排水隧洞單層襯砌管片結構力學特性分析

摘""要：深入探討了排水隧洞單層襯砌管片結構的力學特性，基于實際工程案例，通過理論分析與數值計算，系統研究了不同工況下單層襯砌管片的受力性能，包括隧洞結構設計、接縫防水方案，以及典型斷面的結構受力計算。結果表明，450"mm厚度的單層襯砌管片結構在施工期和運營期均能滿足結構受力要求，并且運營期內水壓力對結構具有有利影響。還通過對比分析，揭示了單層襯砌與雙層襯砌結構在力學性能上的差異，為排水隧洞設計提供了理論依據和技術支持。

關鍵詞：排水隧洞""單層襯砌""管片結構""力學特性

中圖分類號："TU992.23

Mechanical"Characteristic"Analysis"of"Single-Layer"Lining"Segment"Structure"in"Drainage"Tunnel

CHEN"Fei1，2""LIU"Yuhang1，2""MEI"Ruofei1，2

• Changjiang"Survey，"Planning，"Design"and"Research"Co.，"Ltd.，"Wuhan，"Hubei"Province，"430010"China;"2."National"Dam"Safety"Engineering"Technology"Research"Center，"Wuhan，"Hubei"Province，"430010"China

Abstract："This"article"delves"into"the"mechanical"characteristics"of"the"single-layer"lining"segment"structure"for"drainage"tunnels."Based"on"practical"engineering"cases，"it"systematically"investigates"the"stress"performance"of"single-layer"lining"segments"under"various"working"conditions"through"theoretical"analysis"and"numerical"calculations，"including"tunnel"structural"design，"joint"waterproofing"schemes，"and"structural"stress"calculations"for"typical"cross-sections."The"results"indicate"that"the"450mm-thick"single-layer"lining"segment"structure"meets"the"structural"stress"requirements"during"both"the"construction"and"operation"phases，"with"water"pressure"having"a"favorable"impact"on"the"structure"during"the"operation"phase."Through"comparative"analysis，"it"also"reveals"the"differences"in"mechanical"properties"between"single-layer"and"double-layer"lining"structures，"providing"theoretical"foundations"and"technical"support"for"the"design"of"drainage"tunnels.

Key"Words："Drainage"tunnel;"Single-layer"lining;"Segment"structure;"Mechanical"characteristics

排水隧洞工程作為城市基礎設施的重要組成部分，承擔著排水、防洪及保護地下水資源的關鍵任務。隨著工程技術的發展，單層襯砌管片結構因其施工便捷、成本相對較低等優點，在排水隧洞工程中得到了廣泛應用。單層襯砌管片結構的力學特性及其接縫防水效果直接關系到隧洞的整體性能和長期穩定性。旨在深入分析單層襯砌管片結構的力學特性，探討其接縫防水方案的有效性，并評估單層襯砌結構在不同工況下的適用性，為排水隧洞工程的設計、施工和維護提供理論依據和技術支持。

1""排水隧洞單層襯砌結構設計

1.1""隧洞結構設計概述

在排水隧洞的設計中，隧洞內徑根據實際需求及地質條件設定為5.7～6.1"m不等，以滿足不同區段的排水需求。為確保隧洞結構的整體穩定性，隧洞外徑被設定為7.0"m。管片厚度作為承受外部荷載的主要構件，設計為450"mm。隧洞橫斷面圖直觀地展示了單層襯砌管片結構的布局與尺寸關系[1]。從橫斷面圖中可以看出，管片之間通過特定的連接方式緊密拼接，形成完整的隧洞結構。隧洞頂部及兩側均預留有足夠的空間，以應對可能的沉降及變形。

1.2""接縫防水方案設計

在排水隧洞的單層襯砌管片結構設計中，設計采用了雙層彈性密封墊以實現外阻外滲和內防內漏的雙重防水效果；使用聚硫密封膠填充管片嵌縫，因其強黏結力、耐水性和抗老化性能，能有效密封微小縫隙；微膨脹砼封堵螺栓手孔在凝固時微膨脹，緊密貼合管片，形成致密的防水層

2""排水隧洞單層襯砌結構設計討論

2.1""單層襯砌管片結構的優勢與局限性

在隧洞內徑變化不大的情況下，如隧洞末端內徑保持5.7"m不變，而大部分區段內徑增大至6.1"m，這種設計調整不僅保證了隧洞的排水功能，還實現了經濟性與結構安全性的平衡，減少了現場作業的復雜性和工期。

單層襯砌管片結構主要難點是確保結構在不同工況下的強度和穩定性，必須采用極為精細的防水構造技術，有效隔絕外界水源，需要采用高強度、高抗滲性且具備優異耐久性能的材料，保障隧洞工程的長期安全、穩定運行[2]。

2.2""不同工況下結構受力特性的變化規律

排水隧洞單層襯砌管片結構在施工期和運營期結構內力的差異顯著。施工期由于施工荷載和地質條件的影響，結構內力普遍較大，特別是軸力和彎矩值較高。而運營期由于內水壓力的作用，結構內力有所調整，彎矩值相對減小，軸力也趨于穩定。排水隧洞單層襯砌管片結構在設計和施工過程中需要綜合考慮地質條件、水壓力、材料性能以及接縫防水方案等，針對不同工況采取相應的設計措施[3]。

3""單層襯砌管片結構力學特性分析

3.1"典型斷面選取與計算條件

針對某排水隧洞工程，選取了兩個具有代表性的典型斷面進行力學特性分析。這兩個斷面分別位于不同的地質條件和工況下，以全面評估單層襯砌管片結構的受力性能[4]。通過對比分析這兩個斷面的力學響應數據，如應力、應變、位移等關鍵參數，系統地揭示單層襯砌管片結構在不同地質條件和工況下的受力機理與破壞模式。

3.2""施工期結構受力計算

施工期是隧洞結構受力最為復雜的階段，各斷面在施工期內的內力計算結果如下。

3.2.1""斷面一（樁號5K0+410）

彎矩最大值：內側346"kN·m/環，外側220"kN·m/環，結構如圖1所示。

3.2.1""斷面二（樁號5K0+775）

彎矩最大值：內側289"kN·m/環，外側188"kN·m/環，結構如圖2所示。

3.3"運營期結構受力計算

運營期是隧洞結構長期承受荷載的階段，其受力狀態對隧洞的安全性和耐久性至關重要。各斷面在運營期內的內力計算結果如下。

3.3.1""斷面一（樁號5K0+410）

彎矩最大值：內側259"kN·m/環，外側148"kN·m/環，結構如圖3所示。

3.3.2""斷面二（樁號5K0+775）

彎矩最大值：內側212"kN·m/環，外側123"kN·m/環，結構如圖4所示。

3.4"數據分析

表1將單層襯砌結構管片內力數據進行統計，單層襯砌結構施工期彎矩的公式為

式（1）中：是運營期內的彎矩值，單位為kN?m；是施工期內的彎矩值，單位為kN?m，不考慮水壓力的影響；是由于運營期內水壓力作用而減小的彎矩值，單位為kN?m"[5]。

期彎矩偏大，運營期彎矩偏小，原因是運營期考慮了內水壓力作用對結構的有利影響。通過計算，450"mm厚度的單層襯砌管片結構能滿足不同工況條件下結構受力要求。

4""結論

對數據深入剖析得出排水隧洞單層襯砌結構方案展現出顯著的材料利用效率與經濟成本優勢，確保了在多樣化工況下的結構穩定性與受力安全。盡管施工期間單層襯砌面臨彎矩較大的挑戰，但通過強化接縫防水設計，顯著提升了結構的整體耐久性與使用壽命。在特定地質條件與工況需求下，單層襯砌管片結構無疑是經濟且合理的選擇。為確保其長期服役的可靠性，尚需進一步監測評估其穩定性，并適時制定維護策略，以應對潛在的結構性能變化。

參考文獻

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