白垩系河口群地层输水隧洞衬砌结构分析

陈霄汉

(兰州交通大学，甘肃兰州 730070)

白垩系河口群地层输水隧洞衬砌结构分析

陈霄汉

(兰州交通大学，甘肃兰州 730070)

根据某输水隧洞所处白垩系地层的物理和力学特征，拟定白垩系河口群(K1hk1)地层输水隧洞衬砌结构，利用Midas GTS NX对地层结构模型和衬砌结构进行了有限元分析，确定衬砌结构安全系数满足相关规范要求。

输水隧洞，白垩系河口群，有限元分析，衬砌结构

1 概述

某输水隧洞所处地层为白垩系河口群(K1hk1)地层，洞身所处第四系黄土。在进行结构有限元分析时，应充分考虑隧洞所处白垩系地层的岩体物理和力学特征，利用Midas GTSNX对初期支护结构、二次衬砌结构进行有限元分析，并结合具体施工，选取合理安全系数，确定支护参数［1］。拟定输水隧洞衬砌断面见图1。

图1 输水隧洞衬砌断面（单位：m）

2 白垩系地层岩体物理、力学特征

白垩系地层主要由砂岩与粘土岩互层、砂砾岩组成，该岩石组分中胶粒含量(小于0.002 mm)为11.5%～33.5%，伊利石和蒙脱石含量分别为3%～13.3%和3%～9.4%，其余为高岭石和绿泥石。现场试验结果表明，该地层岩石密度较小，一般小于2.5 g/cm3，最小为2.1 g/cm3;天然含水量较大，一般大于7%，最大达16%;孔隙率大，一般大于6%，最大达18.5%。从力学性质来看，隧洞区域地层承载力低，变形较大。岩石原状单轴抗压强度极低，均不超过40 MPa，变形模量一般不超过6 MPa，泊松比一般为0.30左右。该地层具有弱膨胀性，无荷膨胀率为 9%～21.9%，有荷(50 kPa)膨胀率为2%～4%，膨胀力一般为30 kPa～65 kPa，最大可达170 kPa，岩块干燥饱和吸水率为18%～33%，该段有f103断层发育，受断层影响岩体破碎。隧洞洞身大部分位于岩体风化带内，隧道埋深多集中在15 m～30 m之间，隧洞拱顶易出现塌方掉块，开挖时围岩极不稳定，围岩分级为Ⅳ级～Ⅴ级。

3 初期支护结构受力分析

基于地层结构模型的分析，利用Midas GTSNX岩土与隧道有限元分析软件进行计算。有限元划分网格如图2所示，横向尺寸如下:左、右边界距隧道开挖边界线均为28 m，底边界距隧道仰拱底20m，顶面距拱顶25m，边界条件顶面为自由表面，两边为横向约束，底面为固定约束，分析中按平面应变问题考虑。计算所得初期支护弯矩图、轴力图如图3，图4所示。

图2 地层结构模型有限元网格划分

图3 初期支护结构弯矩图

图4 初期支护结构轴力图

根据SL 191—2008水工混凝土结构设计规范［2］，SL 252—2000水利水电工程等级划分及洪水标准［3］及SL 279—2002水工隧洞设计规范［4］第7.0.10条:“对遇水易泥化、崩解、膨胀、软化的不良地质洞段，或在渗流作用下易于蚀变、渗透变形(失稳)的较大断层、卸荷带、破碎带、节理(裂隙)密集带等不良地质洞段，设计等级可提高一级(最高不超过Ⅰ级)，并应加强衬砌的防渗、止水措施，必要时进行专门设计”，因此，对于彭家平支线主体工程结构内力计算时，水工工程等级为Ⅰ级，对于素混凝土结构，按受拉承载力计算的受压、受弯构件，荷载效应基本组合时，其安全系数为1.45。对初期支护结构受力薄弱点进行安全系数计算如表1所示。通过计算，白垩系河口群(K1hk1)地层中，初期支护结构安全系数满足规范要求，但墙脚位置应力集中，受力薄弱，施工时应用钢架及时封闭。

表1 初期支护关键截面安全系数

4 二次衬砌结构受力分析

利用Midas GTSNX岩土与隧道有限元分析软件，采用荷载结构法对白垩系河口群(K1hk1)地层段二次衬砌进行受力分析，二次模筑衬砌采用梁单元进行模拟，其厚度为0.45 m，为钢筋混凝土衬砌，分析计算时运营与检修两种工况，检修工况根据设计情况添加水压力。下文仅列出检修工况计算结果。检修工况结构弯矩图、轴力图如图5，图6所示。

图5 检修工况结构弯矩图

图6 检修工况结构轴力图

根据SL 191—2008水工混凝土结构设计规范［2］，结合水工建筑物级别，钢筋混凝土结构荷载基本组合时，承载力安全系数为1.35，对二次衬砌结构受力薄弱点进行安全系数计算如表2所示。

表2 二次衬砌截面安全系数

通过计算，白垩系河口群(K1hk1)地层中，二次衬砌结构安全系数满足规范要求。对关键截面大偏心断面进行衬砌裂缝验算，根据SL 191—2008水工混凝土结构设计规范［2］，由混凝土结构所处的环境类型为四类土环境，查得钢筋混凝土结构裂缝控制等级为一级，其值为0.2mm。

通过计算，墙脚部位裂缝宽度为0.18mm，仰拱裂缝宽度为0. 13mm，二次衬砌裂缝宽度均小于0.2mm，满足规范要求。

从以上计算结果可以看出，检修工况结构内力均比运营工况大，可见，支洞运营时，内水压力对结构受力是有利荷载。考虑白垩系河口群(K1hk1)地层具有吸水膨胀的特点，结合膨胀性围岩的特点及以往相关工程经验，结合衬砌结构受力分析进一步确定了衬砌支护措施。

5 结语

通过上述计算，确定衬砌支护参数如下:1)超前支护。拱部120°范围采用φ42超前小导管预支护，小导管结合钢架设置，每根长3m，环向间距30 cm，纵向搭接不小于1 m。2)初期支护。钢架:全环Ⅰ14型钢钢架，间距0.75 m/榀。喷层:拱墙C25喷混凝土，厚 15 cm。钢筋网:拱墙 φ8钢筋网片，间距 150 mm× 150mm。系统锚杆:拱部φ25中空注浆锚杆，边墙φ22砂浆锚杆，锚杆长2.5 m，环向间距0.75 m，纵向间距与钢架一致，锚杆尾部与钢架焊接。垫层:C20混凝土垫层，厚25 cm。3)二次衬砌。C30钢筋混凝土，厚45 cm。

［1］ 张小明.水工隧洞衬砌结构的缺陷检测及稳定性分析［D］.成都:西南交通大学，2014.

［2］ SL 191—2008，水工混凝土结构设计规范［S］.

［3］ SL 252—2000，水利水电工程等级划分及洪水标准［S］.

［4］ SL 279—2002，水工隧洞设计规范［S］.

Analysis on water delivery tunnel lining structure of the group of cretaceous estuary

Chen Xiaohan

(Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China)

According to physicalandmechanical properties of thewater-transportation tunnelwith cretaceous strata，this paper designed thewater delivery tunnel lining structure of the group of cretaceous estuary(K1hk1)，used Midas GTSNX to analyze the structuremodel of soil layer and the lining structure，and made sure the lining structuremeet standard requirements.

water delivery tunnel，group of cretaceous estuary，finite element analysis，lining structure

U455.91

A

1009-6825(2015)29-0172-02

2015-08-05

陈霄汉(1991-)，男，在读硕士