南水北调中线穿黄隧洞结构设计研究(图)

　　摘要:穿黄隧洞是南水北调中线总干渠上建设规模最大,施工技术最复杂,是控制工期的关键性工程。隧洞内径7. 0 m,最大内水压力达0. 51MPa。多年来,长江水利委员会长江勘测规划设计研究院在对大量穿黄隧洞结构型式进行研究、分析的基础上,确定集中精力对3种较优的隧洞衬砌结构方案进行比选。在从施工技术、经济投入等方面进行综合比较之后,最后推荐采用结构受力明确,且安全度很高的方案3。主要介绍隧洞结构型式的比选、隧洞纵向变形及抗震等设计研究成果。

　　关键词:穿黄隧洞; 结构型式; 纵向变形; 抗震; 南水北调

　　中图分类号: TV68 文献标识码: A 文章编号: 1001 - 4179 (2009) 23 - 0085 - 03

　　1　概述

　　穿黄工程是南水北调中线总干渠与黄河的交叉建筑物,是总干渠上建设规模最大,施工技术最复杂的工程,也是控制工期的关键性工程,工程地址位于河南省郑州市以西约30 km处。长江勘测规划设计研究院(以下简称“长江院”)历经多年研究,推荐该工程采用盾构隧洞穿越黄河方案。隧洞总长4 250 m,按南水北调最终调水规模设计时,隧洞内径为8. 2 m;按一期规模设计时,隧洞内径为7. 0 m,隧洞最大内水压力达0. 51MPa。该隧洞的主要工程特点是,需要穿越游荡性河段,该河段所处围土为砂土地层,地质条件复杂,内外水压高。长江院针对穿黄隧洞工程的特点,对隧洞的结构型式、隧洞纵向变形、隧洞抗震性能等进行了多课题研究,本文予以简要介绍。

　　2　隧洞结构型式比选

　　2. 1　结构型式

　　根据隧洞施工及其后期运行的要求,穿黄盾构隧洞采用双层衬砌结构。其外层为由7块管片组成的装配式钢筋混凝土衬砌,内衬为现浇常规钢筋混凝土或预应力钢筋混凝土衬砌。经多项理论分析和试验研究,最后对以下3种较优衬砌结构型式进行集中比选。

　　2. 1. 1　方案1:双衬联合受力

　　该方案为钢筋混凝土结构方案,外管片厚度为40 cm,内衬厚度为45 cm。在其施工期间,外衬单独承受隧洞外部水土荷载,在地层和外衬的变形基本稳定之后,再进行内层衬砌施工。

　　在运行期间,内、外衬联合受力,共同承受隧洞内水压力及隧洞外部的水土荷载,内、外衬联合受力的范围由内、外衬迭合面的应力条件决定。

　　2. 1. 2　方案2:单衬受力

　　该方案亦为钢筋混凝土结构方案,拟定的管片厚度为60cm,内衬厚度为20 cm。在施工期间,外衬单独承受隧洞外部水土荷载,在地层和外衬的变形基本稳定之后,再进行内层的衬砌施工。由于内衬厚度很薄,分担的荷载较小,主要起修正施工“蛇行”和运行减糙、提高外管片耐久性、防水等维护作用。在对运行期间的内、外衬联合受力进行的计算中,内、外衬联合受力的范围由内、外衬迭合面的应力条件决定。

　　2. 1. 3　方案3:双衬单独受力

　　该方案的外衬为钢筋混凝土管片,内衬为预应力混凝土结构,内、外衬由软垫层分隔。外衬主要承担自重、隧洞外部作用荷载(包括施工期和运行期的增量) ,在运行期间,其内衬主要承担其自重和内水的压力。拟定的管片厚度为40 cm,内衬厚度为45 cm,软垫层采用格栅式复合土工膜,厚10 mm,内衬预应力由后张钢绞线配HM锚具提供。经过计算比较,确定单束锚索由12根φj15. 2 (1860级)的钢绞线集束而成,锚索间距为45cm。

　　2. 2　计算分析结果

　　根据隧洞的受力特性,采用平面杆系有限元计算方法对衬砌结构进行计算,将衬砌环简化为正多边形框架结构。考虑装配式管片接头的构造对结构内力、变形的影响,对管片接头模拟采用接头分析模型,其中,接头衬垫采用弹簧模拟,只承压,不抗拉,螺栓预紧力按初应变进行模拟。为了能够充分反映地层与结构之间的相互作用,地层约束采用弹性链杆模拟,链杆作用范围按照只承压,不受拉的原则,根据具体计算情况确定。对于方案1和方案2,内外衬联合受力是采用叠合梁型式,并通过在内外衬之间加设刚臂单元表示,由刚臂单元的内力来计算内、外衬接触面上的剪应力,当接触面上的剪应力大于0. 4MPa时,认为该范围叠合面已被破坏,将刚臂单元释放。对于方案3,在内、外衬之间设置软垫层,假定其界面不能传递剪力和拉力,但是可以传递压力,内、外衬之间的接触按不受拉的弹性链杆模拟。

　　计算结果表明:

　　(1) 在拟定的各种工况下,方案1的外衬管片均能满足抗裂的要求,而内衬不能满足抗裂要求。裂缝的扩展规律首先表现为它是出现在对应外衬径向缝的部位,并导致内、外衬壁面脱开。只有在内衬配筋率达到1. 34%的条件时,方能满足内衬限裂的要求。

　　(2) 在拟定的各种工况下,方案2的外衬管片也均能满足抗裂的要求,而内衬一般只能满足限裂的要求。与外衬径向缝对应的内衬截面,其厚度仅有20 cm,因该截面轴向拉应力比较大,容易开裂,其附近内、外衬分界面上的剪应力也比较大,因此裂缝首先出现在对应外衬径向缝的部位,并导致内、外衬壁面脱开。所以,只有在内衬配筋率达到3. 14%的条件时,方能满足内衬限裂的要求。

　　(3) 在拟定的各种工况下,方案3的外衬管片和内衬各断面均为全截面受压,在基本荷载组合下,能满足一级裂缝的控制要求,在特殊荷载组合下,截面的拉应力能满足二级裂缝的控制要求。

　　(4) 方案1及方案3的管片接缝有张开趋势,方案3的管片接缝则始终处于受压状态。

　　2. 3　推荐结构型式

　　对以上3种方案的应力与变形进行的分析表明,方案1和方案2能做到双衬共同工作,并且外衬能实现抗裂的目标,可以满足设计要求;方案3则是两层衬砌独立工作,受力条件明确,工作可靠,并且均可满足抗裂的要求,故结构性能较优。

　　(1) 从施工技术方面来看,方案1和方案2要求内、外衬联合受力,使内、外衬结合良好,除在内、外衬间需设置联系钢筋外,尚需要对隧洞顶拱的一定范围进行回填灌浆处理。方案3的内衬采用后张预应力方案,其钢筋混凝土衬砌为主动式预应力,国外在20世纪70年代便已经将它应用于引水隧洞工程建设中。我国在20世纪80年代末至90年代初,在由长江院设计的清江隔河岩大型水利枢纽电站引水隧洞工程中,首次进行了成功开发与引用,并在小浪底水利枢纽排沙洞及天生桥电站引水隧洞中推广应用,积累了宝贵的工程设计经验,其施工技术已十分成熟。从施工工期来分析,方案3的预应力施工,包括孔道预留、锚索穿索张拉、孔道灌浆及锚具槽回填等施工工序,均不占直线工期,对保证工程进度有利。

　　(2) 从经济方面进行比较,各方案的内、外衬厚度之和基本相当,隧洞施工所需的开挖量及混凝土量基本相同;钢筋用量以方案1较大,方案2次之,方案3较小;方案3需增加预应力钢铰线的用量。总造价以方案2较小,方案3较大。综上所述,结构工作特性以方案3 为优,在施工技术难度方面,各方案相当,总造价以方案3较大。考虑到穿黄工程隧洞工程规模巨大,是南水北调中线输水总干渠上的关键工程,其内外水压差近20 m,结构受力条件较复杂,为了确保工程能够满足正常的使用和安全方面的要求,经分析、比较,决定推荐采用结构受力明确、结构安全度高的方案3。

　　3　隧洞纵向变形

　　3. 1　控制标准

　　对于常规的隧洞,一般可不做纵向结构计算,但是,由于穿黄隧洞地处游荡性河段,河床的冲淤作用会使隧洞上覆土重沿隧洞纵向发生变化,并引起隧洞接缝开度发生变化,以致会影响隧洞的防水性能。为了明确接缝的张开度与其防水性能之间的关系,曾对外衬管片的各种接缝型式,如“一字缝”、“T字缝”和“十字缝”进行抗水压模拟试验。试验结果表明,按设计采用的止水材料,当设防水压为1. 0 MPa时,按设计防水要求,外衬管片的纵缝、环缝的允许开度为4 mm (错台量20 mm时)或6 mm(错台量15 mm时) 。

　　3. 2　荷载

　　纵向变形荷载之一为河床冲淤变化产生的荷载,主要有2种形式: ①根据河工模型试验成果选取一次性洪水过程中最不利的冲淤断面,河床冲刷后,设计水位下最大水深为20 m,冲淤形态示意图见图1; ②按主槽整体摆动最不利的位置来确定冲淤断面,最大摆幅达850 m,冲淤形态示意图见图2。

图1　穿黄隧洞一次洪水过程冲淤形态示意(单位:m)

图2　穿黄工程河床整槽摆动冲淤形态示意(单位:m)

　　纵向变形荷载之二为地震荷载。按50 a超越概率5%的地震动标准,隧洞轴线位置的峰值加速度为0. 115 g ,隧洞围土为砂壤土和中、细砂层,波速约为250 m / s。按地震波卓越频率1. 33 Hz推算,波长λ = 188 m。为简化计算,采用地震系数法。

　　假设作用在隧洞上的竖向惯性力沿隧洞纵向按余弦变化,并折算为体密度加荷。

　　3. 3　计算分析成果

　　建立包括南岸竖井和长达2 400 m 隧洞段的计算模型,其中包含了通过粉质粘土和中、细砂层变化的洞段,计算剖面中,土层自上而下概化为Q24、Q14、Q2、N四个岩土层。计算模型考虑的因素有:各土层厚度沿纵向的变化、结构分缝、变形缝纵向螺栓等。

　　以河工模型试验得到的设计洪水、校核洪水下的冲淤断面,以及主槽整体摆动的冲淤形态为荷载条件,分别对隧洞纵向进行了三维有限元数值分析计算。计算结果表明,仅考虑冲淤的作用,主槽整体摆动为控制性工况,纵向变形最剧烈的部位位于冲淤过渡段上,因隧洞纵向变形引起接缝最大张开度和垂直错动量分别为2. 67 mm和2. 16 mm。假若在运行期间,既发生了最不利的冲淤作用,又遭遇了地震,则接缝的张开度和垂直错动量分别为3. 09 mm和2. 76 mm,这些数值仍然小于允许的接缝张开度。因此,隧洞衬砌接缝满足防水要求。

　　4　隧洞抗震

　　4. 1　地震动参数

　　根据GB18306 - 2001《中国地震动参数区划图》,穿黄工程区基本地震加速度为0. 1 g ,相应地震设计基本烈度为7 度。根据地震危险性进行的分析,穿黄隧洞属于非壅水建筑物,按50 a超越概率5%的地震动标准进行设防,相应基岩面地震加速度为0. 158 g 。

　　4. 2　砂土液化影响

　　假若隧洞围土因地震液化,将会危及隧洞结构的安全。分别采用标准贯入锤击法、静力触探判别法、动三轴试验判别法、相对密度和剪切波速法,对可能发生液化的土层进行了地震液化判别。经过对上述5种方法的判别结果进行综合分析,确定穿黄隧洞所在地层可能液化的最大深度为16 m,而相应洞段顶部的最小埋深为28～30 m,隧洞结构处于远离砂层可能液化的范围,因此,隧洞围土不存在震动液化问题。

　　4. 3　横向地震响应

　　穿黄隧洞采用双层衬砌,外衬为拼装式管片,厚度为40cm,内衬为现浇钢筋混凝土结构,厚度为45 cm。考虑到隧洞较长,按照平面应变问题对横向地震响应进行分析。在计算域内,单元是分别按内衬、管片、垫层及围土进行剖分,计算结果表明:

　　(1) 隧洞衬砌的动应力水平较低。环向动压应力主要由外衬承受,径向最大动应力远小于环向应力。最大环向动压应力为2. 49MPa,按0. 35折减后为0. 87MPa。此外,环向最大动拉应力也很小。

　　(2) 隧洞内衬与外衬之间设置一层变形模量很低的柔性材料,这将使内衬与外衬的受力机理发生变化。在水平地震波的作用下,外衬受周围土体振动变形的直接作用,致使其产生动力变形和应力;内衬因有夹层相隔,未受外衬的明显作用,其变形和应力主要由隧洞中的动水压力和内衬的惯性力所引起,故内衬动应力远小于外衬的动应力,这对内衬是十分有利的。

　　(3) 动水压力和惯性力作用产生的内衬动应力与动应变较小,主要的地震响应在于外衬,与交通隧道相比,并无明显的不同。

　　4. 4　纵向地震响应

　　当地震沿隧洞纵向作用时,由于隧洞竖井连接部位的结构刚度不同,穿越的土层条件及荷载也不尽相同,因此,隧洞与竖井之间的变形一直令人关注。将隧洞按梁简化,隧洞纵向动力分析计算模型取自竖井与其相连的隧洞段,围土与结构的相互动力作用按三向弹簧分别进行模拟,弹簧系数按土层响应分析的收敛剪切刚度确定,地震波沿隧洞轴向传递。计算结果表明,土层与隧洞未相对滑动,隧洞衬砌弯曲应力和轴向应力分别为0. 38MPa和0. 43MPa,应力水平较低;竖井与隧洞水平向和竖向变位差分别为1. 44 mm和0. 5 mm,连接部位的结构和防水设施不会受到破坏。

　　5　结语

　　穿黄隧洞工程于2005年开工,南、北岸大型超深工作竖井的施工现已完成,上、下游线隧洞正在掘进。结合工程进度安排,现场正在实施隧洞衬砌1∶1仿真模型试验,期望通过模型试验,能够获取水工隧洞采用盾构法施工的结构特性数据。穿黄隧洞采用盾构法施工,拓展了盾构法施工的运用范围,其实践经验可供类似工程借鉴参考。

　　作者简介:张传健,男,长江水利委员会设计院枢纽处,高级工程师。