锚喷衬砌在长距离城门洞形引水隧洞中的应用

郝明

（辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁沈阳110006）

锚喷衬砌在长距离城门洞形引水隧洞中的应用

郝明

（辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁沈阳110006）

对于城门洞形隧洞衬砌计算，目前均采用《水工隧洞设计规范》规定的边值数值解法，或通过隧洞衬砌计算软件SDCAD计算。该方法对于小断面城门洞形隧洞，按照边值法计算后，即使围岩条件较好的洞段采用钢筋混凝土衬砌，仍需采用双层配筋，对长距离引水工程来说，投资较大。因此，通过ANSYS有限元法和边值数值解法进行对比计算分析，对于小断面城门洞形隧洞衬砌进行优化，以集安供水工程为例，主要论证Ⅱ、Ⅲ类围岩采用锚喷衬砌的可行性，有效节省投资。

引水隧洞；城门洞形；锚喷衬砌；ANSYS；有限元分析

0 前言

隧洞的断面形式分为小断面和大断面，大断面宽度20 m以上，小断面宽度2 m以下，但在国内小断面的长距离输水隧洞工程实例还较少，本文以集安供水工程为例，主要研究长距离小断面城门洞形引水隧洞的衬砌优化在工程投资中的作用，对于城门洞形隧洞衬砌计算，目前均采用《水工隧洞设计规范》[1-2]规定的边值数值解法，或通过隧洞衬砌计算软件SDCAD计算，但计算结果仍需采用双层配筋，这对长距离引水工程无疑是一种较大的投资，本文通过ANSYS有限元法和边值数值解法进行对比计算分析，对于小断面城门洞形隧洞衬砌进行优化[3]，论证Ⅱ、Ⅲ类围岩采用锚喷衬砌的可行性。

1 工程概况

集安供水工程位于吉林省集安市境内，引水隧洞全长14.6 km，为有压隧洞，断面为城门洞形，成洞洞径为2.4 m×2.2 m（宽×高，其中直墙高1.0 m，圆拱高1.2 m），设计年供水量3400万m3，设计水头为60 m。本工程主要建筑物引水隧洞级别为3级，次要建筑物如施工支洞、生产辅助用房等级为4级。

引水隧洞地形地貌属长白山南延龙岗山脉侵蚀断褶中低山地形，洞室埋深多在90 m以上。隧洞穿越的地层岩性较简单，主要为侏罗纪侵入花岗岩，硬质岩，岩体微风化~新鲜岩为主，节理较发育~不发育，多闭合，无充填，岩体完整性差~较完整，岩体呈镶嵌结构~次块状结构。隧洞围岩类别以Ⅱ、Ⅲ类为主，其中Ⅱ类~Ⅴ类所占比例分别为25.5%、64.4%、3.5%、6.7%。

2 隧洞衬砌计算

本工程初步设计阶段拟采用钢筋混凝土衬砌，混凝土强度指标为C30，其中Ⅱ、Ⅲ类围岩衬砌厚度为250 mm，衬砌长度为13.12 km，考虑到小断面隧洞衬砌施工的难度及节约工程投资、缩短工程工期，在实际施工过程中，结合现场揭露出的围岩及监控量测结果，对隧洞Ⅱ、Ⅲ类围岩衬砌形式进行优化设计。

2.1 围岩物理力学参数（见表1）

表1 围岩物理力学参数表

2.2 钢筋混凝土衬砌计算

2.2.1 计算方法及计算程序

根据《水工隧洞设计规范》SL279-2016对隧洞衬砌结构计算的规定，对Ⅱ、Ⅲ类围岩的隧洞衬砌结构宜采用边值法。程序计算采用《SDCAD5.0》，由中南勘测设计研究院有限公司编制的隧洞衬砌计算程序[4-5]。衬砌初选厚度为250 mm，混凝土标号采用C30，钢筋采用HRB400。

2.2.2 弯矩图及配筋

图1圆拱直墙形受力图（Ⅱ类围岩）

图2圆拱直墙形受力图（Ⅲ类围岩）

Ⅱ类围岩计算结果详见图1，Ⅲ类围岩计算结果详见图2。

从图1、2可以看出，对于圆拱直墙型断面来说，底部两个直角位置的弯矩、剪力值均较大，且正负弯矩均存在较大值；拱顶位置弯矩贡献作用较大，根据边值法计算均需配双层钢筋，配筋量与衬砌量计算结果详见表2。

2.3 ANSYS有限元对比分析

2.3.1 基于ANSYS有限元锚喷衬砌计算

（1）分析步骤

表2 城门洞形隧洞Ⅱ、Ⅲ类围岩衬砌配筋表

建立ANSYS的二维计算模型，围岩采用PLANE42单元模拟，锚喷衬砌结构采用BEAM3单元模拟。隧洞围岩边界取10倍以上洞径[6]，而ANSYS中加载，首先施加初始加速度荷载，加速度为9.81m/s2。根据规范规定施加外荷载，其中包括，衬砌自重、内水压力、外水压力、回填灌浆压力，施加边界约束条件。

虽然通过边值法（或结构力学法）计算城门洞形断面各类围岩段均需配置双层筋[7-8]，但考虑集安供水工程压力隧洞洞顶以上围岩厚度均大于90 m，不存在内水外渗、渗透失稳和环境问题，因此考虑将钢筋混凝土衬砌优化成锚喷衬砌，通过ANSYS有限元计算锚喷衬砌是否满足稳定、位移、强度要求。也主要分析Ⅱ、Ⅲ类围岩，物理力学参数参见表1。

（2）锚喷衬砌参数选择

Ⅱ类围岩：喷50 mm厚的混凝土，局部可加设Φ22锚杆。

Ⅲ类围岩：喷80 mm厚的混凝土，顶拱布设局部锚杆Φ22，入岩长度为1.5 m，局部顶拱挂网Φ8@150 mm×150 mm。

图3断面位移控制结点图

图4Ⅱ类围岩断面位移矢量图

图5Ⅱ类围岩断面位移云图

图6Ⅲ类围岩断面位移矢量图

图7Ⅲ类围岩断面位移云图

2.3.2 位移稳定分析

对断面进行单元划分，共24个单元，24个结点，断面位移控制结点详见图3。通过断面上各结点的位移分析，锚喷衬砌后各类围岩断面顶部沉降位移和底部隆起位移最大。断面在100 m埋深工况下的拱顶最大沉降位移分别为：城门洞型断面为Ⅱ类围岩中为0.110 mm，Ⅲ类围岩中为2.5 mm。底部隆起位移详见图4、图6。图5、图7为洞室开挖后的位移分析图，从图中可以清楚地看出洞室开挖后各处位移趋势。

从图中可以看出两类断面锚喷完后水平位移相对竖向位移很小，隧洞开挖后变形趋势为顶部沉降、底部鼓起、侧向收缩。各类断面洞周位移趋势基本一致，顶拱处和底板中心处位移最大，而且位移值均在许可的范围之内。

根据《水工隧洞设计规范》DL/T5195-2004中11.1.2节规定，对II类及部分III类围岩宜采用不承载的混凝土衬砌，考虑II类、III类围岩条件较好，初期支护后满足稳定要求，因此主洞断面II类、III类围岩采用锚喷衬砌作为永久支护结构是合理的。

3 结语

（1）根据《水工隧洞设计规范》的边值数值解法，Ⅱ、Ⅲ类需双层配筋，通过有限元计算，Ⅱ、Ⅲ类围岩洞段，经过锚喷支护后，水平位移和竖向位移很小，基本能满足稳定要求。

（2）对于小断面长距离城门洞形引水隧洞，围岩条件较好洞段，当满足覆盖岩体不上抬、不发生水力劈裂和渗透失稳破坏时，采用锚喷衬砌不仅在技术上可行，而且经济效益明显，可大幅度缩减工期。

[1]中华人民共和国国家发展和改革委员会.DL/T5195.2004.水工隧洞设计规范[S].北京:中国电力出版社.

[2]中华人民共和国水利部.SL279-2016水工隧洞设计规范[S].北京.中国水利水电出版社.

[3]陆莉娜,吕燕.直墙半圆拱导流洞衬砌结构优化研究[J].水利与建筑工程学报.2013.11(6).

[4]胡本雄.有压小断面长隧洞断面形式的比较分析.中国农村水利水电[J].（2005）09-0097-02.

[5]侯华梁,张辉.小断面长引水隧洞衬砌综合施工技术.水利科技与经济[J].2013.10(19)110~113.

[6]邵潮鑫,沈振中.基于ANSYS的隧洞衬砌有限元分析配筋法研究.南水北调与水利科技[J].2014,08(12)116~119.

[7]杨晓娟,漆文邦,郑俊等.中小型水电站非圆形有压隧洞衬砌配筋计算.水利发电[J].2012,01(38)27~29.

[8]任旭华,李同春,陈祥荣.锦屏二级水电站深埋引水隧洞衬砌及围岩结构分析.岩石力学与工程学报[J].2001,01(20)16~19.

Application of Bolting&Shotcrete and Lining in Long Distance City-gate Shaped Water Tunnel

Hao Ming
（LiaoningProvincial Water resources and hydropower surveyand design institute Shenyang110006,Liaoning）

For lining calculation of the city-gate shaped tunnel,the boundary value numerical method specified by the "Design Code for Hydraulic Tunnels"is used at present,or the tunneling calculation software SDCAD.For the small-section gates-shaped tunnel,it is calculated by the boundary value method.Even if the tunnel section with good surrounding rock is reinforced with reinforced concrete lining,the double reinforcement is still needed.For long distance water diversion project,it is investment in vast.Therefore,through compare ANSYS finite element method to the boundary value numerical method for calculating and analyzing,for the small section gates,its lining is optimized,for an example of the water supply works,it mainly discusses classⅡandⅢsurrounding rock that they are executed by the bolting and shotcrete and lining method and is effective savingofinvestment.

Diversion tunnel,city-gate tunnel,boltingand shotcrete and lining,ANSYSand finite element analysis

TV672.1

B

1673-9000（2017）03-0107-03

2017-01-25

郝明（1985-），男，辽宁沈阳人，工程师，主要从事水利工程、结构工程设计及管理方面工作。