某煤矿地下输煤隧道结构安全性分析

郭东韡

摘 要：地下输煤隧道是电厂的核心基础结构设施，其在电厂发电中起着关键的交通运营作用，一旦地下输煤隧道出现安全问题，将会给人们的生产、生活用电带来麻烦。该文针对某电厂地下输煤隧道结构的安全性，通过有限元数值模拟对V-b、V-a型两种衬砌断面进行分析，通过结构安全系数及裂缝宽度两种方式对结果进行判定，可知对于地下深埋和浅埋输煤隧道主要采用合理的隧道衬砌断面，结构的安全性可以得到保证。

关键词：输煤隧道 有限元 衬砌断面 结构安全性

中图分类号：U455 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）06（a）-0053-02

地下输煤隧道是电厂的核心基础结构设施，一旦地下输煤隧道出现安全问题，将造成难以估量的经济损失。因此，做好地下输煤隧道结构的安全性分析显得极其重要，目前国内还没有出现关于地下输煤隧道的相关规范，所以，地下输煤隧道结构的安全性也只能借助于公路、铁路隧道等的关规范进行分析。该文以某电厂地下输煤隧道为工程实例，通过数值模拟对两种不同衬砌断面条件下的输煤隧道进行分析，通过合理选取隧道衬砌断面，以保证输煤隧道的安全性。

1 隧道主体工程设计

该次设计结合输煤隧道纵断面布设要求，主要分析常用的Ⅴ-a型、Ⅴ-b型复合式衬砌，具体衬砌及参数如表1所示。

2 计算理论及基本假定

2.1 计算理论

采用荷载-结构法进行分析，依据JTGD 70—2004《公路隧道设计规范》及相关文献，在计算过程中，首先确定围岩压力，然后计算衬砌结构在地层压力及其他荷载作用下的内力分布，最后根据内力组合进行衬砌结构的断面验算。

2.2 基本假定

对所建立的模型引入基本假定：（1）围岩的应力-应变关系符合摩尔库伦模型（M-C模型）；（2）整个过程中衬砌处于完全弹性状态。

3 数值模拟及结果分析

3.1 材料的物理力学参数

围岩的物理力学参数按照实际勘测资料选取，衬砌按照混凝土规范选取。在荷载-结构法计算模型中，衬砌采用二维梁单元BEAM3模拟，梁单元宽度为单位宽度，梁高按实际设计衬砌厚度考虑。围岩对衬砌的变形约束作用通过弹性抗力来实现，计算中弹性抗力采用弹簧单元COMBIN14模拟，围岩弹性抗力系数参照JTGD 70—2004《公路隧道设计规范》，Ⅴ级围岩情况下K=100 MPa/m。衬砌的荷载分担比见表2。

3.2 Ⅴ-a型衬砌断面

Ⅴ-a型复合式衬砌内轮廓为城门洞型断面，拱脚为直墙衬砌结构，衬砌采用C35防腐钢筋混凝土，衬砌全断面厚度60 cm，衬砌计算模型如图1所示。结构内力分析与安全系数计算如下。

（1）计算结果。

隧道断面范围内，结构弯矩在拱顶、拱角、墙角和底板中心处较大；结构轴力在拱顶位置较小，两侧边墙随埋深增加轴力变大，底板轴力为定值，衬砌结构全断面受压。最大弯矩出现在墙角处，最大弯矩为585 kN·m，对应轴力为1 780 kN，最大轴力出现在拱角处，最大轴力为2 013 kN，对应弯矩为517 kN·m。

（2）配筋计算。

根据素混凝土计算表表3可以看出，衬砌各关键部位安全系数k均不满足规范要求，故需要进行配筋计算，采用双侧对称配筋，两侧均配8Φ25的钢筋。

表3可以看到配筋后安全系数均大于隧道要求的K配≥2.0，均满足裂缝计算宽度W≤0.3 mm的要求，故Ⅴ-a型衬砌断面安全。

3.3 Ⅴ-b型衬砌断面

Ⅴ-b型复合式衬砌内轮廓为城门洞型断面，拱脚为直墙衬砌结构，衬砌采用C35防腐钢筋混凝土，衬砌全断面厚度70 cm。结构内力分析与安全系数计算如下。

（1）计算结果。

根据隧道结构数据可知，隧道断面范围内，结构弯矩在拱顶、拱角、墙角和底板中心处较大；结构轴力在拱顶位置较小，两侧边墙随埋深增加轴力變大，底板轴力为定值，衬砌结构全断面受压。最大弯矩出现在墙角处，最大弯矩为832 kN·m，对应轴力为2 210 kN；最大轴力出现在拱角处，最大轴力为2 484 kN，对应弯矩为723 kN·m。

（2）配筋计算

根据素混凝土计算表表4可以看出，衬砌各关键部位安全系数k均不满足规范要求，故需要进行配计算。采用双侧对称配筋，两侧均配8Φ28的钢筋。

表4可以看到配筋后安全系数均大于隧道要求的K配≥2.0，裂缝计算均满足宽度W≤0.3 mm的要求，故Ⅴ-b型衬砌断面安全。

4 结论

（1）各级围岩衬砌的控制截面均是拱顶、拱脚、墙脚、底板中心处，相对位置是一致的，分布规律相同，与笔者以往工程经验和监控量测结果规律相符，说明该次设计的隧道断面结构轮廓是安全的。

（2）分析中发现所有模型墙脚处的弯矩和轴力均较大，配筋后安全系数均能满足要求，都可以保证结构的安全性。

（3）对各断面裂缝宽度进行验算，均满足裂缝计算宽度W≤0.3 mm的要求，即所选隧道衬砌截面结构安全性可以得到保证。

参考文献

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