CCS水電站TBM步進洞明拱段襯砌結構設計

徐慶 楊曉箐

摘 要：根據(jù)CCS水電站TBM步進洞明拱段的地形條件、地質(zhì)條件、結構受力情況等，按照結構力學法結合美國結構設計相關規(guī)范，在不同的荷載組合及不同的受力條件下對結構進行內(nèi)力計算，得出結構不利的剪力和彎矩，進而對襯砌結構進行了配筋驗算。該計算分析結果已在工程中得到應用，可為類似工程襯砌結構設計提供參考和借鑒。

關鍵詞：TBM;明拱;鋼筋混凝土;內(nèi)力計算;配筋;CCS水電站

中圖分類號：TV554 ? 文獻標志碼：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、運輸及組裝周期較長，為保證工期，在其組裝完成前采用鉆爆法施工預備洞，其組裝后需移動到掌子面方能具備始發(fā)掘進條件，稱之為“步進”[1]。而作為步進的附屬設施，如隧洞或明拱與隧洞結合，其結構設計的合理性、可靠性是保證TBM步進工作順利開展的關鍵。本文以TBM步進洞明拱段為研究對象，根據(jù)地質(zhì)條件、結構受力特點，對襯砌結構進行計算分析，為結構安全性、經(jīng)濟性提供技術支撐。

1 工程概況

CCS水電站2#施工支洞位于COCA河右岸，距離首部樞紐約14 km，洞口區(qū)處于山前坡麓與河谷地貌過渡帶，地形起伏較大。COCA河右岸為Ⅱ級階地，階面寬150～200 m，階面起伏不大，高程1 237～1 245 m，組成為含礫砂層，成分為火山碎屑、火山灰夾碎塊石、大孤石，沖洪積層含礫砂層屬于疏松、稍密狀。

2#施工支洞共兩條，其中2A支洞進口高程約1 241.40 m，全長1 646.18 m，用于TBM1進洞施工;2B支洞進口高程約1 241.40 m，全長1 660.92 m，用于TBM2進洞施工。2A、2B支洞采用鉆爆法和TBM聯(lián)合施工。根據(jù)地質(zhì)條件，樁號PK0+000—PK0+525采用鉆爆法開挖，成洞洞徑9.61 m，開挖洞徑9.86～9.91 m。進口前段設置10 m長明拱段。TBM全長172 m，主機和后備套總質(zhì)量為1 986 t，其中：主機長12.5 m，質(zhì)量1 100 t;TBM刀頭、主驅(qū)動、前盾長3.1 m，總質(zhì)量635 t。

2 計算原理及方法

2.1 中美規(guī)范差異

在我國，《建筑結構荷載規(guī)范》[2]、《混凝土結構設計規(guī)范》[3]等是結構設計中普遍采用的規(guī)范，但許多國家會要求采用美國規(guī)范。由美國混凝土協(xié)會（ACI）編制的《Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary》（ACI318M-05）及美國陸軍工程師團編制的《Strength Design for Reinforced-Concrete Hydraulic Structures》（EM1110-2-2104）是結構設計的重要技術文件，兩者聯(lián)系緊密，后者幾乎處處引用前者，但不重復敘述。

對于美國混凝土結構建筑規(guī)范與我國混凝土結構設計規(guī)范的差異研究，文獻[6]給出了較全面的總結，針對該工程設計特點，兩者差異主要是：①在荷載計算中，我國規(guī)范是由標準值、作用分項系數(shù)和組合系數(shù)組成，并且采用相應材料的強度設計值，而美國規(guī)范則是由規(guī)定的荷載值和荷載系數(shù)組成，并且采用材料的強度和強度折減系數(shù);②荷載分項系數(shù)取值，我國規(guī)范中恒載一般取1.2，活載為1.4，而美國規(guī)范中恒載為1.4，活載為1.7;③在結構分析時，我國規(guī)范只考慮有側(cè)移的情況，美國規(guī)范按無側(cè)移和有側(cè)移兩種情況考慮。

2.2 荷載系數(shù)的選擇

結構整體受力狀態(tài)分析按照結構力學方法進行內(nèi)力計算，得出結構的剪力值及彎矩值，由此可進行結構配筋計算。參考《Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary》（ACI318M-05）以及《Strength Design for Reinforced-Concrete Hydraulic Structures》（EM1110-2-2104），荷載系數(shù)取值如下：①考慮重力與臨時荷載組合時U=0.75×（1.4D+1.7L）（U為承載能力極限狀態(tài)荷載效應組合值;D為永久荷載;L為活荷載）;②僅考慮重力荷載組合時U=1.4D。

因此，第一種組合工況下，永久荷載系數(shù)K1=1.05、活荷載系數(shù)K2=1.275;第二種組合工況下，荷載系數(shù)為K3=1.4。

2.3 抗彎與抗剪計算

3.2 計算參數(shù)

2#施工支洞位于火山灰堆積層。鋼筋采用G60，屈服強度值為fy=420 MPa。2#施工支洞地層物理力學指標及混凝土材料參數(shù)見表1、表2。

3.3 荷載分析

結構所受的荷載包括襯砌混凝土結構自重、TBM軌道混凝土自重、TBM滑行荷載以及側(cè)向土壓力。取洞軸線方向長度為1 m的一段為計算對象，各荷載值求解如下。

（1）襯砌混凝土結構自重G1=563.246 kN。

（2）TBM軌道混凝土自重G2=338.613 kN。

（3）TBM混凝土滑行軌道需要承擔的荷載主要來源于刀頭、主驅(qū)動、前盾，總質(zhì)量為635 t，長度為3.1 m，TBM滑行荷載G3=2 003.323 kN。

（4）側(cè)向土壓力在高度方向呈線性分布，其底部壓力T1=γH[tan（45°-φ2）]2=79.637 kN，頂部壓力T0=0 kN。

4 計算結果與分析

結構計算需要考慮兩種斷面受力形式[4]，一種為結構不承受側(cè)向土壓力，另一種為結構承受側(cè)向土壓力。每種受力形式均需按重力與臨時荷載組合及僅重力荷載組合兩種工況分別進行分析。

4.1 不承受側(cè)向土壓力計算結果與分析

（1）重力與臨時荷載組合。①地基均布反力為q1=（G1+G2）K1+G3K2L=342.918 kN/m;②將TBM軌道混凝土自重按均布荷載考慮，即q2=G2LK1=34.823 kN/m;③作用在兩段的TBM滑行荷載按均布力考慮，即q3=G3LK2=250.170 kN/m。

根據(jù)以上荷載作用，對結構進行抗剪、抗彎內(nèi)力計算，結果顯示：最大剪力出現(xiàn)在底板兩端，為Vu=295.71 kN，側(cè)墻最大剪力位于底部，為Vu=38.48 kN;最大正彎矩出現(xiàn)在底板中間部位，為Mu=438.10 kN·m，最大負彎矩出現(xiàn)在底板與兩側(cè)邊墻結合處，為Mu=-316.69 kN·m。

（2）僅考慮重力荷載組合。①地基均布反力q1=（G1+G2）K3L=123.663 kN/m;②將TBM軌道混凝土自重按均布荷載考慮，即q2=G2LK3=46.431 kN/m。

根據(jù)以上荷載作用，對結構進行抗剪、抗彎內(nèi)力計算，結果顯示：最大剪力出現(xiàn)在底板兩端，為Vu=394.27 kN，側(cè)墻最大剪力位于底部，為Vu=51.57 kN;最大正彎矩出現(xiàn)在底板中間部位，為Mu=584.13 kN·m，最大負彎矩出現(xiàn)在底板與側(cè)墻結合處，為Mu=-422.24 kN·m。

4.2 承受側(cè)向土壓力計算結果與分析

（1）重力與臨時荷載組合。底部側(cè)向土壓力t1=T1K1=83.619 kN/m，頂部側(cè)向土壓力t0=0 kN/m。其他荷載與4.1中重力與臨時荷載組合一樣，由此可求得結構剪力、彎矩。根據(jù)計算結果可知：最大剪力出現(xiàn)在側(cè)墻底部，為Vu=304.07 kN，底板兩端剪力為Vu=295.71 kN;最大正彎矩出現(xiàn)在底板中間，為Mu=274.08 kN·m，最大負彎矩出現(xiàn)在底板與側(cè)墻結合處，為Mu=-480.71 kN·m。

（2）僅考慮重力荷載組合。底部側(cè)向土壓力t1=T1K3=111.48 kN/m，頂部側(cè)向土壓力t0=0 kN/m。其他荷載與4.1節(jié)中重力荷載組合一樣，對結構進行抗剪、抗彎內(nèi)力計算。結果顯示：最大剪力出現(xiàn)在側(cè)墻底部，為Vu=405.43 kN，底板兩端剪力為Vu=394.27 kN;最大正彎矩出現(xiàn)在底板中間部位，為Mu=355.44 kN·m，最大負彎矩出現(xiàn)在底板與側(cè)墻結合處，為Mu=-640.94 kN·m，側(cè)墻最大負彎矩為Mu=-212.17 kN·m。

4.3 配筋計算

綜合以上兩種計算情況，對結構進行配筋計算，最終采用如下配筋方式。

（1）按抗彎配筋。側(cè)墻和拱圈按照最大彎矩M=212.17 kN·m進行配筋，配置Φ22@150的鋼筋，同時為滿足側(cè)墻底部和底板兩端最大彎矩M=640.94 kN·m的配筋，在此彎矩范圍內(nèi)配置Φ22@150的角鋼;底板下部配筋按照最大彎矩M=640.94 kN·m進行配筋，由于兩端彎矩最大處已考慮配置Φ22@150的角鋼，因此底部可配置Φ25@150的鋼筋，底板表面按照最大彎矩為M=584.13 kN·m，配置Φ25@100的鋼筋。

（2）按抗剪配筋復核。側(cè)墻和拱圈按照最大剪力V=405.43 kN進行配筋，底板按照最大剪力V=394.27 kN進行配筋，經(jīng)過計算，兩者配筋均比在抗彎配筋情況小。

由以上兩種配筋計算情況可知，結構最終按照抗彎計算進行配筋。該計算分析結果已在工程中得到應用，可為類似工程襯砌結構設計提供參考和借鑒。

參考文獻：

[1] 趙清伯.西秦嶺特長隧道TBM步進段弧形基礎的設計與施工[J].路基工程，2011（2）：175-177.

[2] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.建筑結構荷載規(guī)范：GB 50009—2012[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012：8-12.

[3] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.混凝土結構設計規(guī)范：GB 50010—2010[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010：7-18.

[4] 貢金鑫，魏巍巍，胡家順.中美歐混凝土結構設計[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007：21-26.

【責任編輯 張華巖】