集渣坑部位的TBM施工服务区异形大断面衬砌研究

2018-07-18强丽峰单柏翔

东北水利水电 2018年7期

强丽峰，单柏翔，游艇

（1.辽宁省柴河水库管理局，辽宁铁岭 112000；2.辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁沈阳 l10006）

0 引言

近年来，随着引水隧洞工程的快速发展，隧洞工程的特点呈现多样化，相比以前与大坝相结合的泄洪洞、发电支洞等更长，断面更大，更复杂。在引水隧洞工程当中，分为有压隧洞和无压隧洞；根据断面形式又分为圆形、城门洞形、马蹄形等。

在隧洞开挖过程中，无论采用钻爆法还是TBM隧道掘进机开挖，较差围岩，如Ⅳ、Ⅴ类，外水压力均通过固结灌浆和阻水灌浆降到很小或忽略不计，所以无压隧洞衬砌，无论哪种断面形式，基本属于结构配筋或配筋计算很小，也比较容易解决；对于圆形有压隧洞断面，先后有潘家铮等[1]，张有天等[1]，李宁等[1～2]，从多方面进行了分析，规范[3～4]给出其它断面隧洞采用边值解法，而对于长距离TBM有压引水隧洞，因组装TBM需要更大断面，且长距离引水隧洞中结构需要布置集渣坑或其它功能结构，需布置异形大断面，而进行异形大断面的衬砌配筋计算和工程实例很少，且无经验可参考。针对以上情况，本文以某大型引水隧洞工程为例，针对TBM扩大洞室异形断面的衬砌问题，采用ANSYS有限元软件对异形断面受力情况进行分析，对传统数值解法进行了优化，为同类工程的设计、施工提供了依据和参考。

1 工程概况

1.1 概况

主体工程为隧洞工程，主洞长35 441.338 m，桩号47+590.457—83+031.795，纵坡i=0.28‰。共布置5条施工支洞，分别为7，9，10，11和 12号。主洞采用2台TBM施工（TBM3和TBM4），TBM3在9号支洞的扩大洞室内组装并开始掘进，TBM4在11号支洞的扩大洞室内组装并掘进。

3号集渣坑位于TBM4的施工服务区内，主洞TBM施工段断面为圆形，开挖洞径为8.50 m，施工服务区初始断面为城门洞型，成洞断面尺寸均为10.9 m×11.0 m（宽×高），成洞断面尺寸及平面布置参见图1，2所示。

1.2 工程地质条件

此段洞室埋深除四道岭沟小于100 m外，其它段洞室埋深均在100 m以上，局部大于300 m。围岩岩性为侏罗系果松组安山岩、火山角砾岩、角砾熔岩、岩屑凝灰岩及紫红色凝灰岩，微风化为主，除紫红色凝灰岩为软质岩外，其它岩石均属硬质岩，其中安山岩、火山角砾岩、角砾熔岩及岩屑凝灰岩段，岩体多为完整性差～较完整，岩体呈镶嵌结构～次块状结构，围岩稳定性较好，紫红色凝灰岩段。由于其本身岩石硬度的关系，且岩体隐形节理发育，岩体多较破碎，岩体呈碎裂结构，围岩稳定性差。另各岩组间安山岩、角砾熔岩与岩屑凝灰岩、紫红色凝灰岩接触带均破碎，且岩层倾角较缓，对围岩稳定影响较大。以滴水为主，局部线流。

图1 TBM组装洞室平面布置图

图2 TBM扩大洞室断面图

2 衬砌计算方法

目前，对于圆形断面、城门洞型、马蹄型等常规断面，均形成了较为统一、成熟的计算理论。有压圆形隧洞，在围岩相对均质，且岩体覆盖厚度满足最小覆盖厚度（不包括全、强风化厚度），并不会发生渗透失稳和水力劈裂的条件下，可采用弹性力学解析方法，即厚壁圆筒作用理论。考虑围岩的弹性抗力，假定在内水压力作用下，隧洞混凝土衬砌沿径向开裂[5～6]，对于大断面、特殊断面、高水头压力隧洞或重要隧洞，需进行有限元结合计算[7-9]。

在国内隧洞以往的计算中，衬砌配筋较为保守，很多隧洞按限裂（不允许出现裂缝）进行设计，而实际上在满足止水和混凝土保护层厚度的情况下，均可按正常使用极限状态的适应一定环境的裂缝宽度计算，有限裂的特殊隧洞除外。隧洞衬砌在轴心受拉、偏心受拉及大偏心受压情况，考虑裂缝宽度分布不均匀性及荷载长期作用影响后的最大裂缝宽度，可按式（1）计算。

式中：ωmax——最大裂缝宽度，mm；α1，α2——计算系数；σs——衬砌结构正常使用情况受拉钢筋应力；σd——受拉钢筋直径，mm；μ——受拉钢筋配筋率；ftk——混凝土轴心抗拉强度标准值，N/mm2；ν——与受拉钢筋表面形状有关的系数。

采用有限元模型计算断面结构应力，并提取受拉钢筋应力σs，再根据式（1）计算受拉钢筋面积。

3 异形断面受力分析

3.1 建模及参数选取

TBM施工服务区，存在集渣坑异形断面配筋计算，利用ANSYS有限元软件先建立规则的城门洞型断面模型，再建立异形断面模型，然后对比分析各部位受力规律，进行针对性的修正配筋。

隧洞围岩采用2D实体4结点四边形PLANE42单元，初期支护中的喷射混凝土采用BEAM3单元，支护锚杆采用LINK1单元。根据现场地勘资料，确定围岩物理力学参数，见表1所示。计算边界为左右边界取洞径的4～5倍，上下边界取洞径的4～5倍，最后确定计算范围为109.7 m×110 m。边界条件的约束仍为左右边界水平方向位移约束，下边界竖向位移约束，同时施加重力加速度以及地面荷载。

表1 围岩物理力学参数表

3.2 有限元受力分析

因TBM施工服务区断面尺寸较大，工程采用左右导洞、分层开挖模式，先从左侧较好围岩开挖，后挖右侧，再上后下，逐渐开挖至整个断面。ANSYS开挖也按此模式模拟，并分若干个子步骤模拟围岩应力释放的过程，起初释放65%的围岩压力，通过提取结点力并反加35%的结点力来实现释放100%的围岩压力，并施加衬砌，最后进行求解计算。

本文分别计算出规则城门洞型断面和异形断面应力分布，再对比整个断面对应位置处的应力变化，根据规则断面配筋局部调整异形断面的配筋。从后处理中提取了衬砌部分的计算结果，应力分析如图3，4所示。

图3 规则衬砌断面应力图

图4 异形衬砌断面应力图

从图3，4中可以看出，2种断面拱顶基本为拉应力，城门洞型衬砌断面拱顶最大拉应力为2.38 MPa左右，底板两侧底角位置受力最大，为3.91 MPa；异形断面拱顶最大拉应力为2.55 MPa左右，与规则断面基本相同，底板右底角最大应力为0.27 MPa，小于规则断面相应位置应力，而集渣坑底角处应力最大为5.96 MPa，远大于规则断面的最大应力，说明异形断面受集渣影响最大的位置在底板，而顶拱和边墙影响较小，基本与规则断面相同。