施工支洞改建为检修支洞的结构设计与分析

陈晓年　肖豫　何楠

摘要：通过对厄瓜多尔ccs输水隧洞施工支洞改建检修支洞进行研究，提出一种新型改建方法，该方法避免了传统增设检修闸门的方式，降低了施工难度和工程投资，且缩短了工期，改建方案既可以在运行期挡水，又可以在检修期放空输水隧洞主洞的情况下对主洞进行检修，检修支洞还可兼作明流输水隧洞的通气洞。通过有限元结构计算分析研究，探索了检修通道结构设计方法，最终形成了完整的施工支洞改建检修支洞的方案，该检修支洞改建方案尤其适用于长距离、大直径、深埋输水隧洞的施工支洞回填改建检修支洞。

关键词：检修支洞;施工支洞;改建方法;结构计算

中图分类号：TV62

文献标志码：A

doi： 10.3969/j.issn.1000- 1379.2019.06.023

1 工程概况

厄瓜多爾CCS水电站输水隧洞设计引水流量为222 m3/s，隧洞设计内径8.2 m。隧洞出口设事故闸门，输水隧洞进口底板高程为1 266.90 m.出口底板高程为1 224.00 m，纵坡坡降为0.173%，输水隧洞采用全衬砌结构形式。

输水隧洞全长24.83 km.施工过程中在隧洞桩号9+878.18、11+005.61处分别布置2A、2B两条施工支洞，主要采用2台双护盾TBM（即TBM1、TBM2）掘进机施工，辅以钻爆法施工。其中：TBM1从2A支洞向上游掘进，负责2A支洞及其输水隧洞上游段的开挖及管片衬砌，最终从隧洞进口出：TBM2从输水隧洞出口向上游掘进，负责输水隧洞出口至2B支洞之间的下游段开挖及管片衬砌，并最终从2B支洞出[1]。根据输水隧洞运行维护要求，需要设置一条检修支洞，方便在必要时对主洞进行检修，为减少投资，决定对2B施工支洞进行改建，使其成为检修支洞。

2 施工支洞改建检修支洞新方法研究

2.1 检修支洞设计背景

在大、中型水利水电工程输水隧洞特别是长距离、大直径、深埋输水隧洞（明流洞）建设过程中，通常将施工期的施工支洞改建为检修支洞，以达到缩短工期、降低投资的目的[2]。目前在改建中，通常是在施工支洞与输水隧洞主洞交叉连接段内设置金属检修闸门，通过控制金属检修闸门启闭达到输水隧洞主洞的运行和检修目的。此方法有两个弊端：一是增加金属检修闸门等相关结构，增大了工程投资：二是金属检修闸门本身存在维护及检修问题，当金属检修闸门出现故障时必须放空整个输水主洞进行检修或定期维修。因此，通常的施工支洞改建检修支洞的方法不仅增大工程投资，而且影响输水隧洞的正常运行，并存在一定的安全隐患。

2.2 检修支洞改建新方法

如图1所示，该施工支洞改建检修支洞的新方法主要特点是规避了检修闸门的设置，首先对施工支洞与输水隧洞主洞连接处进行混凝土封堵，封堵时在位于封堵段的施工支洞内留出检修通道，其中检修通道的纵坡坡降i为10%：然后在靠近封堵段施工支洞内的洞底用块石混凝土回填成沿施工支洞纵向呈“凸”字形曲线的检修通道，“凸”字形曲线的洞底最高处为圆弧段，所述圆弧段洞底的两侧纵坡坡降均为10%，圆弧段洞底最高点的高程大于输水隧洞主洞的正常运行水位线。

2.3 新方法的优点

该施工支洞改建检修支洞的新方法避免了增设检修闸门，降低了施工难度和工程投资，且缩短了工期。该方法尤其适用于长距离、大直径、深埋输水隧洞（明流洞）的施工支洞回填改建检修支洞，检修支洞可兼作明流输水隧洞的通气洞。同时，检修支洞既可以在运行期挡水，又可以在检修期放空主洞的情况下对输水隧洞主洞进行检修。

3 改建后检修支洞结构设计

输水隧洞与2B支洞连接处封堵段的平面和剖面见图2。

3.1 典型断面的选择

输水隧洞与2B支洞连接处封堵段主要围岩类型为Ⅲ类，封堵段检修通道底板纵坡坡降为10%。随着底板混凝土厚度逐渐变大，检修通道的高度变低，计算选取封堵混凝土较薄的B-B剖面作为典型计算剖面，B-B剖面中底板厚度取该段的最小厚度0.6 m，孔口尺寸取最大孔口尺寸3.5 mx7.7 m（宽×高）进行计算。

3.2 计算方法及模型

采用大型通用有限元计算程序LUSAS进行结构计算，其中封堵段混凝土采用QPM4M平面应力2D单元，围岩与封堵段接触采用JPH3弹簧单元，该单元只受压，不受拉，围岩采用全约束边界。

QPM4M单元为平面应力连续体，每个节点有U、V两个自由度及X、Y，两个坐标，如图3所示。JPH3弹簧单元有3个节点，第3个节点用于确定单元X轴，在第1节点和第2节点处有U、V、θz三个自由度（活动节点），JPH3单元如图4所示。

QPM4M单元长度为0.5 m、厚度为1m，一共有495个，节点563个;JPH3弹簧单元共有95个，节点186个。有限元计算模型见图5。

3.3 荷载及荷载组合

3.3.1 荷载

（1）自重。混凝土衬砌容重为25 kN/m3。

（2）围岩压力。根据美国隧洞规范EMII10-4-2_2901[3]中第九章表9.1确定衬砌结构的围岩压力。

（3）外水压力。根据美国隧洞规范EMIII0-4-2-2901，当采用适当的排水系统时外水压力水头可以采用地下水总水头的25%或3倍洞径。

（4）内水压力。根据一维水力学计算结果，隧洞正常运行时检修支洞内水深为6.12 m。

（5）汽车荷载。检修工况下检修通道底板需要考虑标准轴距货车荷载，单轴两轮距离为1.8 m，荷载动态放大倍率为1.33。

（6）人群荷载。检修工况下检修通道需要考虑3.6xl0 MPa人群荷载。

3.3.2 荷载组合

根据隧道的施工方法和施工条件，确定正常运行、检修两种工况，荷载组合见表1。

3.4 计算结果

应力计算结果见表3、图6-图9。

结构配筋采用应力面积法，按照最大主拉应力进行配筋方向积分，假定主拉应力全部由钢筋承担，根据计算结果再进行应力面积积分[4]，求得钢筋面积。总拉力计算公式为

4 结语

该工程利用2A施工支洞回填封堵，留设检修通道改建成检修支洞，避免了增设检修闸门，不仅降低了施工难度和工程投资，经济易行，缩短了工期，而且该检修支洞可兼作明流输水隧洞的通气洞，在运行期挡水，在检修期放空输水隧洞主洞的情况下对主洞进行检修。通过有限元结构分析计算，探索出一套检修通道结构设计方法，该检修支洞改建方法尤其适用于长距离、大直径、深埋输水隧洞（明流洞）的施工支洞回填改建检修支洞。

参考文献：

[1]金长文.厄瓜多尔CCS水电站输水隧洞施工简介[J].云南水力发电，2014，30（5）：8-10.

[2]林长杰.浅谈永久检修支洞的选取布置[J].水利水电技术，2012，43（7）：53-54.

[3] US Army Corps of Engineers. Tunnels and Shafts in Rock：EMIIIO-2 - 2901[ S]. Washington： Department of theArmy，1997：1.

[4] 钮新强，汪基伟，吴德绪，等.水工混凝土结构设计规范：SL91-2008[S].北京：中国水利水电出版社，2008：164-165.

【责任编辑张华岩】