常峻 楊凡

1 工程概況

寧夏某工程是將寧夏固原地區(qū)南部六盤山東麓雨量較多、水量相對較豐沛的涇河流域地表水，經(jīng)攔截、調(diào)蓄，向北輸送到固原中北部干旱缺水地區(qū)的區(qū)域性水資源優(yōu)化配置工程。輸水線路全長75.29 km（其中，隧洞11 座總長35.57 km，壓力管道及其它工程39.72 km），共設截引點7 處，截引支線總長度17.55 km，新建水庫2座，改造水庫1 座，新建加壓泵站3 座，主管線布置隧洞等各類建筑物190 座。

2 工程地質(zhì)

7#隧洞長10 593 m，平均埋深165 m，最大埋深310 m。圍巖巖性主要為灰色泥頁巖（K1n1）、泥巖與泥灰?guī)r互層（K1n2）和泥巖夾薄層泥灰?guī)r（K1n3）。巖石分類主要包括Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類和土洞，其中Ⅳ類圍巖所占比例為86.21%，依據(jù)巖石力學性質(zhì)的不同，將Ⅳ類圍巖細化為Ⅳ1和Ⅳ2，圍巖地質(zhì)參數(shù)如表1。隧洞區(qū)地下水類型主要為孔隙潛水和基巖裂隙水，7#隧洞局部巖體較為破碎，透水性較強，存在高外水問題。根據(jù)鉆孔地下水位量測成果，推測最大埋深處地下水位線與隧洞軸線間距離為130～245 m，高外水隧洞折減系數(shù)變化范圍0.2～0.8。

表1 7#隧洞Ⅳ類圍地質(zhì)參數(shù)表

3 襯砌結構計算

3.1 二次襯砌斷面型式

7#隧洞設計按3 級建筑物考慮。隧洞內(nèi)徑2.5 m，斷面較小，二次襯砌采用外標準馬蹄形內(nèi)平底馬蹄形的復合斷面形式。Ⅳ類圍巖對應斷面為C 型，埋深不同，外水不同，受力也不同。因此，Ⅳ類圍按埋深小于130 m、介于130～200 m 和大于200 m 分為C1、C2、C3 三種斷面形式。其中埋深低于130 m 的體型圖如圖1 所示。其他斷面襯砌厚度、對應圍巖、外水采用值、埋深詳細情況見表2。

3.2 計算模型

隧洞為無壓隧洞，圍巖類別為Ⅳ類。考慮二次襯砌混凝土襯砌的安全，計算中不考慮一次支護受力作用。隧洞混凝土襯砌結構計算采用結構力學計算方法。假設襯砌與圍巖相互分開，以研究襯砌本身為主（其它對襯砌的影響作為襯砌的外力），以巖石的彈性抗力反映圍巖的作用。此方法是將襯砌結構的計算化為非線性常微分方程組的邊值問題，簡稱邊值法。

圖1 Ⅳ類圍巖埋深低于130 m段襯砌斷面示意圖

表2 7#隧洞Ⅳ類圍巖設計斷面設計參數(shù)表

考慮隧洞襯砌底板既非標準馬蹄形，也非平底馬蹄形，而是采用外圓內(nèi)平底的組合形式。本計算模型考慮了平底馬蹄形和標準馬蹄形兩種模型計算。計算軟件采用理正巖土隧洞襯砌計算軟件（版本6.0）。

內(nèi)力分析時按底板襯砌厚度為30、35、40 cm（C1、C2、C3）3 種不同斷面的標準馬蹄形和平底馬蹄形兩種模型計算?？紤]底板中間厚度實際達43.8、48.8、53.8 cm，配筋計算時，底板內(nèi)側配筋采用模型計算的內(nèi)力成果，按底板中間實際厚重新進行配筋計算。其他位置配筋采用理正程序配筋結果。側拱與底板相交處存在剛性節(jié)點，程序計算時按中心線交點處內(nèi)力配筋，計算結果失真，造成外側配筋偏大。實際取用考慮了該影響，半底板長10 等分約12 cm，接近一半襯砌厚度，因此，該點底板和側拱內(nèi)力及配筋均采用靠交點最近點的計算結果。

3.3 計算荷載及荷載組合

根據(jù)SL 191—2008《水工混凝土結構設計規(guī)范》3.2規(guī)定，襯砌承載力計算各種荷載分為永久荷載、可變荷載和偶然荷載。永久荷載為襯砌自重，彈性抗力；可變荷載是指設計條件下的內(nèi)水壓力，穩(wěn)定滲流情況下的地下外水壓力、圍巖松動壓力；偶然荷載包括溫度荷載、灌漿壓力及地震荷載等。

其中內(nèi)水壓力按隧洞設計水深1.73 m 考慮。外水按不同埋深和不同外水折減系數(shù)分別考慮。低外水折減系數(shù)洞段的折減系數(shù)統(tǒng)一取0.2；具有明顯滲水、線流甚至多處股流的高外水折減系數(shù)洞段取相應洞段折減系數(shù)的中間值，設置排水系統(tǒng)后按外水折減系數(shù)中間值0.6 考慮?；靥罟酀{壓力0.2 MPa，采用C25 混凝土，鋼筋混凝土容重為25 kN∕m3。側拱和頂拱的單位彈性抗力具體見表1，巖石洞段底板處單位弾抗考慮底板浸水對泥巖的影響，按200 MN∕m3取值。山巖壓力根據(jù)所提的參數(shù)，分別利用普氏公式、太沙基（等效）公式、鐵路公式及水工隧洞公式計算圍巖壓力，并取平均值作為計算輸入值。7#隧洞Ⅳ類圍巖計算采用荷載見表3。

計算時選取施工期、運行期和檢修期3 種工況。各工況荷載組合及荷載效應組合系數(shù)見表4。

表3 7#隧洞Ⅳ類圍巖各類工況計算采用荷載表

表4 各荷載效應組合系數(shù)表

3.4 計算成果

3.4.1 內(nèi)力成果

內(nèi)力計算成果較多，選取標準馬蹄形和平底馬蹄形兩種模型C3 斷面在正常運行極限狀態(tài)檢修工況下的內(nèi)力計算成果，見表5。

根據(jù)內(nèi)力分析成果分析，可以得出如下：

（1）Ⅳ類圍巖控制工況為檢修期工況，外水荷載對結構內(nèi)力影響最大。

（2）標準馬蹄形模型較平底馬蹄形模型內(nèi)力計算偏小。采用平底馬蹄形模型內(nèi)力成果偏安全。

（3）底板跨中部位內(nèi)側受拉，為內(nèi)側配筋控制斷面。底板兩端為外側受拉，為外側配筋控制斷面。底板結構受力最大，為節(jié)省投資，襯砌配筋根據(jù)不同部位受力特點配筋，重點加強底板內(nèi)外側配筋。

3.4.2 配筋成果

根據(jù)分析，外水大小是影響襯砌結構分析的主要因素。設計對不同外水折減系數(shù)進行了分析計算，根據(jù)初步計算，如果不考慮排水措施，不論是標準馬蹄形還是平底馬蹄形，所能承受的外水折減系數(shù)均小于地質(zhì)所提供的最大折減系數(shù)。因此，對于高外水破碎段，單純依靠增強結構是不合理的，采取排水措施降低外水影響是必要的。本工程對高外水破碎洞段采用固結灌漿加頂拱增設排水孔等措施，根據(jù)排水效果分析，防滲減壓效果明顯。本次計算對普通洞段外水折減系數(shù)按0.2 考慮，進行配筋計算。而對高外水破碎洞段考慮了一定的排水設施作用，初步擬定排水折減系數(shù)為0.6，選取平底馬蹄形斷面，外水折減系數(shù)取地質(zhì)提供的中間值，對高外水破碎洞段進行配筋計算。

7#隧洞Ⅳ類圍巖洞段襯砌結構配筋計算成果見表6。

基于上述計算結果分析可知：

（1） 考慮一定的排水措施，高外水折減系數(shù)洞段C1、C2、C3 斷面的配筋率分別達到74.70、75.70、69.25 kg∕m3，相比普通低外水折減系數(shù)洞段，配筋率分別增加了8.89、11.8、10.87 kg∕m3。

表5 Ⅳ1類圍巖C3斷面正常運行極限狀態(tài)內(nèi)力計算成果

表6 7#隧洞Ⅳ類圍巖結構計算配筋成果表

（2）綜合不計排水和排水兩種最不利工況分析，排水措施對結構影響較大，做好排水是保證結構安全的首要措施。

4 結 語

隧洞襯砌設計中，外水壓力是需要考慮的重要荷載之一。外水壓力的大小取決于隧洞所屬區(qū)域的地形、地貌、水文地質(zhì)條件、圍巖的完整性及滲透特性、隧道埋藏深度等因素，合理地確定外水壓力對襯砌結構設計至關重要。尤其是在深埋隧洞中，外水壓力往往成為設計中的制約因素，因此，在對外水壓力大小的選取上成為了隧洞工程中的關鍵。

本文將外水分為130、200、245 m 三段，分別對應不同的襯砌厚度。因襯砌類型介于標準馬蹄形與平底馬蹄形之間，故分別計算分析兩種模型的受力特點。對高外水折減系數(shù)洞段，在原外水折減系數(shù)的基礎考慮排水折減系數(shù)0.6，兼顧了結構受力、經(jīng)濟效益以及排水效果，提出最終的建議配筋成果，取得較理想結果。