宁夏某工程7#隧洞Ⅳ类围岩衬砌结构分析

常峻 杨凡

1 工程概况

宁夏某工程是将宁夏固原地区南部六盘山东麓雨量较多、水量相对较丰沛的泾河流域地表水，经拦截、调蓄，向北输送到固原中北部干旱缺水地区的区域性水资源优化配置工程。输水线路全长75.29 km（其中，隧洞11 座总长35.57 km，压力管道及其它工程39.72 km），共设截引点7 处，截引支线总长度17.55 km，新建水库2座，改造水库1 座，新建加压泵站3 座，主管线布置隧洞等各类建筑物190 座。

2 工程地质

7#隧洞长10 593 m，平均埋深165 m，最大埋深310 m。围岩岩性主要为灰色泥页岩（K1n1）、泥岩与泥灰岩互层（K1n2）和泥岩夹薄层泥灰岩（K1n3）。岩石分类主要包括Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类和土洞，其中Ⅳ类围岩所占比例为86.21%，依据岩石力学性质的不同，将Ⅳ类围岩细化为Ⅳ1和Ⅳ2，围岩地质参数如表1。隧洞区地下水类型主要为孔隙潜水和基岩裂隙水，7#隧洞局部岩体较为破碎，透水性较强，存在高外水问题。根据钻孔地下水位量测成果，推测最大埋深处地下水位线与隧洞轴线间距离为130～245 m，高外水隧洞折减系数变化范围0.2～0.8。

表1 7#隧洞Ⅳ类围地质参数表

3 衬砌结构计算

3.1 二次衬砌断面型式

7#隧洞设计按3 级建筑物考虑。隧洞内径2.5 m，断面较小，二次衬砌采用外标准马蹄形内平底马蹄形的复合断面形式。Ⅳ类围岩对应断面为C 型，埋深不同，外水不同，受力也不同。因此，Ⅳ类围按埋深小于130 m、介于130～200 m 和大于200 m 分为C1、C2、C3 三种断面形式。其中埋深低于130 m 的体型图如图1 所示。其他断面衬砌厚度、对应围岩、外水采用值、埋深详细情况见表2。

3.2 计算模型

隧洞为无压隧洞，围岩类别为Ⅳ类。考虑二次衬砌混凝土衬砌的安全，计算中不考虑一次支护受力作用。隧洞混凝土衬砌结构计算采用结构力学计算方法。假设衬砌与围岩相互分开，以研究衬砌本身为主（其它对衬砌的影响作为衬砌的外力），以岩石的弹性抗力反映围岩的作用。此方法是将衬砌结构的计算化为非线性常微分方程组的边值问题，简称边值法。

图1 Ⅳ类围岩埋深低于130 m段衬砌断面示意图

表2 7#隧洞Ⅳ类围岩设计断面设计参数表

考虑隧洞衬砌底板既非标准马蹄形，也非平底马蹄形，而是采用外圆内平底的组合形式。本计算模型考虑了平底马蹄形和标准马蹄形两种模型计算。计算软件采用理正岩土隧洞衬砌计算软件（版本6.0）。

内力分析时按底板衬砌厚度为30、35、40 cm（C1、C2、C3）3 种不同断面的标准马蹄形和平底马蹄形两种模型计算。考虑底板中间厚度实际达43.8、48.8、53.8 cm，配筋计算时，底板内侧配筋采用模型计算的内力成果，按底板中间实际厚重新进行配筋计算。其他位置配筋采用理正程序配筋结果。侧拱与底板相交处存在刚性节点，程序计算时按中心线交点处内力配筋，计算结果失真，造成外侧配筋偏大。实际取用考虑了该影响，半底板长10 等分约12 cm，接近一半衬砌厚度，因此，该点底板和侧拱内力及配筋均采用靠交点最近点的计算结果。

3.3 计算荷载及荷载组合

根据SL 191—2008《水工混凝土结构设计规范》3.2规定，衬砌承载力计算各种荷载分为永久荷载、可变荷载和偶然荷载。永久荷载为衬砌自重，弹性抗力；可变荷载是指设计条件下的内水压力，稳定渗流情况下的地下外水压力、围岩松动压力；偶然荷载包括温度荷载、灌浆压力及地震荷载等。

其中内水压力按隧洞设计水深1.73 m 考虑。外水按不同埋深和不同外水折减系数分别考虑。低外水折减系数洞段的折减系数统一取0.2；具有明显渗水、线流甚至多处股流的高外水折减系数洞段取相应洞段折减系数的中间值，设置排水系统后按外水折减系数中间值0.6 考虑。回填灌浆压力0.2 MPa，采用C25 混凝土，钢筋混凝土容重为25 kN∕m3。侧拱和顶拱的单位弹性抗力具体见表1，岩石洞段底板处单位弾抗考虑底板浸水对泥岩的影响，按200 MN∕m3取值。山岩压力根据所提的参数，分别利用普氏公式、太沙基（等效）公式、铁路公式及水工隧洞公式计算围岩压力，并取平均值作为计算输入值。7#隧洞Ⅳ类围岩计算采用荷载见表3。

计算时选取施工期、运行期和检修期3 种工况。各工况荷载组合及荷载效应组合系数见表4。

表3 7#隧洞Ⅳ类围岩各类工况计算采用荷载表

表4 各荷载效应组合系数表

3.4 计算成果

3.4.1 内力成果

内力计算成果较多，选取标准马蹄形和平底马蹄形两种模型C3 断面在正常运行极限状态检修工况下的内力计算成果，见表5。

根据内力分析成果分析，可以得出如下：

（1）Ⅳ类围岩控制工况为检修期工况，外水荷载对结构内力影响最大。

（2）标准马蹄形模型较平底马蹄形模型内力计算偏小。采用平底马蹄形模型内力成果偏安全。

（3）底板跨中部位内侧受拉，为内侧配筋控制断面。底板两端为外侧受拉，为外侧配筋控制断面。底板结构受力最大，为节省投资，衬砌配筋根据不同部位受力特点配筋，重点加强底板内外侧配筋。

3.4.2 配筋成果

根据分析，外水大小是影响衬砌结构分析的主要因素。设计对不同外水折减系数进行了分析计算，根据初步计算，如果不考虑排水措施，不论是标准马蹄形还是平底马蹄形，所能承受的外水折减系数均小于地质所提供的最大折减系数。因此，对于高外水破碎段，单纯依靠增强结构是不合理的，采取排水措施降低外水影响是必要的。本工程对高外水破碎洞段采用固结灌浆加顶拱增设排水孔等措施，根据排水效果分析，防渗减压效果明显。本次计算对普通洞段外水折减系数按0.2 考虑，进行配筋计算。而对高外水破碎洞段考虑了一定的排水设施作用，初步拟定排水折减系数为0.6，选取平底马蹄形断面，外水折减系数取地质提供的中间值，对高外水破碎洞段进行配筋计算。

7#隧洞Ⅳ类围岩洞段衬砌结构配筋计算成果见表6。

基于上述计算结果分析可知：

（1） 考虑一定的排水措施，高外水折减系数洞段C1、C2、C3 断面的配筋率分别达到74.70、75.70、69.25 kg∕m3，相比普通低外水折减系数洞段，配筋率分别增加了8.89、11.8、10.87 kg∕m3。

表5 Ⅳ1类围岩C3断面正常运行极限状态内力计算成果

表6 7#隧洞Ⅳ类围岩结构计算配筋成果表

（2）综合不计排水和排水两种最不利工况分析，排水措施对结构影响较大，做好排水是保证结构安全的首要措施。

4 结 语

隧洞衬砌设计中，外水压力是需要考虑的重要荷载之一。外水压力的大小取决于隧洞所属区域的地形、地貌、水文地质条件、围岩的完整性及渗透特性、隧道埋藏深度等因素，合理地确定外水压力对衬砌结构设计至关重要。尤其是在深埋隧洞中，外水压力往往成为设计中的制约因素，因此，在对外水压力大小的选取上成为了隧洞工程中的关键。

本文将外水分为130、200、245 m 三段，分别对应不同的衬砌厚度。因衬砌类型介于标准马蹄形与平底马蹄形之间，故分别计算分析两种模型的受力特点。对高外水折减系数洞段，在原外水折减系数的基础考虑排水折减系数0.6，兼顾了结构受力、经济效益以及排水效果，提出最终的建议配筋成果，取得较理想结果。