软弱松散岩体浅埋隧洞衬砌结构设计研究

程 宵，苏军安，王福初，周春根，吴文洪

(1.水能资源利用关键技术湖南省重点实验室，湖南长沙410014；2.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙410014)

当隧洞围岩为软弱松散岩体，且洞顶上覆埋深小，属于软弱松散岩体浅埋隧洞。一般情况下，围岩厚度越小，承载能力越差，渗透稳定越难满足，覆盖在隧洞顶上的岩体不可能形成完整的支撑环，衬砌结构承受所有的岩体松散压力。在埋深浅、围岩稳定性差的浅埋隧洞基本采用明挖，尽量避免浅埋隧洞暗挖。托巴水电站工程地处高山峡谷区，考虑弃渣场运用要求等因素，采用了浅埋暗挖进洞方式。目前，我国对软岩浅埋隧洞设计研究的尚不多见，本文根据《水利水电工程施工组织设计手册》[1]、《导流截流及围堰工程》[2]、《水工设计手册》[3]和《水工隧洞设计规范》[4]等规定的山岩压力计算理论开展对衬砌结构的敏感性计算分析，并提出相应安全控制措施，可作为今后类似条件下衬砌结构的设计评估的有益参考。

1 工程概况

托巴水电站工程位于云南省迪庆州维西县中路乡境内，为一等大(1)型工程，考虑到工程施工弃渣规划，在长约1.00 km的冲沟(中路沟)布置了一个总容量约587万m3的永久弃渣场，弃渣高度约120 m。中路沟弃渣场在冲沟上游侧布置了1条永久排水隧洞，将冲沟内的水引至澜沧江，其防洪标准选用100 a重现期，设计流量为129 m3/s。

排水隧洞长1 219.142 m，进口底板高程1 757 m，出口底板高程1 630.3 m。根据排水隧洞实际开挖揭露的地质情况，桩号P0+000～P0+095段围岩为软岩，且呈碎块石夹泥为主的散体结构，围岩自稳性差，浅埋洞段采用全断面钢筋混凝土衬砌。过水断面为圆拱直墙型，洞宽4.4 m，高5.4 m，顶拱中心角116.53°，顶拱半径2.587 m，衬砌采用C30钢筋混凝土，厚度1.0 m，底板与直墙直角连接。

2 软弱松散浅埋隧洞判定

软弱松散围岩以碎块石夹泥为主的散体结构组成，遇水易软化，围岩主要特征值见表1。

表1 围岩材料主要计算参数

表2 软弱松散岩体浅埋洞段桩号P0+095.00断面山岩压力组合工况

根据《导流截流及围堰工程》上册浅埋隧洞山岩压力计算，浅埋隧洞的临界深度按下式估算[2]

(1)

式中，Hmax为深、浅埋隧洞分界深度，m；b1为计算宽度，b1=b+2htan(45°-0.5φ)，m；b和h分别为隧洞开挖宽度和高度，m；φ为底层岩石内摩擦角,(°)。

经计算得出软弱松散围岩深、浅埋隧洞的分界深度为42.82 m，排水洞实际开挖揭露出在桩号P0±000.000～P0+095.000洞段围岩为软弱松散岩体，埋深均小于该计算值，为浅埋隧洞，其中，P0+095.000断面洞顶以上最大埋深32.39 m，且外水水位最高(衬砌底板顶面以上水头16.181 m)，将其作为浅埋洞段的典型计算断面开展衬砌结构敏感性计算。

3 浅埋隧洞计算分析

3.1 浅埋隧洞山岩压力计算方法

(1)竖向山岩压力[2]计算需考虑两侧摩擦力作用，采用式(2)和(3)进行计算。

(2)

(3)

式中，H为洞顶以上埋深，m；γ为岩石容重，kN/m3；其他符号含义同前。

(2)侧向山岩压力计算未有明确的计算方法，主要根据围岩侧壁是否稳定，参考《水工设计手册》[2]中普氏理论(朗肯主动土压力)、松散介质理论和《导流截流及围堰工程》[2]中松动介质平衡理论中侧向山岩压力计算开展敏感性分析。

(3)浅埋洞段衬砌结构计算采用了水工隧洞钢筋混凝土衬砌计算机辅助设计系统(SDCAD)中边值法。计算基于以下假定：①作用对称于排水洞垂直中心线；②垂直和侧向围岩松动压力，均按均匀分布考虑；③衬砌自重沿衬砌的结构中心线均匀分布；④排水洞外水压力作用方向均与衬砌结构的中心线成正交。

3.2 计算工况

由于浅埋隧洞侧向山岩压力没有明确的计算方法，本文根据普氏理论(朗肯主动土压力)、松散介质理论和松动介质平衡理论中的侧向山岩压力开展衬砌结构稳定敏感性计算，考虑3种不同计算工况组合(见表2)。

3.3 衬砌结构受力分析

3.3.1 内力成果分析

方案①的侧向山岩压力系数采用朗肯主动土压力计算取值，数值为1.894。其轴力、剪力和弯矩计算成果表明，底板和边墙所受轴力均较大，最大数值分别为-1 244.75 kN和-1 468.24 kN(压力)，出现在底板和边墙交汇处；底板与边墙交汇处剪力也最大，数值分别为1 468.23 kN和-1 244.75 kN；底板中部和边墙腰部一定范围内弯矩为正值，表明内侧为相对受拉区，底板端部、边墙底部和顶拱部位弯矩为负值，表明外侧为相对受拉区，内力图如图1所示。

图1 方案①内力

图2 方案②内力

方案②竖向山岩压力与方案①一样，侧向山岩压力按松动介质理论计算，数值为0.262，侧向山岩压力系数明显减小。其轴力、剪力和弯矩计算成果表明，相较方案①，由于水平向施加荷载减小，底板轴力和边墙底部剪力有所减小(最大数值均为-630.34 kN)，边墙轴力和底板端部剪力略小(最大数值分别为-1465.82 kN和1465.81 kN)；边墙和底板的弯矩规律基本一致，底板内侧和边墙外侧相对受拉区范围有所增加，顶拱的弯矩规律直观上有所差别，主要表现为拱顶一定范围内弯矩为正值，内侧为相对受拉区，原因是施加的竖向荷载较大，顶拱拱效应将力传递到拱座，而施加的水平荷载较小不能完全抵抗传递来的拱座推力，拱座表现为向洞外变形的趋势，拱顶表现为向下变形趋势，因此顶拱的弯矩规律本质上也是一致的，内力如图2所示。

方案③竖向山岩压力与方案①一样，侧向山岩压力按松散介质平衡理论计算，数值为0.1，相较方案②侧向山岩压力系数又有所减小。其轴力、剪力和弯矩计算规律基本与方案②相同，由于水平向施加的荷载进一步减小，底板轴力和边墙底部剪力也相应减小(最大数值均为-570.95 kN)，边墙轴力和底板端部剪力略小(最大数值分别为-1 465.83 kN和1 465.82 kN)，内力如表3所示。

3.3.2 衬砌配筋成果分析

根据方案①～方案③的轴力、剪力和弯矩内力成果，列出了衬砌厚度为1.0 m时所需配筋，如图1所示。

3.3.3 各方案计算成果比选分析

方案①～方案③的计算内力和配筋成果表明，在同样衬砌厚度情况下，对于软弱松散岩体浅埋隧洞，围岩自稳性较差，不仅不能与衬砌联合承载，而且作用在衬砌上的山岩压力较大，结合外水压力的双重影响，需加强重视衬砌结构的设计。方案①～方案③中衬砌竖向山岩压力和外水压力相同，仅考虑围岩侧壁是否稳定、侧向山岩压力数值不同，主要体现在衬砌边墙轴力和底板剪力数值差别很小，但由于水平向施加的荷载减少，衬砌底板轴力和边墙剪力差别较大。

图3 方案③内力

方案名称正截面计算配筋斜截面计算配筋方案①方案②方案③顶拱双侧16@200;边墙、底板双侧20@200底板角隅和边墙角隅所需配筋面积分别为1735mm2和872mm2,第一排弯起钢筋分别为32@400和22@400;均无需第二排弯起钢筋底板角隅所需配筋面积分别为1920mm2,第一排弯起钢筋为32@400;边墙无需设置弯起钢筋底板角隅所需配筋面积分别为1939mm2,第一排弯起钢筋为32@400;边墙无需设置弯起钢筋

方案①衬砌承受的轴力和剪力最大，底板和边墙角隅均需配置斜截面抗剪钢筋，面积分别为1 735 mm2和872 mm2，相较方案②和方案③，底板角隅的抗剪面积较少，边墙角隅的抗剪面积较多，虽方案①不作为软弱松散岩体浅埋隧洞设计的控制工况，但根据现场围岩实际变形监测，围岩侧壁腰部变形较明显，因此，对于若软松散岩体浅埋隧洞，侧向山岩压力采用主动土压力进行计算更为合适。

4 减小衬砌结构斜截面抗剪能力的措施

从上节的分析结果可以看出，软弱松散岩体浅埋隧洞的山岩压力作用显著，在山岩压力和外水压力共同作用下，衬砌受力较大，尤其底板和边墙直角连接处应力集中区域较大，将出现较大范围的剪切破坏区，且所需的抗剪钢筋多。针对这一问题本文提出在边墙和底板连接处设置贴脚措施，如图4所示。

图4 浅埋隧洞衬砌底板和边墙连接处增设贴脚方案断面(尺寸单位：mm)

经计算分析，衬砌轴力、剪力和弯矩规律基本与方案①一致，但底板和边墙连接处应力集中有效缓解，数值分别为971.08 kN和-843.50 kN(压力)，底板角隅和边墙角隅斜截面所需配筋面积分别为997 mm2和407 mm2，相较方案①，剪力分别减小33.86%和32.24%，配筋面积分别减小42.54%和53.33%。内力如图5所示。经计算，配筋成果为：衬砌顶拱、边墙和底板均双侧配筋16@200；底板角隅和边墙角隅所需配筋面积分别为997 mm2和407 mm2，第一排弯起钢筋分别为25@400和16@400，均无需第二排弯起钢筋。

5 结 论

(1)软弱松散岩体浅埋隧洞具有埋深浅、围岩自稳性差、易软化散体结构等，设计时应充分认识其特点，加强重视该类衬砌结构的设计。

图5 底板和边墙增设贴脚方案计算内力

(2)根据现场围岩实际变形监测情况，软弱松散岩体侧壁腰部变形明显，围岩边壁自身不能自稳，浅埋隧洞侧向山岩压力优先采用主动土压力进行计算更合适。

(3)衬砌承受山岩压力和外水压力双重作用，当在底板和边墙连接处增设贴脚时，能够有效缓解应力集中、减小剪切破坏区域、降低剪切破坏的可能性。因此，研究处于软岩地质条件下的浅埋隧洞的开挖和支护，对保证工程安全，加快施工速度，节省工程投资具有重大的意义，可为今后同类的浅埋隧洞设计提供参考。

[1] 康世荣, 陈东山. 水利水电工程施工组织设计手册[M]. 北京： 中国水利水电出版社, 1996．

[2] 郑守仁, 王世华, 夏仲平, 等. 导流截流及围堰工程[M]. 北京： 中国水利水电出版社, 2004．

[3] 索丽生, 刘宁. 水工设计手册 [M]. 第2版. 北京： 中国水利水电出版社, 2013．

[4] SL 279—2016 水工隧洞设计规范[S]．