CCS水电站TBM步进洞明拱段衬砌结构设计

徐庆 杨晓箐

摘 要：根据CCS水电站TBM步进洞明拱段的地形条件、地质条件、结构受力情况等，按照结构力学法结合美国结构设计相关规范，在不同的荷载组合及不同的受力条件下对结构进行内力计算，得出结构不利的剪力和弯矩，进而对衬砌结构进行了配筋验算。该计算分析结果已在工程中得到应用，可为类似工程衬砌结构设计提供参考和借鉴。

关键词：TBM;明拱;钢筋混凝土;内力计算;配筋;CCS水电站

中图分类号：TV554   文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.11.021

Abstract：According to the topographical conditions， geological conditions and structural stress conditions of the open arch section of the TBM stepping tunnel of CCS Hydropower Station and according to the method of structural mechanics combined with the relevant American structural design codes， the internal forces of the structure under different load combinations and different stress conditions were calculated， the unfavorable shear force and bending moment of the structure were obtained and then the reinforcement checking calculation of the lining structure was carried out. The calculation and analysis results had been listed in this paper. The application in the project can provide reference for the design of lining structure in similar projects.

Key words： TBM; open arch; reinforced concrete; internal force calculation; reinforcement; CCS Hydropower Station

TBM選型、制造、运输及组装周期较长，为保证工期，在其组装完成前采用钻爆法施工预备洞，其组装后需移动到掌子面方能具备始发掘进条件，称之为“步进”[1]。而作为步进的附属设施，如隧洞或明拱与隧洞结合，其结构设计的合理性、可靠性是保证TBM步进工作顺利开展的关键。本文以TBM步进洞明拱段为研究对象，根据地质条件、结构受力特点，对衬砌结构进行计算分析，为结构安全性、经济性提供技术支撑。

1 工程概况

CCS水电站2#施工支洞位于COCA河右岸，距离首部枢纽约14 km，洞口区处于山前坡麓与河谷地貌过渡带，地形起伏较大。COCA河右岸为Ⅱ级阶地，阶面宽150～200 m，阶面起伏不大，高程1 237～1 245 m，组成为含砾砂层，成分为火山碎屑、火山灰夹碎块石、大孤石，冲洪积层含砾砂层属于疏松、稍密状。

2#施工支洞共两条，其中2A支洞进口高程约1 241.40 m，全长1 646.18 m，用于TBM1进洞施工;2B支洞进口高程约1 241.40 m，全长1 660.92 m，用于TBM2进洞施工。2A、2B支洞采用钻爆法和TBM联合施工。根据地质条件，桩号PK0+000—PK0+525采用钻爆法开挖，成洞洞径9.61 m，开挖洞径9.86～9.91 m。进口前段设置10 m长明拱段。TBM全长172 m，主机和后备套总质量为1 986 t，其中：主机长12.5 m，质量1 100 t;TBM刀头、主驱动、前盾长3.1 m，总质量635 t。

2 计算原理及方法

2.1 中美规范差异

在我国，《建筑结构荷载规范》[2]、《混凝土结构设计规范》[3]等是结构设计中普遍采用的规范，但许多国家会要求采用美国规范。由美国混凝土协会（ACI）编制的《Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary》（ACI318M-05）及美国陆军工程师团编制的《Strength Design for Reinforced-Concrete Hydraulic Structures》（EM1110-2-2104）是结构设计的重要技术文件，两者联系紧密，后者几乎处处引用前者，但不重复叙述。

对于美国混凝土结构建筑规范与我国混凝土结构设计规范的差异研究，文献[6]给出了较全面的总结，针对该工程设计特点，两者差异主要是：①在荷载计算中，我国规范是由标准值、作用分项系数和组合系数组成，并且采用相应材料的强度设计值，而美国规范则是由规定的荷载值和荷载系数组成，并且采用材料的强度和强度折减系数;②荷载分项系数取值，我国规范中恒载一般取1.2，活载为1.4，而美国规范中恒载为1.4，活载为1.7;③在结构分析时，我国规范只考虑有侧移的情况，美国规范按无侧移和有侧移两种情况考虑。

2.2 荷载系数的选择

结构整体受力状态分析按照结构力学方法进行内力计算，得出结构的剪力值及弯矩值，由此可进行结构配筋计算。参考《Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary》（ACI318M-05）以及《Strength Design for Reinforced-Concrete Hydraulic Structures》（EM1110-2-2104），荷载系数取值如下：①考虑重力与临时荷载组合时U=0.75×（1.4D+1.7L）（U为承载能力极限状态荷载效应组合值;D为永久荷载;L为活荷载）;②仅考虑重力荷载组合时U=1.4D。

因此，第一种组合工况下，永久荷载系数K1=1.05、活荷载系数K2=1.275;第二种组合工况下，荷载系数为K3=1.4。

2.3 抗弯与抗剪计算

3.2 计算参数

2#施工支洞位于火山灰堆积层。钢筋采用G60，屈服强度值为fy=420 MPa。2#施工支洞地层物理力学指标及混凝土材料参数见表1、表2。

3.3 荷载分析

结构所受的荷载包括衬砌混凝土结构自重、TBM轨道混凝土自重、TBM滑行荷载以及侧向土压力。取洞轴线方向长度为1 m的一段为计算对象，各荷载值求解如下。

（1）衬砌混凝土结构自重G1=563.246 kN。

（2）TBM轨道混凝土自重G2=338.613 kN。

（3）TBM混凝土滑行轨道需要承担的荷载主要来源于刀头、主驱动、前盾，总质量为635 t，长度为3.1 m，TBM滑行荷载G3=2 003.323 kN。

（4）侧向土压力在高度方向呈线性分布，其底部压力T1=γH[tan（45°-φ2）]2=79.637 kN，顶部压力T0=0 kN。

4 计算结果与分析

结构计算需要考虑两种断面受力形式[4]，一种为结构不承受侧向土压力，另一种为结构承受侧向土压力。每种受力形式均需按重力与临时荷载组合及仅重力荷载组合两种工况分别进行分析。

4.1 不承受侧向土压力计算结果与分析

（1）重力与临时荷载组合。①地基均布反力为q1=（G1+G2）K1+G3K2L=342.918 kN/m;②将TBM轨道混凝土自重按均布荷载考虑，即q2=G2LK1=34.823 kN/m;③作用在两段的TBM滑行荷载按均布力考虑，即q3=G3LK2=250.170 kN/m。

根据以上荷载作用，对结构进行抗剪、抗弯内力计算，结果显示：最大剪力出现在底板两端，为Vu=295.71 kN，侧墙最大剪力位于底部，为Vu=38.48 kN;最大正弯矩出现在底板中间部位，为Mu=438.10 kN·m，最大负弯矩出现在底板与两侧边墙结合处，为Mu=-316.69 kN·m。

（2）仅考虑重力荷载组合。①地基均布反力q1=（G1+G2）K3L=123.663 kN/m;②将TBM轨道混凝土自重按均布荷载考虑，即q2=G2LK3=46.431 kN/m。

根据以上荷载作用，对结构进行抗剪、抗弯内力计算，结果显示：最大剪力出现在底板两端，为Vu=394.27 kN，侧墙最大剪力位于底部，为Vu=51.57 kN;最大正弯矩出现在底板中间部位，为Mu=584.13 kN·m，最大负弯矩出现在底板与侧墙结合处，为Mu=-422.24 kN·m。

4.2 承受侧向土压力计算结果与分析

（1）重力与临时荷载组合。底部侧向土压力t1=T1K1=83.619 kN/m，顶部侧向土压力t0=0 kN/m。其他荷载与4.1中重力与临时荷载组合一样，由此可求得结构剪力、弯矩。根据计算结果可知：最大剪力出现在侧墙底部，为Vu=304.07 kN，底板两端剪力为Vu=295.71 kN;最大正弯矩出现在底板中间，为Mu=274.08 kN·m，最大负弯矩出现在底板与侧墙结合处，为Mu=-480.71 kN·m。

（2）仅考虑重力荷载组合。底部侧向土压力t1=T1K3=111.48 kN/m，顶部侧向土压力t0=0 kN/m。其他荷载与4.1节中重力荷载组合一样，对结构进行抗剪、抗弯内力计算。结果显示：最大剪力出现在侧墙底部，为Vu=405.43 kN，底板两端剪力为Vu=394.27 kN;最大正弯矩出现在底板中间部位，为Mu=355.44 kN·m，最大负弯矩出现在底板与侧墙结合处，为Mu=-640.94 kN·m，侧墙最大负弯矩为Mu=-212.17 kN·m。

4.3 配筋计算

综合以上两种计算情况，对结构进行配筋计算，最终采用如下配筋方式。

（1）按抗彎配筋。侧墙和拱圈按照最大弯矩M=212.17 kN·m进行配筋，配置Φ22@150的钢筋，同时为满足侧墙底部和底板两端最大弯矩M=640.94 kN·m的配筋，在此弯矩范围内配置Φ22@150的角钢;底板下部配筋按照最大弯矩M=640.94 kN·m进行配筋，由于两端弯矩最大处已考虑配置Φ22@150的角钢，因此底部可配置Φ25@150的钢筋，底板表面按照最大弯矩为M=584.13 kN·m，配置Φ25@100的钢筋。

（2）按抗剪配筋复核。侧墙和拱圈按照最大剪力V=405.43 kN进行配筋，底板按照最大剪力V=394.27 kN进行配筋，经过计算，两者配筋均比在抗弯配筋情况小。

由以上两种配筋计算情况可知，结构最终按照抗弯计算进行配筋。该计算分析结果已在工程中得到应用，可为类似工程衬砌结构设计提供参考和借鉴。

参考文献：

[1] 赵清伯.西秦岭特长隧道TBM步进段弧形基础的设计与施工[J].路基工程，2011（2）：175-177.

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.建筑结构荷载规范：GB 50009—2012[S].北京：中国建筑工业出版社，2012：8-12.

[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.混凝土结构设计规范：GB 50010—2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2010：7-18.

[4] 贡金鑫，魏巍巍，胡家顺.中美欧混凝土结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2007：21-26.

【责任编辑 张华岩】