水工隧洞衬砌结构加固方案探讨

（上海市水利工程集团设计有限公司（上海友为工程设计有限公司），上海200093）

水工隧洞衬砌结构加固方案探讨

徐岚

（上海市水利工程集团设计有限公司（上海友为工程设计有限公司），上海200093）

针对厄瓜多尔TP水电站二级压力隧洞末端143仓（桩号8+432.00）混凝土衬砌结构检测强度不足，提出了加固措施探讨。本文通过方案比选，最终结合工程实际选定采用加厚衬砌结构，并通过有限元计算进行论证分析，计算表明结构满足工程安全要求。

引水隧洞；衬砌结构；加固措施；有限元计算

水电站引水发电压力隧洞为地下结构，开挖后破坏了原来岩体内的应力平衡，引起应力重分布，导致围岩产生变形甚至崩塌，为此，常需设置临时支护和永久性衬砌。钢筋混凝土衬砌应用最广，适用于中等地质条件、断面较大、水头及流速较高的工况。

1 工程简介

TP水电站二级压力隧洞从Toachi大坝取水到Alluriquín电站的上调压井，隧洞全长8.7km。隧洞起始点底面高程954.80m，终点底面高程780.0m，底部纵坡约2%。隧洞内直径5.60m,钢筋混凝土衬砌。0~3km衬砌厚度为0.3m，3~8.7 km衬砌厚度为0.35m。143仓段位于二级压力隧洞末端，143仓洞段围岩二级压力隧洞桩号8+432 m处，其岩石类别为II类。143仓洞段衬砌设计厚度0.35m，混凝土强度35MPa，配置2层钢筋φ28@200。施工完成后混凝土检测强度分别为：26.68MPa（右边墙，桩号8+432.90），24.17MPa（右边墙，桩号8+430），28.00MPa（底板，桩号8+ 432.90），21.06MPa（底板，桩号8+432），30.39 MPa（右边墙，桩号8+430），26.74MPa（左边墙，桩号8+432）。其平均强度约为（26.68+24.17+28.00+ 21.06+30.39+26.74）/6=26MPa，小于设计强度35 MPa，为了保证隧洞安全，需对143仓段衬砌进行加固处理。

2 加固方案

混凝土强度不足对结构的承载力、裂缝控制及耐久性产生不利影响，目前国内外对混凝土强不足的处理措施主要有直接加固法、间接加固法及综合加固法。其中直接加固法主要有增大截面法、外包钢材法、锚贴钢板法、黏贴纤维法、外加预应力法、混凝土置换法。

综合该项目施工环境及工期要求，综合比选钢衬法、黏贴纤维法及增大截面法：

1）钢衬加固法可以改善衬砌结构安全和防渗能力，增加衬砌抵抗内水压力的能力，是圆形隧洞常用的加固措施之一。143仓段处于压力隧洞末端，其外水压力较大，需解决好钢衬与混凝土接触面及钢衬起始段的止水措施，防止钢衬因外水压力而发生失稳破坏。

2）黏贴纤维法是用胶粘剂将纤维布或纤维板等复合材料粘贴到构件需要加强的部位，常用于承受静力作用下的受弯或受拉构件。加固时可选用玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维或碳纤维材料。

3）增大截面法系采用与原结构相同的材料增大混凝土结构构件的截面面积，同时增配钢筋，从而提高其承载力、刚度的一种直接加固方法。

此项目钢衬生产周期较长，黏贴纤维法应用于水工隧洞项目较少，综合该项目施工特点采用施工方法成熟的增大截面法。将已建成的衬砌内表面凿毛，挂网φ6mm@150mm×150mm，喷混凝土0.15m，要求新喷的混凝土强度不低于平均检测强度26MPa。加固方案见图1。

图1 加固方案图

3 加固计算

3.1 基本资料

1）地质资料：岩石类别为Ⅱ类；岩体质量指标RMRd为74；岩石地质强度指标GSI为69；岩石质量分类系统Q为28；岩石饱和单轴抗压强度UCS为73MPa；岩石质量指标RQD为78%；岩石的变形模量Erm为26GPa；泊松比v为0.23。

2）材料特性：混凝土，指定混凝土抗压强度fc′= 35MPa，弹性模量E=27806MPa；钢筋，ASTM A615，G60，抗压强度fy=420MPa，E=200000MPa。

3）压力隧洞特征水位：隧洞运行时需要经受住最大、最小水位和水击引起的水压力，运行最低水位为965.0m，运行最高水位为970.0m，发生水击时最高涌浪水位为1001.93m。

3.2 计算方法

计算采用三维有限元软件ANSYS以衬砌作为承载主体，采用平面应变模式进行计算。围岩与衬砌的相互作用使用只有压缩作用的弹簧COMBINE39单元模拟（当承受拉力时弹簧将失效）。衬砌断面尺寸见图2，计算中取4个应力监测控制断面，见图2。

弹簧的强度通过下列公式计算：

图2 衬砌截面（尺寸单位：m）

式中：Kn——弹簧的刚度，kN/m3；Erm——岩石的变形模量，kN/m2；R——圆弧段半径，m；v——泊松比；B——直线段长度，m。

3.3 设计荷载组合及荷载系数

对于衬砌的设计，将采用EM1110-2-2901规范中表9.1中规定的4个荷载组合和相应的荷载系数。考虑的荷载组合见表1。

表1 设计荷载组合及荷载系数表

对表1中除自重外的各项荷载说明如下：

1）岩石压力Pv

衬砌周围的岩石压力用下式计算：

式中：γ——岩石的重度；Deq（1-RMR/100）——岩石荷载高度，参见USACE《岩石隧洞与竖井工程设计手册》（EM1110-2-2901）7-2c，RMR为岩体质量指标；Deq——隧洞的等值直径，Deq=为压力洞的开挖横断面面积。

2）运行静水压力（内水压力）

指的是工作时的正常的内水压力（970.00m），减去在工作的正常条件下的最小的外水压力。采用衬砌的内部水压力。

3）瞬态静水压力

指的是当阀门突然关闭甩负荷时，如发生水击的瞬间内压减去最小外压。调压井中波动的最高涌浪水位线在1001.93m高程处，从这个点开始画一条直线和大坝正常水位线相连（965.00m），确定沿隧洞超压的数值。

4）外部静水压力

指的是当隧洞放空时，作用在隧洞上的最大外部静水压力。对于荷载组合U3，隧洞顶部承受3倍隧洞直径长的水柱作用。对于荷载组合U4，研究隧洞快速放空时的截面承载能力，假定外水压力作用在混凝土—岩石界面上，其数值等于从大坝运行水位（965.00m）开始测量的内水压力。

根据计算结果得出：断面的拉应力受U1荷载组合控制，压应力受U4荷载组合控制，U2及U3荷载组合均不是控制工况。

3.4 钢筋混凝土衬砌设计

钢筋混凝土衬砌的设计是根据ACI318-11和EM1110-2-2104设计标准完成，并且应该满足条件：φMn≥Mu；φVn≥Vu；φPn≥Pu。

其中：Mn为界面界面的名义抗弯强度，Nm；Mu为截面的计算抗弯强度，Nm；Vn为横截面的名义抗剪强度，N；Vu为截面的计算剪力，N；Pn为截面名义轴向抗力强度；Pu为截面轴力设计值；此处φ为强度折减系数，按照ACI318-11的规定采用：抗拉强度折减系数φ=0.9，剪切强度折减系数φ= 0.75，抗压强度折减系数φ=0.65。

对于此次计算中过水断面为圆形的衬砌，在受径向压力作用时，产生的内力以沿环向的Pu为主。根据此受力特点，计算中可忽略弯矩的影响。

1）核算衬砌的轴向压缩

衬砌中轴向压缩的公式如下：

式中：fc′——指定混凝土的抗压强度；ρ——拉力钢筋配筋率；ρ′——压区钢筋配筋率；Ag——混凝土截面的总面积；b——截面宽度；d——从压缩末端纤维到纵向受拉钢筋重心的距离。

2）核算衬砌的轴向拉伸

为了抵抗衬砌的轴拉，加固钢筋吸收所有的负荷并且完全的忽略混凝土抗拉强度。

式中：σi，σo——计算断面1~4每个断面内、外点处应力；As——计算钢筋面积，mm2。

3）核算截面的剪力

φVn≥Vu

横截面的名义抗剪强度由有以下关系式定义：

只考虑承受弯曲和剪切的因素，混凝土的强度计算公式：

考虑到承受轴压缩，混凝土的强度计算公式：

考虑到承受轴拉力，混凝土的强度计算公式：

在这个表达式中Nu对于拉力是负的，Vc不能小于0。

抗剪强度与剪力钢筋有如下关系：

式中：Vc——混凝土抗剪强度，N；Vs——计算钢筋抗剪强度，N；bw——抗剪截面的宽度；Nu——最大轴力；Av——横截面的抗剪钢筋的面积；S——横向钢筋的间隔；τi，τ0——计算断面1~4每个断面内、外点处应力。

4计算结果分析

以4个应力监测断面计算出的内力最大值Pu|max、Vu|max进行结构设计，以U1工况截面最大拉力确定配筋面积，以U4工况截面最大压力复核所配截面抗压承载力。隧洞衬砌计算结果汇总表见表2。

由表2可见，在各个荷载组合作用下，隧洞衬砌的抗力均大于作用力，满足上述规范的要求。因此，采用挂网喷混凝土0.15m，新喷的混凝土强度不低于平均检测强度26MPa的处理方案，能够保证衬砌结构安全。

［1］中国水电顾问集团公司.水工钢筋混凝土结构强度设计（2003年修订版）［M］.北京：中国水电顾问集团公司，2003.

表2 隧洞衬砌计算结果汇总表

［2］ACI318M-11.BuildCodeCequirementsforStructural ConcreteandCommentary［S］.AmericanConcrete Institute，2004．

［3］EM1110-2-2901，EngineeringandDesighTUNNELS ANDSHAFTSINROCK《岩石隧洞与竖井工程设计手册》［S］.Washington,DC:DepartmentoftheArmyU. S.ArmyCorpsofEngineers，1997.

［4］徐有邻，顾祥林.混凝土结构工程裂缝的判断与处理［M］.北京：中国建筑工业出版社，2010：148.

［5］ASTMA-615.StandardSpecificationforDeformedand PlainCarbon-SteelBarsforConcreteReinforcement［S］. WestConshohocken,PA:ASTMInternational，2016.

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