邱庄水库大岭隧洞衬砌内力分析

张爱哲

（唐山市引滦工程管理局邱庄水库枢纽事务中心，河北 唐山 063000）

1 工程概况

大岭隧洞位于邱庄水库大坝上游约4.5km的还乡河左岸，是引还入陡工程的渠首建筑物。隧洞穿过水库库区左岸相对高差约120m的分水岭，全长704m，设计输水流量40m3/s，由上游引渠段、进口事故检修闸、洞身段及出口工作闸组成。大岭隧洞断面形式为圆形，内径5.5m，洞底纵坡0.38%，正常输水情况下为洞内有压流。本文对隧洞在各种运行工况下的衬砌内力进行计算分析，为隧洞结构安全评价提供依据。

图1 隧洞衬砌断面

2 内力计算代表断面

大岭隧洞采用全断面钢筋混凝土衬砌，为保证隧洞衬砌及围岩共同承担内水压力，衬砌完成后对围岩进行了固结灌浆处理，隧洞典型断面如图1。隧洞衬砌内力计算代表断面的选取主要考虑围岩岩性、洞顶岩层厚度及衬砌断面尺寸等因素。大岭隧洞围岩岩性大部分洞段为白云质灰岩，岩体新鲜完整，致密坚硬，节理不发育；0+160～0+180和0+250～0+270两段为泥灰岩，岩体风化较为严重。洞顶岩层厚度一般洞段大于50m，出口段最薄处为12m。隧洞衬砌厚度除出口段为0.7m外，其余洞段均为0.4m。根据上述围岩类别、洞顶岩层厚度及洞身衬砌断面尺寸，选取以下3个断面为衬砌内力计算代表断面：

断面1：白云质灰岩洞段，洞顶岩层厚度大于50m，衬砌厚度0.4m。

断面2：泥灰岩洞段，洞顶岩层厚度大于50m，衬砌厚度0.4m。

断面3：白云质灰岩洞段，洞顶岩层厚度12m，衬砌厚度0.7m。

3 荷载及荷载组合

3.1 荷载组合

由于邱庄水库水位变幅较大，导致大岭隧洞运行状况较为复杂。在水库正常蓄水位隧洞正常运行时，隧洞所承受的最大内水压力水头达18.05m；在水库校核洪水位时，隧洞衬砌所承受的内水压力水头高达25.4m；而在水库正常蓄水位而隧洞放水检修时，衬砌不承担内水压力，此时衬砌除承受围岩压力外，还将承受较大的外水压力。故根据邱庄水库特征水位及大岭隧洞实际运行情况，对于每一种计算代表断面选择以下荷载组合进行衬砌内力计算：①水库正常蓄水位；②水库校核洪水位；③水库正常蓄水位，隧洞检修。

3.2 围岩压力

大岭隧洞在工况③ （水库正常蓄水位，隧洞检修）承受围岩压力。隧洞衬砌所承受的围岩压力与围岩类别及完整情况、隧洞断面形状、开挖支护方式有关。大岭隧洞断面型式为圆形，圆形断面使围岩内部形成拱效应，有利于围岩稳定。其中，计算代表断面1围岩较为完整、致密，且厚度较大，在施工时采取了光面爆破开挖，并及时进行了素喷混凝土临时支护，该段隧洞在开挖过程中基本未发生掉块现象，根据上述情况判断该段围岩的自稳能力较好，故断面1洞段不再考虑围岩压力。而断面2（泥灰岩段）及断面3（隧洞出口段）围岩较为破碎，施工开挖过程中掉块较多，为结构安全计，按照薄层及碎裂散体状岩体计入围岩压力，计算公式如下：

式中 qv为垂直均布围岩压力 （kN/m2）；qh为水平均布围岩压力（kN/m2）；γr为岩体重度（kN/m3）；B为隧洞开挖宽度（m）；H为隧洞开挖高度（m）。

3.3 水压力

3.3.1 内水压力

大岭隧洞衬砌在工况①、②时均承受较大内水压力，内水压力值可由隧洞水压线得出，工况①隧洞水压线由库水水位扣除沿程水头损失确定，工况②水压线与水库校核水位持平，工况③由于隧洞无水，不再计入内水压力。

3.3.2 外水压力

在邱庄水库蓄水情况下，隧洞地下水位线取隧洞所穿越的分水岭上游水位（即库水位）与下游水位（即隧洞出口地下水位）连线，外水压力由地下水位线至隧洞中心的作用水头乘以折减系数得出。外水压力折减系数与围岩状况与排水条件有关，大岭隧洞为有压隧洞，为防止内水外渗，沿线洞身均未设置排水孔，故排水对外水压力折减的影响不再计入。根据隧洞围岩的完整性及渗透性确定外水压力折减系数，除出口段以外的白云质灰岩洞段（断面1）围岩完整，节理裂隙不发育，透水性很小，取外水压力折减系数取0.2；出口段（断面3）和泥灰岩段（断面2）围岩相对较为破碎，透水性较大，其折减系数均取0.6。

3.4 围岩弹性抗力

大岭隧洞在工况①、②情况下衬砌及围岩将共同承担内水压力。较为准确地确定围岩弹性抗力，是计算有压隧洞衬砌内力的关键。计算代表断面3围岩厚度仅为12m，小于3倍开挖洞径，为安全计，衬砌内力时计算不考虑围岩抗力。计算代表断面1、2围岩厚度较大，且在衬砌完成后对围岩进行了固结灌浆，围岩的完整性及衬砌与围岩之间混凝土的密实性是有保证的，故在衬砌内力计算时计入围岩的弹性抗力。弹性抗力系数的选取根据隧洞工程地质勘察试验成果确定，断面1白云质灰岩洞段取30MPa/cm，断面2泥灰岩洞段取10MPa/cm。

4 计算成果及成果分析

4.1 计算成果

大岭隧洞衬砌内力计算采用 《理正岩土工程计算分析软件》，该软件将衬砌结构的计算化为非线性常微分方程组的边值问题，采用初参数数值解法。计算代表断面1～3的内力计算成果如表1，其轴向力、剪力及弯矩分布如图2～图4。其中轴向力以使微分段受拉为正，弯矩以使微分段内侧受拉为正，剪力使微分段产生逆时针转向为正。

表1 衬砌内力计算成果

图2 工况①衬砌内力图

图3 工况②衬砌内力图

图4 工况③衬砌内力图

4.2 计算成果分析

由计算成果可知，工况①、②由于衬砌承受内水压力大于围岩压力与外水压力之和，故各计算断面衬砌轴力为拉应力，处于偏拉内力状态；而工况③由于衬砌主要承受围岩压力与外水压力，故各计算断面衬砌轴力为压应力，处于偏压内力状态。根据内力计算成果，按照相关规范要求，对各计算断面在各种工况下进行配筋复核计算，经复核隧洞衬砌配筋可满足现行规范要求。

5 结语

根据大岭隧洞沿线围岩类别、围岩厚度及隧洞衬砌断面尺寸，选取3个断面为衬砌内力计算代表断面。计算过程中，根据围岩情况及不同荷载组合，合理确定围岩压力、内（外）水压力及围岩弹性抗力，取得了较为可靠的内力计算成果，为隧洞结构安全评价提供了依据。