施工中所使用的施工程序輸入有限元模型中，以將工程施工各環(huán)節(jié)更為具體的呈現(xiàn)出來(lái)，以便施工人員更好的了解和分析工程施工的具體情況；每次挖掘2m，在掘進(jìn)的同時(shí)對(duì)上次所挖掘的部位進(jìn)行錨桿和掛網(wǎng)噴混凝土襯砌，以提高隧洞挖掘部位的穩(wěn)定性和安全性。

3.3 結(jié)果分析

有限元設(shè)計(jì)方法在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，重點(diǎn)是對(duì)圍巖與錨桿形成的承載拱及噴混凝土進(jìn)行分析的，比結(jié)構(gòu)力學(xué)的計(jì)算結(jié)果偏小，二襯作業(yè)中各節(jié)點(diǎn)荷載的比較情況如表1所示。

表1 節(jié)點(diǎn)荷載比較表 kN·m·m-1

在對(duì)表1進(jìn)行分析后可知，由錨桿和圍巖共同形成的圍巖承載拱可分擔(dān)40%-60%的外部荷載，而剩余的荷載則由隧洞結(jié)構(gòu)承受，掛網(wǎng)噴混凝土襯砌與鋼筋混凝土襯砌的承載比例為20%-60%。

在對(duì)隧洞的成洞及應(yīng)力釋放過(guò)程進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，隧洞在開(kāi)挖后初期的變形規(guī)模較大，導(dǎo)致早期形成的圍巖承載拱在圍巖壓力的作用下產(chǎn)生變形，而掛網(wǎng)噴混凝土襯砌在自身抗彎剛度范圍內(nèi)，會(huì)產(chǎn)生一定的內(nèi)力。

有限元設(shè)計(jì)法在水工隧洞中的應(yīng)用，充分展示了圍巖與錨桿形成的承載拱及掛網(wǎng)噴混凝土襯砌對(duì)結(jié)構(gòu)荷載的分擔(dān)作用。在具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)充分利用噴錨支護(hù)及開(kāi)挖施工的優(yōu)點(diǎn)，適當(dāng)增加錨桿密度及掛網(wǎng)噴混凝土的厚度，提高圍巖及相關(guān)結(jié)構(gòu)的安全性，同時(shí)具有縮短工期、降低工程成本的作用。

4 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，水工隧洞設(shè)計(jì)方法、施工方案的制定，需結(jié)合工程實(shí)際情況明確方案制定的切入點(diǎn)，加強(qiáng)對(duì)設(shè)計(jì)方法適用性的計(jì)算與驗(yàn)證，并結(jié)合隧洞結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)條件等對(duì)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行調(diào)整，以提高設(shè)計(jì)方法的使用效率。同時(shí)設(shè)計(jì)人員在工作過(guò)程中，應(yīng)認(rèn)真總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、吸取教訓(xùn)，不斷完善和改進(jìn)設(shè)計(jì)方案和施工方案，為水工隧洞建設(shè)貢獻(xiàn)一份力量。

[1]鄭治，劉杰，彭成佳.水工隧洞受力特性研究和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2010，29(02)：190-196.

[2]向天兵，程蕓，張傳慶.基于數(shù)值模擬的圍巖和襯砌協(xié)調(diào)分析方法研究[J].水力發(fā)電，2013，39(05)：20-23.

[3]趙國(guó)棟，成自勇.常規(guī)水工隧洞設(shè)計(jì)在引洮工程水工隧洞設(shè)計(jì)集成系統(tǒng)中的開(kāi)發(fā)研究[J].甘肅水利水電技術(shù)，2015，51(08)：24-26.

[4]沈威,徐世.水工壓力隧洞結(jié)構(gòu)限裂設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀[J].水電能源科學(xué)，2010，28(03)：84-87.

1007-7596(2017)06-0073-02

2017-05-22

高仝(1974-)，男，云南巍山人，高級(jí)工程師，從事水利水電工程水工及機(jī)電專業(yè)設(shè)計(jì)工作。

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