隧洞结构工程特性及设计理论方法

刘 磊

(中电投电力工程有限公司大连分公司,辽宁大连 116000)

隧洞结构工程特性及设计理论方法

刘 磊

(中电投电力工程有限公司大连分公司,辽宁大连 116000)

结合辽宁红沿河核电厂取水隧洞工程实例,参阅其它工程资料,分析了隧洞结构的工作特性。考虑隧洞工程所处地质环境的复杂性以及施工方法的差异性,总结、归纳了隧洞在不同条件下适宜采取的计算模型及设计方法,以供类似其它工程参考。

隧洞;工作特性;计算模型;设计方法

1 概述

随着国家能源结构的调整,核电作为一种清洁能源已成为中国能源建设的发展方向。其中,取水工程为核电厂常规岛冷却水、核岛安全厂用水和海水淡化系统提供海水。目前,国内运行及在建核电项目主要采取隧洞取水方案和明渠取水方案,在综合考虑技术、经济、安全、运行维护、厂区总体布置和土石方平衡等因素后,多数核电厂采用隧洞取水方案。

以辽宁红沿河核电厂取水隧洞工程为例,厂区规划装机容量为 6×1 000 MW级机组,分两期建设,一期建设 4台 1 000 MW级的 CPR 1 000机组。取水工程主要为电厂常规岛冷却水、核岛安全厂用水和海水淡化系统提供海水,每台机组总的设计取水量为 50.1 m3/s。一期 4台机组取水工程包括 1座取水建筑物和 4个取水隧洞。电厂厂址地形条件是北高南低,结合厂区总体布置,取水建筑物位于电厂北部约 1.0 km的天然小海湾内,取水隧洞从取水建筑物至 PX泵房。4个隧洞入口处的底标高为 -9.70 m,隧洞出口处底标高为 -10.2 m。1号隧洞长 966 m,2号隧洞长 979 m,两隧洞中心间距约为 47.7 m,3号隧洞长 1 037 m,4号隧洞长1 051 m,两隧洞中心间距约为 29.2 m。引水隧洞采用圆形断面,直径 5.5 m,采用钢筋混凝土衬砌,衬砌厚度为 500mm。

根据红沿河核电厂取水隧洞工程的设计、建造经验,参阅其它工程资料,下面论述隧洞结构工程开挖支护特性及设计理论方法,为后续其它工程提供参考。

2 隧洞结构工作特性

在大量的隧洞工程建设实践中,通过对隧洞工程的现场观测、试验以及计算、认为隧洞结构工作状态有以下特点。

2.1 隧洞结构在施工阶段就进入工作状态

一般地面结构是施工完成后才承受活载、风载及自重等荷载,施工阶段的荷载一般较小,而隧洞结构是在受载状态下构筑的,施工过程中要承受围岩垂直压力和水平侧向压力。对于长度较大的隧洞工程而言,隧洞工程应该是一个空间结构体系,因此,隧洞结构在施工阶段和使用阶段有不同的工作状态。

2.2 围岩地质条件对隧洞结构设计影响很大

隧洞结构的主要荷载是围岩压力,围岩压力与围岩级别及工程性质紧密相关,彻底弄清围岩的工程性质是困难的。在隧洞结构设计过程中,常需要参考借鉴类似工程的成功经验。如果围岩是很破碎的软弱岩体,一般可以看成是破碎、松散的连续体,按松散体计算松散压力或按连续介质理论确定围岩压力;如果围岩是较完整的岩体,则要按工程地质方法确定围岩压力,此时特别要注意岩体结构面的不利和有利的组合,这样才能在安全条件下有效和经济地建造隧洞结构。此外,隧洞结构埋深不同,所处地质构造部位不同,原岩初始应力也不同,初始应力释放将对隧洞工程的开挖和稳定产生很大影响。要特别注意的是,围岩地质条件在设计时只是一个概略的资料,施工过程才能逐步了解地质状态,并且随着时间的推移,由于受力状态的变化,岩体还会流变,有地壳运动的因素,如地震等,都会使围岩随时间有明显或不明显的变化。

2.3 围岩具有一定的自承载能力

隧洞结构所处的围岩不单纯是对结构产生荷载,也是承担荷载的组成部分。围岩压力由隧洞结构和围岩共同承担,围岩有一定的自承载能力,不论在垂直方向或水平方向,围岩均有一定的自稳范围和自稳时间。随着岩体类型和构造不同,其自稳范围和自稳时间在一个很大的范围内变化。要充分利用或者改善围岩的自稳范围和自稳时间的大小,要做到这一点,就要求围岩产生一定的变形和一定范围的塑性区,同时要及时进行支护。设计和施工者的任务就是将这一变形控制在允许范围之内,完全不变形是不可能的,同时过大变形也会带来支护的困难和造价的增高。充分发挥围岩的自承载能力,是现在隧洞工程设计施工区别于传统方法的根本点,通过锚杆、锚索、喷射混凝土等对围岩的加固是提高围岩自承载能力的有效措施。

2.4 隧洞水的赋存状态对隧洞结构的设计施工产

生巨大的影响

一般说来,隧洞水影响隧洞工程施工阶段的结构、人员的安全以及施工方法的选择,而且带来隧洞工程运行期间的防排水问题,在很大程度上恶化围岩级别及工程性质。在设计和施工中要了解隧洞水的情况,注意隧洞水变化带来的地层参数的变化,以及静、动水压力的变化。

2.5 施工方法和施工时机对围岩及隧洞支护结构

的稳定有制约作用

隧洞结构是以隧洞空间代替岩体的承载结构,替代过程是在某种范围和时间内依赖围岩的自承载力实现的,施工方法和施工时机能在很大程度上影响围岩及隧洞支护结构的稳定。考虑到这种因素,在构筑预期的隧洞结构的过程中,尤其在软弱、破碎围岩当中,要注意对围岩的过度扰动、限制超挖,要注意隧洞结构与围岩共同工作或者与辅助支护结构、临时支护结构共同作用,形成空间受力体系,以减少或控制变形,并注意构成封闭的三向受力体系,称为“勤支护 、早封闭 、弱扰动”,因此,隧洞结构的施工步骤要有严格的工作程序和施作时间规定。

2.6 多期支护对改善隧洞结构稳定有积极作用

开挖早期适时进行初期支护,但支护刚度不大,以便围岩产生一定的变形,在变形发展到一定水平后再进行二次支护,两者支护措施共同构成永久隧洞结构。这种多次支护的方法能主动控制围岩的变形,改善作业空间环境,节约工程造价。

3 隧洞结构计算模型

工程设计必须建立在科学合理的力学模型基础之上。随着隧洞工程计算理论的发展,隧洞结构设计必需的计算模型有了其理论依据,但具体计算模型的确定应能反映以下情况:

a.尽可能反映结构实际工作状态以及围岩与结构的边界关系,假定条件接近实际且不宜过多。

b.计算模型中有关参数应该是能够测定的、实用的,且受人为干扰的程度较小。

c.计算出的结果,如应力、应变等应真实可靠,符合经济实用、安全合理原则。

d.荷载确定简单明确,荷载种类符合结构在施工和使用阶段的实际情况。

e.计算模型适用范围应广泛,具有普遍性,能被反复检验。

由于隧洞工程所处地质环境的复杂性和施工方法的差异性,以某个理想的计算模型来适用于围岩环境,对于隧洞工程来说是较难实现的,必然会存在多种适用于各自围岩条件的计算模型。

从隧洞结构设计实践来看,隧洞结构设计的计算模型可以归纳为三大类:

第一类“荷载 -结构模型”,基于结构力学的分析模型,围岩对结构产生荷载,承载主体是衬砌结构,同时围岩对结构的变形有约束作用。

第二类“围岩 -结构模型”,基于连续介质力学的分析模型,衬砌结构对围岩的变形起限制作用,承载主体是围岩。

第三类“收敛 -约束模型”,以连续介质力学、结构力学等理论为基础,结合实测、经验的分析模型。

3.1 荷载 -结构模型

这类计算模型又称为结构力学计算模型,其主要思想是,围岩既对结构产生荷载又对结构提供弹性支承作用,承载主体是衬砌结构,在考虑围岩与结构的相互作用的同时将围岩与结构分开考虑,围岩压力按围岩分类法或有关实用计算公式计算,结构截面内力按弹性地基梁法或假定抗力法等方法计算,围岩对隧洞结构稳定的贡献主要体现在围岩能以弹性支承的方式约束结构的变形。围岩的弹性约束作用越大(即围岩的刚度越大或自承载能力越强),衬砌结构受到的弹性抗力越大,衬砌结构变形越小,同时围岩压力越小,作用于衬砌结构的荷载也越小,衬砌结构截面可以设计得很薄。相反,衬砌结构受到的弹性抗力越小,衬砌结构变形越大,同时围岩压力也越大,作用于衬砌结构的荷载也越大,衬砌结构截面则应设计得很厚。这一计算模型的理论基础就是上述弹性结构阶段的弹性连续拱形框架法。

当围岩被超挖、不回填或回填不密实时,就可按不计围岩抗力法计算,这种情况下没有考虑围岩与结构的相互作用,因此与地面结构一样衬砌结构,可以自由变形。

当围岩与衬砌结构接触紧密时,就可按假定弹性抗力法或弹性地基梁法计算。按围岩与结构的相互作用的假定方法不同,可以分为局部理论计算法和共同变形理论计算法。

图1为按荷载 -结构模型计算衬砌结构的计算简图,其中图 1(a)为不计围岩抗力的计算简图,衬砌结构只受主动围岩压力作用。图 1(b)为按假定弹性抗力法的计算简图,衬砌结构除受主动围岩压力作用外,还在左右两侧受到假定的被动弹性抗力。图 1(c)为按弹性地基梁法的计算简图,弹性抗力用弹簧表示,抗力值须由计算得到。

图1 荷载-结构模型计算简图

内力的计算安全可以用结构力学的方法或位移法,但手算比较复杂,目前多数采用通用有限元软件,如 SAP 2000、ANSYS等软件,建模十分方便,计算结果也直观快速。荷载 -结构模型概念清晰、计算简便,在目前隧洞结构设计中仍被广泛采用,尤其适用于围岩因超挖或过分变形而发生松动的情形,这类结构是主要承载体。

3.2 围岩 -结构模型

这类计算模型又称为岩体力学模型,模型将衬砌结构与围岩视为一个由两种材料组成、在接触边界面处变形协调的统一连续体,认为围岩是主要承载体,衬砌结构主要约束围岩的变形,共同组成一个承载结构体系,结构与围岩的应力应变按连续介质原理及变形协调条件计算,因此也称为连续介质力学计算模型。计算简如图 2所示,一些圆形、矩形等断面几何形状简单的衬砌结构的弹性问题、黏弹性问题、弹塑性问题都能得到解析解,但断面几何形状复杂的结构以及材料本构关系复杂的问题很难获得解析解,必须借助数值手段获得。

目前,随着一些处理功能强大的有限元软件的开发,如 ANSYS、FLAC、3D-σ和 ADINA等软件,使数值分析在越来越多的隧洞工程实践中得到广泛应用,也为设计施工方案、方法确定发挥了积极的理论指导作用。显然采用数值分析的围岩 -结构模型在任何场合都可以适用,主要的准备工作就是确定各种材料本构模型的参数以及围岩初始应力等条件。围岩—结构模型与目前一些先进施工技术条件下隧洞结构的实际工作状态基本吻合,如锚喷支护、钢架格栅支护等具有快速、密贴、早强等特点,对限制围岩的变形可以起到及时有效的约束作用,是充分发挥围岩自承载力的一项有效措施,这正好符合围岩 -结构模型的特点。正因为如此,围岩 -结构模型成为目前运用越来越广泛的分析方法。

3.3 收敛 -约束模型

收敛 -约束模型又称特征曲线模型,是指利用围岩的收敛特征曲线与衬砌结构的支护特征曲线关系求出支护结构的类型和尺寸的计算模型。

图2 围岩-结构模型计算简图

收敛 -约束模型计算简图如图 3,曲线 1为围岩的收敛特征曲线,按连续介质力学方法得到,横坐标为洞壁位移 u,纵坐标为衬砌对洞周围岩的支护阻力 Pi,该曲线可理解为围岩的支护需求曲线;曲线 2为衬砌结构的支护特征曲线,由结构力学方法得到的衬砌结构受力变形关系曲线,该曲线也可理解为衬砌结构的支护补给曲线。

如果掌握了围岩的收敛特征曲线和衬砌结构的支护特征曲线以及施作衬砌结构前已经发生的初始自由变形 u0。那么两曲线的交点纵坐标 Pimin为支护结构上的最终围岩变形压力,交点横坐标为支护结构的最终变形量。有了支护结构的围岩变形压力后,可按一般结构力学的方法分析支护结构的内力,进而设计截面尺寸。

在求解上述两个特征曲线时,一些断面复杂的隧洞结构很难得到解析解,必须采用数值方法,或者采用等效圆法作近似估算,等效圆半径

式中,A为隧洞断面面积。

因受力引起的变形位移是最容易被观测的,因此位移分析的收敛 -约束模型具有很大的发展前景。在目前的隧洞工程建设实践中,现场位移量测以及反馈分析普遍受到重视,当然,收敛 -约束模型理论还有待进一步发展和完善。

图3 收敛约束模型计算简图

4 隧洞结构设计方法

隧洞工程有关计算理论发展很快,计算手段越来越多,由于隧洞工程所处围岩环境和工作状态的特殊性,任何理论都不能取得十分满意合理的结果。因此,与地面结构那种偏重理论计算的设计方法不同,目前隧洞结构的设计方法仍然为半理论半经验的局面,依赖于工程经验。从国内外隧洞工程的设计实例看,大致可概括为三种设计方法,即经验设计法、理论设计法和动态设计法。

4.1 经验设计法

经验设计法即工程类比法,隧洞工程的基本特点是围岩地质环境复杂,要取得准确的地质、围岩参数和设计荷载参数等数据,极其困难。一些施工技术的机理复杂,如锚喷支护等,其计算理论不太成熟。因此,在相当长的历史时期内,经验判断对隧洞工程设计仍将起很大作用。

目前,在实际隧洞工程的支护设计往往采用工程类比法,中国多数锚喷支护设计规范都明确规定锚喷支护设计应以工程类比法为主。隧洞工程的工程类比法设计程序:分析工程地质情况;对拟建工程进行围岩分级;以围岩级别为依据,按照有关规范中提供的参数表或类似工程经验数据,查出支护参数,以此作为设计依据绘制施工图。一些简单的岩石隧洞工程,其地质条件清楚、断面尺寸不大、断面形状不复杂时,往往直接按工程类比设计法选定结构断面形式及尺寸,绘制结构施工图。现行的工程类比设计往往都是一种半定量的设计,即只给出支护参数范围,设计者必须以丰富的设计经验作出合理判断,不能以安全保险为目的选用最大值,否则就失去了类比设计给出的一定范围的价值,造成大量的浪费。

4.2 理论设计法

工程类比法简单易行,只要地质条件吻合,设计可靠性也较高。但毕竟每个隧洞工程都有其不同的特殊性,如围岩地质条件不可能完全一致,因此工程类比法的局限性是显而易见的。目前,在中国的隧洞工程建设中即使采用工程类比法,也要进行理论验算,对于无经验可参考的大跨度隧洞工程和洞群复杂的隧洞工程设计,必须进行理论计算甚至要进行专门试验研究。

理论设计法就是以上述隧洞结构计算模型为理论基础,根据地质条件确定围岩压力,求出隧洞结构内力核算截面参数并绘制施工图。其设计程序:分析工程地质情况、对拟建工程进行围岩分级、选定结构计算模型、初步拟定结构截面尺寸、确定结构所受的围岩压力、结构内力计算、截面配筋设计、结构稳定性验算及安全性评价、绘制结构施工图。其中结构计算模型选定是关键,要综合考虑围岩地质特征、结构形式、隧洞跨度、埋深、拟采用的施工方法等一系列因素,力求使计算结果符合实际受力情况。

4.3 动态设计法

众所周知,隧洞工程设计由于地质环境复杂、基础信息缺乏,无论采用理论计算法还是工程类比法,依据目前的技术水平,都不可能得到十分准确的结果。另外,由于工期、经费、勘测手段等因素的限制,在开挖前不可能将地质信息等施工中可能出现的因素搞得十分清楚,而必须通过开挖后所揭示的地质条件对围岩级别进行再认识和确定,所有这些将严重影响设计和施工决策的可靠性。设计文件中所拟定的断面尺寸、结构形式、支护参数、预留变形量和施工方法等设计参数不是一成不变的,需要在开挖过程中重新评估和确认,必要时须做调整或修正。因此,隧洞工程的设计无法在开工前就做到一步到位,这就是隧洞工程有别于其他土木工程的重要特征。因此,在目前在隧洞工程设计中,广泛采用经验借鉴、理论分析、现场量测技术、信息反馈、超前预报和动态调整相结合的所谓“动态设计法”。

隧洞工程动态设计法又称信息化设计,与地面工程迥然不同,在隧洞工程的动态设计法中,勘察、设计、施工等诸环节之间有交叉、反复、变更等现象。在前期地质调查和试验资料的基础上,根据经验方法或通过理论计算进行预设计,初步选定支护参数,然后根据预设计进行施工。同时,还须在施工过程中进行监控量测、超前预报,对量测数据进行理论分析,获得关于围岩稳定性和支护系统力学和工作状态的信息,结合有关规范和经验,对预设计有关支护参数及施工方案进行调整。这个过程是反复持续下去的动态过程,即修改设计、再施工、再量测、再反馈,直到建成一个长期稳定的隧洞结构体系。由此可见,动态设计方法与过去采用的一般设计方法相比,有了很大的改变。它不仅包括施工前的设计,还包括施工过程中的设计,即把过去截然分开的施工和设计两个阶段融合为一体,构成了一个完整的动态设计过程。这种方法并不排斥以往各种理论计算、经验类比以及模型试验等设计法,而是“变孤军奋战为多兵种联合作战”,把它们最大限度地容纳在自己的理论系统中,发挥其各种方法特有的优势;变一步到位为多步调整,让各种传统方法在一个动态系统中不断发挥作用。

5 结论

实践表明,隧洞工程特别适合采用动态设计法,因为一般隧洞工程多为线状结构物,不仅可以通过已成隧洞采取地质素描与摄影、工程测量、隧洞水位观测、位移应力监测等手段获得围岩的基本信息,还可以通过超前地质预报、地球物理探测等先进技术手段探测开挖面前方的围岩情况。因此,采用动态设计法,在开挖过程中进行设计和施工调整,能够较好的满足工程建设的需求。

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Discussion on operational factors and design methods of tunneling project

LIU Lei
(Dalian Subsidiary of CPIPower Engineering Co.,Ltd,Dalian 116000,China)

In accordancewith the intake tunnel project in Hongyanhe Nuclear Power Plant and other information,this paper analyzes the operational factors of tunnel structure.In view of the complexity of geological environment and the difference of construction,computingmodels and design methods,as a reference for other projects,under different conditionsare summarized.

tunnel;operational factors;computingmodel;design method

TU271.1

A

1002-1663(2010)02-0118-05

2010-01-14

刘 磊(1982-),男,大连理工大学土木工程专业毕业,主要从事核电工程土建结构专业设计管理工作,助理工程师。

(责任编辑 侯世春)