施工支洞改建為檢修支洞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

陳曉年　肖豫　何楠

摘要：通過對(duì)厄瓜多爾ccs輸水隧洞施工支洞改建檢修支洞進(jìn)行研究，提出一種新型改建方法，該方法避免了傳統(tǒng)增設(shè)檢修閘門的方式，降低了施工難度和工程投資，且縮短了工期，改建方案既可以在運(yùn)行期擋水，又可以在檢修期放空輸水隧洞主洞的情況下對(duì)主洞進(jìn)行檢修，檢修支洞還可兼作明流輸水隧洞的通氣洞。通過有限元結(jié)構(gòu)計(jì)算分析研究，探索了檢修通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，最終形成了完整的施工支洞改建檢修支洞的方案，該檢修支洞改建方案尤其適用于長(zhǎng)距離、大直徑、深埋輸水隧洞的施工支洞回填改建檢修支洞。

關(guān)鍵詞：檢修支洞;施工支洞;改建方法;結(jié)構(gòu)計(jì)算

中圖分類號(hào)：TV62

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000- 1379.2019.06.023

1 工程概況

厄瓜多爾CCS水電站輸水隧洞設(shè)計(jì)引水流量為222 m3/s，隧洞設(shè)計(jì)內(nèi)徑8.2 m。隧洞出口設(shè)事故閘門，輸水隧洞進(jìn)口底板高程為1 266.90 m.出口底板高程為1 224.00 m，縱坡坡降為0.173%，輸水隧洞采用全襯砌結(jié)構(gòu)形式。

輸水隧洞全長(zhǎng)24.83 km.施工過程中在隧洞樁號(hào)9+878.18、11+005.61處分別布置2A、2B兩條施工支洞，主要采用2臺(tái)雙護(hù)盾TBM（即TBM1、TBM2）掘進(jìn)機(jī)施工，輔以鉆爆法施工。其中：TBM1從2A支洞向上游掘進(jìn)，負(fù)責(zé)2A支洞及其輸水隧洞上游段的開挖及管片襯砌，最終從隧洞進(jìn)口出：TBM2從輸水隧洞出口向上游掘進(jìn)，負(fù)責(zé)輸水隧洞出口至2B支洞之間的下游段開挖及管片襯砌，并最終從2B支洞出[1]。根據(jù)輸水隧洞運(yùn)行維護(hù)要求，需要設(shè)置一條檢修支洞，方便在必要時(shí)對(duì)主洞進(jìn)行檢修，為減少投資，決定對(duì)2B施工支洞進(jìn)行改建，使其成為檢修支洞。

2 施工支洞改建檢修支洞新方法研究

2.1 檢修支洞設(shè)計(jì)背景

在大、中型水利水電工程輸水隧洞特別是長(zhǎng)距離、大直徑、深埋輸水隧洞（明流洞）建設(shè)過程中，通常將施工期的施工支洞改建為檢修支洞，以達(dá)到縮短工期、降低投資的目的[2]。目前在改建中，通常是在施工支洞與輸水隧洞主洞交叉連接段內(nèi)設(shè)置金屬檢修閘門，通過控制金屬檢修閘門啟閉達(dá)到輸水隧洞主洞的運(yùn)行和檢修目的。此方法有兩個(gè)弊端：一是增加金屬檢修閘門等相關(guān)結(jié)構(gòu)，增大了工程投資：二是金屬檢修閘門本身存在維護(hù)及檢修問題，當(dāng)金屬檢修閘門出現(xiàn)故障時(shí)必須放空整個(gè)輸水主洞進(jìn)行檢修或定期維修。因此，通常的施工支洞改建檢修支洞的方法不僅增大工程投資，而且影響輸水隧洞的正常運(yùn)行，并存在一定的安全隱患。

2.2 檢修支洞改建新方法

如圖1所示，該施工支洞改建檢修支洞的新方法主要特點(diǎn)是規(guī)避了檢修閘門的設(shè)置，首先對(duì)施工支洞與輸水隧洞主洞連接處進(jìn)行混凝土封堵，封堵時(shí)在位于封堵段的施工支洞內(nèi)留出檢修通道，其中檢修通道的縱坡坡降i為10%：然后在靠近封堵段施工支洞內(nèi)的洞底用塊石混凝土回填成沿施工支洞縱向呈“凸”字形曲線的檢修通道，“凸”字形曲線的洞底最高處為圓弧段，所述圓弧段洞底的兩側(cè)縱坡坡降均為10%，圓弧段洞底最高點(diǎn)的高程大于輸水隧洞主洞的正常運(yùn)行水位線。

2.3 新方法的優(yōu)點(diǎn)

該施工支洞改建檢修支洞的新方法避免了增設(shè)檢修閘門，降低了施工難度和工程投資，且縮短了工期。該方法尤其適用于長(zhǎng)距離、大直徑、深埋輸水隧洞（明流洞）的施工支洞回填改建檢修支洞，檢修支洞可兼作明流輸水隧洞的通氣洞。同時(shí)，檢修支洞既可以在運(yùn)行期擋水，又可以在檢修期放空主洞的情況下對(duì)輸水隧洞主洞進(jìn)行檢修。

3 改建后檢修支洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

輸水隧洞與2B支洞連接處封堵段的平面和剖面見圖2。

3.1 典型斷面的選擇

輸水隧洞與2B支洞連接處封堵段主要圍巖類型為Ⅲ類，封堵段檢修通道底板縱坡坡降為10%。隨著底板混凝土厚度逐漸變大，檢修通道的高度變低，計(jì)算選取封堵混凝土較薄的B-B剖面作為典型計(jì)算剖面，B-B剖面中底板厚度取該段的最小厚度0.6 m，孔口尺寸取最大孔口尺寸3.5 mx7.7 m（寬×高）進(jìn)行計(jì)算。

3.2 計(jì)算方法及模型

采用大型通用有限元計(jì)算程序LUSAS進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，其中封堵段混凝土采用QPM4M平面應(yīng)力2D單元，圍巖與封堵段接觸采用JPH3彈簧單元，該單元只受壓，不受拉，圍巖采用全約束邊界。

QPM4M單元為平面應(yīng)力連續(xù)體，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有U、V兩個(gè)自由度及X、Y，兩個(gè)坐標(biāo)，如圖3所示。JPH3彈簧單元有3個(gè)節(jié)點(diǎn)，第3個(gè)節(jié)點(diǎn)用于確定單元X軸，在第1節(jié)點(diǎn)和第2節(jié)點(diǎn)處有U、V、θz三個(gè)自由度（活動(dòng)節(jié)點(diǎn)），JPH3單元如圖4所示。

QPM4M單元長(zhǎng)度為0.5 m、厚度為1m，一共有495個(gè)，節(jié)點(diǎn)563個(gè);JPH3彈簧單元共有95個(gè)，節(jié)點(diǎn)186個(gè)。有限元計(jì)算模型見圖5。

3.3 荷載及荷載組合

3.3.1 荷載

（1）自重。混凝土襯砌容重為25 kN/m3。

（2）圍巖壓力。根據(jù)美國(guó)隧洞規(guī)范EMII10-4-2_2901[3]中第九章表9.1確定襯砌結(jié)構(gòu)的圍巖壓力。

（3）外水壓力。根據(jù)美國(guó)隧洞規(guī)范EMIII0-4-2-2901，當(dāng)采用適當(dāng)?shù)呐潘到y(tǒng)時(shí)外水壓力水頭可以采用地下水總水頭的25%或3倍洞徑。

（4）內(nèi)水壓力。根據(jù)一維水力學(xué)計(jì)算結(jié)果，隧洞正常運(yùn)行時(shí)檢修支洞內(nèi)水深為6.12 m。

（5）汽車荷載。檢修工況下檢修通道底板需要考慮標(biāo)準(zhǔn)軸距貨車荷載，單軸兩輪距離為1.8 m，荷載動(dòng)態(tài)放大倍率為1.33。

（6）人群荷載。檢修工況下檢修通道需要考慮3.6xl0 MPa人群荷載。

3.3.2 荷載組合

根據(jù)隧道的施工方法和施工條件，確定正常運(yùn)行、檢修兩種工況，荷載組合見表1。

3.4 計(jì)算結(jié)果

應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表3、圖6-圖9。

結(jié)構(gòu)配筋采用應(yīng)力面積法，按照最大主拉應(yīng)力進(jìn)行配筋方向積分，假定主拉應(yīng)力全部由鋼筋承擔(dān)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果再進(jìn)行應(yīng)力面積積分[4]，求得鋼筋面積?？偫τ?jì)算公式為

4 結(jié)語(yǔ)

該工程利用2A施工支洞回填封堵，留設(shè)檢修通道改建成檢修支洞，避免了增設(shè)檢修閘門，不僅降低了施工難度和工程投資，經(jīng)濟(jì)易行，縮短了工期，而且該檢修支洞可兼作明流輸水隧洞的通氣洞，在運(yùn)行期擋水，在檢修期放空輸水隧洞主洞的情況下對(duì)主洞進(jìn)行檢修。通過有限元結(jié)構(gòu)分析計(jì)算，探索出一套檢修通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，該檢修支洞改建方法尤其適用于長(zhǎng)距離、大直徑、深埋輸水隧洞（明流洞）的施工支洞回填改建檢修支洞。

參考文獻(xiàn)：

[1]金長(zhǎng)文.厄瓜多爾CCS水電站輸水隧洞施工簡(jiǎn)介[J].云南水力發(fā)電，2014，30（5）：8-10.

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[3] US Army Corps of Engineers. Tunnels and Shafts in Rock：EMIIIO-2 - 2901[ S]. Washington： Department of theArmy，1997：1.

[4] 鈕新強(qiáng)，汪基偉，吳德緒，等.水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：SL91-2008[S].北京：中國(guó)水利水電出版社，2008：164-165.

【責(zé)任編輯張華巖】