某水電站地下交通隧洞岔洞襯砌結構設計

李 超，彭睿哲，葛 瑤

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065；2.陜西省水利電力勘測設計研究院，西安 710001)

1 工程概況

某水電站地下廠房三大洞室對外交通主要通過進廠交通洞、主變運輸洞、尾閘運輸洞與地面公路相連。進廠交通洞采用城門洞型，凈斷面8 m×8 m(寬×高)，尾閘運輸洞也采用城門洞型，凈斷面7.5 m×7.5 m(寬×高)，尾閘運輸洞連接至進廠交通洞時形成非對稱人字形岔洞，夾角60°，原設計方案襯砌厚度0.6 m，采用C25混凝土，原設計方案岔洞襯砌平面見圖1，原設計方案岔洞襯砌典型剖面見圖2。岔洞處因結構復雜、開挖寬度大，需深入研究[1]。采用通用ANSYS三維有限元計算軟件，對岔洞襯砌結構進行建模[2-4]，針對幾種不同結構設計方案進行數值分析。選取SOLID65單元劃分網格，單元邊長0.15 m，共劃分單元214 652個，節點270 985個[5]。岔洞所處的圍巖類別以Ⅲ類圍巖為主，計算時選取Ⅲ類圍巖參數，彈性模量取10 GPa，泊松比取0.28。由于地下交通隧洞岔洞所受荷載類型較少，計算中僅考慮控制工況，即運行期持久工況，考慮襯砌自重、圍巖壓力和外水壓力[6-7]。

2 原設計方案結構分析

原設計方案岔洞襯砌第一主應力S1云圖及總位移USUM云圖如圖3，從計算結果云圖分析，岔洞襯砌在自重、圍巖壓力和外水壓力聯合作用下，第一主應力較大的區域主要出現在頂拱中心部位內表面，頂拱拱腳部位外表面，頂拱中心部位內表面第一主應力的最大值為14.34 MPa；總位移較大的區域主要出現在頂拱中心部位，最大值為29.62 mm。拉應力最大值遠大于混凝土抗拉強度設計值，通過應力圖形法配筋，襯砌單側需要HRB400鋼筋雙層?36@200，在厚度0.6 m的襯砌中需要配置4層鋼筋，鋼筋間距過小，與混凝土的握裹力難以保證，同時配筋率過大容易發生混凝土壓碎先于鋼筋屈服的脆性破壞，混凝土難以振搗密實的情況，方案不可行。

圖1 原設計方案岔洞襯砌平面圖 單位：cm

圖2 原設計方案岔洞襯砌典型剖面圖 單位：cm

圖3 原設計方案岔洞襯砌計算結果云圖

分析岔洞結構本身，頂拱襯砌可以看做支撐在邊墻襯砌上部，由于自身跨度大、襯砌薄，頂拱襯砌剛度很小，在外界豎向荷載作用下，結構產生較大的豎向變形，從而引起了較大的第一主應力。因此，新增各設計方案務必能夠增加頂拱結構剛度，減小第一主應力，控制配筋率在合理范圍。

3 各設計方案結構分析

為了能夠增加岔洞頂拱襯砌結構剛度，提出局部加鋼梁、局部加鋼筋混凝土梁、局部加厚襯砌和整體加厚襯砌等設計方案，各設計方案措施見表1，各設計方案有限元模型見圖4，第一主應力S1云圖見圖5，總位移USUM云圖見圖6，頂拱第一主應力及總位移值匯總見表2。

表1 各設計方案措施表

表2 各設計方案頂拱第一主應力及總位移匯總表

從各設計方案計算結果看，通過增加各種措施，岔洞頂拱中心部位第一主應力及總位移均有不同程度的減小，說明通過增加岔洞頂拱剛度的思路可行。

對比原設計方案與方案1，增加鋼梁使得鋼梁與鋼筋混凝土襯砌聯合受力，形成型鋼混凝土組合結構。但從計算結果看，岔洞頂拱剛度提高甚微，主要是因為鋼梁截面小、間距大，對組合結構剛度貢獻不大。對比原設計方案與方案2，頂拱局部增加高度1.2 m(兩倍襯砌厚度)的鋼筋混凝土梁，抗彎剛度得到提高，岔洞頂拱剛度提高效果較方案1大幅增加。對比原設計方案與方案3，頂拱局部襯砌厚度增加到1.2 m，抗彎剛度得到提高，岔洞頂拱剛度提高效果較方案1大幅增加。對比方案2與方案3，頂拱局部整體性提高，整體剛度各向分配均勻，方案3剛度提高效果較方案2有所增加。對比原設計方案、方案4和方案5，岔洞襯砌整體厚度增加，抗彎剛度得到提高，岔洞頂拱剛度提高效果隨著襯砌厚度的增加而提高。對比方案3與方案5，方案3為頂拱局部襯砌厚度增加到1.2 m，而方案5為岔洞襯砌整體厚度增加到1.0 m；單從截面抗彎剛度分析，方案3比方案5截面高度多了0.2 m，抗彎剛度更大，岔洞頂拱剛度提高效果應該更優，而結果卻相反，分析原因在于方案5與方案3相比，增加了3個端部跨度較小洞斷襯砌厚度，對中部跨度較大洞段襯砌有支撐約束作用，整體剛度大，剛度分布更均勻，與岔洞空間受力狀態跟貼近，傳力路徑更優；從整體混凝土用量上看，方案3混凝土用量885 m3，方案5混凝土用量1 190 m3，方案3較為節省，但考慮到方案3襯砌局部加厚處，襯砌內部應對應力集中需采取構造配筋措施、局部體型變化混凝土澆筑不易密實、局部圍巖臨空面增加導致不穩定楔形體增加等不利影響，從施工便利性、施工質量和施工安全方面考慮，方案5較優。

圖4 各設計方案岔洞有限元模型圖

圖5 各設計方案岔洞襯砌第一主應力S1云圖 單位：MPa

圖6 各設計方案岔洞襯砌總位移USUM云圖 單位：mm

最終確定方案5為最終方案，通過應力圖形法配筋，襯砌單側需要HRB400鋼筋單層?36@150，在厚度1.0 m的襯砌中配置兩層鋼筋，鋼筋間距及配筋率均滿足規范要求，方案可行。

4 結 論

(1) 岔洞結構為空間受力結構，襯砌應力狀態及變形大小主要受截面抗彎剛度及整體剛度控制，截面抗彎剛度和整體剛度越大，襯砌應力水平越低、變形越小。

(2) 局部加鋼梁方案對截面抗彎剛度和整體剛度提高效果不明顯；局部加鋼筋混凝土梁方案提高截面抗彎剛度，未提高整體剛度，效果一般；局部加厚襯砌和整體加厚襯砌方案提高了截面抗彎剛度和整體剛度，效果明顯。

(3) 地下交通隧洞岔洞襯砌結構設計時，可以通過控制整體襯砌厚度，調整岔洞應力水平，達到合理配筋的目的。

(4) 岔洞結構頂拱跨中是整體應力及位移最大的關鍵部位，建議在該部位采取增加配筋量、嚴格控制施工質量等措施，保證結構安全。