不良地质条件输水隧洞断面比选分析

陈业芹，王艾艾，魏 勇

（上海宏波工程咨询管理有限公司，上海 浦东200120）

1 工程概况

拟建某输水隧洞全长3.0 km，隧洞进口接输水管末端，进口高程1941.0 m，底坡1/1500，隧洞出口接箱涵，出口高程1939.0 m，隧洞设计流量7.56 m3/s。隧洞埋深一般150 m～200 m，最大埋深330 m。隧洞岩性主要有石英砂岩夹白云岩、泥质灰岩、粉砂质泥岩、石英砂岩等组成。隧洞沿线断层及皱褶较发育，主要发育褶皱为向斜，发育主要断裂构造5条：分别为向斜、FⅣ-15断层、F34断层（大石盆断裂）、FⅥ-17断层、FⅥ-16断裂、FⅥ-18断裂。隧洞沿线围岩主要分布Ⅳ类、Ⅴ类围岩、有少量的Ⅲ类围岩，隧洞岩石（体）主要物理力学参数建议值见表1。

表1 隧洞围岩岩体力学参数取值

2 初选断面比较

拟建输水隧洞为无压洞，考虑采取钻爆法施工，初步选择采用城门洞型、马蹄形两种断面，在同等条件下进行水力计算[1]。拟建输水隧洞选择城门洞型和马蹄型断面进行分析，两种断面型式典型横断面见图1，根据《水力学》中计算公式[2]，计算得到的水力参数比较见表2。表2中有关参数按下式计算：

式中：Q为设计流量，m3/s；A为过水断面，m2；C为谢才系数；R为水力半径，m；i为底坡比降；n为糙率系数；m为边坡系数。

图1 两种断面形式典型横断面图（尺寸单位：cm）

表2 拟建输水隧洞断面形式水力参数比较表

拟建输水隧洞为长隧洞（2510 m），在输水流量、设计底坡、糙率相同的条件下，经计算得，城门洞型洞宽、水深、过水断面面积及净空面积、净空比分别为2.5 m、2.29 m、5.725 m2、1.25 m2和17.92%，马蹄形断面计算值为 2.53 m、2.16 m、5.79 m2、1.483 m2和19.84%，马蹄型与城门洞型相比，具有开挖断面小，净空面积及净空比大等优点，同时，马蹄型断面水流过流能力也优于城门洞型，经比较，初步选用马蹄形断面，但还需要通过结构受力、经济对比进一步分析比较，选择合理的开挖断面[2～4]。

3 受力分析

3.1 计算模型

两种断面衬砌结构内力计算方法均采用边值法[5]，计算原理归结为求解非线性常微分方程组的边值问题，计算软件采用水工隧洞钢筋混凝土衬砌计算机辅助设计软件（简称SDCAD），选取圆拱直墙断面和马蹄形断面2种计算模型，进行衬砌结构内力计算分析。圆拱直墙城门洞型输水隧洞，衬砌厚度0.4 m，洞高2.48 m（从底板中心线算起到直墙高度），顶拱半径1.44 m，顶拱半中心角62.5°。马蹄形输水隧洞，衬砌厚度0.4 m，顶拱半径1.47 m，顶拱半中心角65°，侧墙半径4.37 m，侧墙夹角17°，弧形底板半径4.37 m，半中心角17.6°。

3.2 两种断面形式衬砌结构计算分析

3.2.1 计算数据、工况及荷载组合

隧洞围岩岩体力学参数取值见表2，选择Ⅳ类围岩洞段进行分析，垂直压力系数取0.3，侧向压力系数取0.1，计算外水头H=50 m，内水压力分别为2.29 m、2.16 m，计算工况取运行期持久状况，检修状况及施工状况，外水折减系数分别为0.4、0.5、0.3。

3种工况下的外水压力通过外水折减系数自动求出，运行期持久工况输水隧洞内有内水压力，检修、施工工况洞内无水，无内水压力，围岩压力通过压力系数软件自动加载，计算中对衬砌上的弹性抗力不作任何假定，可由计算机进行迭代计算自动求出抗力分布，施工工况考虑灌浆压力，折减后灌浆压力值取0.2 MPa[4～5]，其计算工况对应的荷载组合如下[6～7]：

（1）运行期：内水压力+外水压力+围岩压力+衬砌自重+围岩弹性抗力

（2）检修期：外水压力+围岩压力+衬砌自重+围岩弹性抗力

（3）施工期：灌浆压力+外水压力+围岩压力+衬砌自重+围岩弹性抗力

3.2.2 衬砌内力计算及结果分析

通过SDCAD软件在3种工况下计算得到隧洞衬砌结构的弯矩、轴力及剪力值数据较多，所占篇幅大，本文仅对运行期持久状况下得到的内力、位移值进行整理、分析，所得结果见表3，并给出3种工况下内力图见图2～图3。

表3 两种断面形式运行期持久工况内力计算成果表

图2 运行期持久状况内力分布图

图3 施工况内力分布图

由3种工况下的内力计算成果以及内力分布图可知，3种工况下城门洞型断面衬砌结构产生的内力明显大于马蹄形断面，尤其是在底板与边墙交接位置，内力变化很大，这是因为城门洞型断面在底板与边墙交接处没有过渡，为结构突变部位，在结构上产生应力集中[7]，以运行期持久工况为例，城门洞型断面在交接位置剪力为290.44 kN，马蹄形断面在墙角处的剪力为173.03 kN，前者弯矩是后者弯矩的1.68倍；城门洞型断面在交接位置弯矩为98.19 kN·m，马蹄形断面在墙角处的弯矩为53.51 kN·m，前者弯矩是后者弯矩的1.68倍，马蹄形断面衬砌结构具有很大的优势。

从轴力比较得，马蹄形断面隧洞受轴力情况下，最大值比城门洞型断面最大值大，但相差不大，而最小值，城门洞型断面要比马蹄形断面小很多，这就使得城门洞型断面最大值与最小值之差，大于马蹄形断面最大值与最小值之差。城门洞型断面轴力分布上没有马蹄形断面轴力分布的均匀。

从位移情况看，马蹄形断面隧洞的切向位移与法向位移值比城门洞型断面的切向、法向位移小，这说明马蹄形断面衬砌结构在各种荷载作用下产生的变形小，结构更加稳定、安全。

3.2.3 衬砌结构应力分析

表4 3种工况下衬砌应力极值表 单位：kPa

（2）剪力计算由Vc=0.07fcbh0（fc为混凝土轴心抗压强度设计值，N/mm2；b为矩形截面宽度，mm；h0为截面有效高度，为300 mm）得到，两种断面隧洞衬砌混凝土的抗剪强度为250 kN，由剪力图比较可知，在3种工况下，城门洞型断面除在边墙与底板交接处剪力值不能满足要求外，其他部位剪力均满足要求，马蹄形断面衬砌结构在施工期边墙与底板交接处剪力值不能满足要求外，其它2种工况均满足要求，并且马蹄形断面受剪力情况较城门洞型小，选择马蹄形断面时应在边墙与底板之间设置结构缝[8,9]。

根据两种断面在3种不同工况下衬砌结构的内力分析，马蹄形断面在受力、位移上均优于城门洞型，克服了城门洞型因结构突变而产生的应力集中，故选择马蹄形断面为拟建输水隧洞的推荐断面。

4 工程量及投资比较

本文将两种不同断面形式隧洞得到工程量及投资对比见表5。

表5 隧洞工程量及投资比较表

经过两种不同断面投资对比可知，当拟建输水隧洞断面形式为城门洞型断面（2.5 m×3.0 m）时，投资为3356.64万元，隧洞每米造价约1.34万元，当断面形式为马蹄形断面时，投资为3282.93万元，隧洞每米造价约1.31万元，每米比城门洞型断面节省0.3万元，总投资节省约73.71万元，选用马蹄形隧洞投资更省，从投资考虑选择马蹄形断面较好[10]。

5 结论

（1）马蹄形断面在水工隧洞中应用逐渐增多，设计时要从水力、结构、投资等方面综合比选，不能简单地选择施工简单、方便的断面形式；

（2）马蹄型断面开挖对施工技术控制的要求高，开挖控制不好就会开挖成城门洞型，将失去马蹄型断面的优势，因此一定要加强施工队伍施工技术水平，严把设计、施工质量关，保证工程安全、经济。