斜洞衬砌荷载分布规律及内力分析

第44卷第3期山西建筑•162 • 2 0 1 8 年 1 月SH A N X I A R C H IT E C T U R E Vol.44 No.3 Jan.2018
文章编号：1009-6825 (2018) 03-0162-02
斜洞衬砌荷载分布规律及内力分析
刘晓盼1台航迪2康迎宾1
(1.华北水利水电大学水利学院，河南郑州450000 ;2.黄河水利勘测规划设计有限公司工程设计院，河南郑州450003)
摘要:对于长水工隧洞，为加快工期，常采用施工平洞或斜洞等施工支洞，以增加施工作业面，加快施工进度。

针对工程中斜洞 的运用,依据相关规范，分析其在超浅埋、浅埋以及深埋条件下的荷载分布规律;并根据新奥法理论,对斜洞支护的二衬分别进行 荷载不折减及荷载折减的有限元分析，分析结果显示两种情况下二衬内力有明显变化，经过复核计算表明按规范中选用二衬折减 满足实际工程应用。

关键词:斜洞，二次衬砌，荷载分担比
中图分类号:U455.91 文献标识码:A
〇引言
长输水隧洞，为满足施工要求,常在隧洞中部适当位置增设
施工支洞（平洞或斜洞），增加施工作业面，加快施工进度。

当前，新奥法是我国隧洞设计与施工的主要方法,其支护形式多采用复 合式衬砌。

目前，对二次衬砌的设计，暂时还没有一个完整而又 统一的设计准则。

究其原因，是对二次衬砌基本功能和作用机理 的看法不同。

由于认识的不统一性,对复合式衬砌中初期支护与 二次衬砲的荷载分配比例关系缺乏深人的研究[1]。

基于此，对于斜洞承受的荷载情况，依据《铁路隧道设计规 范》，研究其衬砲在超浅埋、浅埋及深埋条件下的荷载变化规律。

根据新奥法理论，对斜洞支护的二衬分别进行了荷载不折减及荷 载折减的有限元分析，研究二次衬砌设计的合理性。

1工程概况
某工程长距离输水隧洞，（6 + 150 ~ 9 + 850)段为长3. 7 km
土洞。

2号施工斜洞位于隧洞的6 + 600东北侧,洞底前25 m坡 度为1:11.224,在斜洞和主洞交叉位置DES2# 0 +295. 00桩号后 采用平坡,其他段（DES2# 0 + 025.00 ~ DES2# 0 + 295.00)洞底坡 度为1:10. 62。

其岩性为第四系上更新统琚湾组硬塑状的粉质粘 土，斜洞段埋深约为3.0m~30.0m,为V类围岩。

采用马蹄形断 面，断面净尺寸为6 m x6m(宽x高）。

一期支护为118型钢拱 架（间距50 c m) +25 c m喷混凝土 C25 +私5系统锚杆（L= 3 m，间排距1m) +挂钢筋网（小10@20><20)，二衬布置衬砌30 c m(底
板45 c m)厚钢筋混凝土。

2荷载分布规律
2.1斜调土压力的计算
根据T B 10003 —2005铁路隧道设计规范中规定：
1)浅埋隧道衬砌荷载计算方法：
j /入A tan^、
q = y h(l-——)
tar^S_ tan<^c
tan/3[ 1 + tan/3( tarupc - tan0) + tan<^c.tan0](1)
tan^S = tan<f>c(tan2<^ + 1) tan<^
tan<^c - ta n0
其中，S为坑道宽度，m;y为围岩重度，k N/m3#为洞顶地面
高度,m;0为顶板土柱两侧摩擦角，（°)，为经验数值;A为侧压力
系数;屯为围岩计算摩擦角，（°) #为产生最大推力时的破裂角，（°)。

收稿日期:2017-11-16
作者简介:刘晓盼（1990-),女，在读硕士；台航迪（1984-),男
2)深埋隧道衬砌荷载计算方法:
其中,〇>为宽度影响系数,c〇= l + i(S-5);S为隧洞宽度,m;
《为S每增减1m时的围岩压力增减率，当S<5 m时，取i= 0.2;
当S>5 m时，取 ^=0.1。

2.2深、浅埋隧道分界深度
根据T B 10003 —2005铁路隧道设计规范相关规定:以2. 5倍
A(深埋隧道垂直荷载计算高度）作为深浅埋的分界，围岩计算压
力高度由式(2)得：
=0.45 x2s_1w=0.45 x25_1 x1.21 =8.71 m。

其中,〇>为宽度影响系数,〇>= l+i(S-5) =1+0. l(7.1-5)=
1.21 为围岩级别，为V级围岩。

斜洞深浅埋分界深度，即：
丑分界=2.5/i= 21 •78 m〇
其中为深浅、埋斜洞分界深度，m;/i为围岩计算压力高度。

据此，f t=8.7l m，t f分界=2_5/j=2l.78m，即当埋深小于8.71m
为超浅埋，当埋深大于21. 78 m为深埋，介于两者之间定义为
浅埋。

斜洞段埋深约为3.0 m~30.0 m,由于浅埋隧洞计算荷载较
大，所以衬砌荷载按浅埋隧洞计算。

按式（1)计算，在计算中围岩压力由土柱重度代替，分别对覆
土层厚度为 ft= 1，5，9，13，17，20,21,22,22. 001，26，30 进行计算，
得到斜洞超浅埋、浅埋段围岩压力随着埋深的增大呈抛物线形式
增长，而深埋段围岩压力值与埋深无关。

把以上分析结果进行归纳整理，从结构偏于安全考虑，最终
斜洞的顶部垂直压力取值确定以下原则：
1)由规范规定的等效荷载高度可知，覆土层厚度大于22 m 时，则斜洞结构顶部垂直压力按8.71 m土柱荷载计算[2];
2)当覆土层厚度不大于22 m时，则斜洞结构顶部的垂直压 力按实际覆土厚度计算。

由上面分析可知，在洞顶地面高度为22 m时，土压力达到最
大，因此，选取该断面进行分析。

3二次衬砌内力分析
隧洞衬砲采用断面形式有多种，目前为止，大多以三心圆拱
形式为主。

荷载一结构模式计算的内力结果是其设计的依据。

在实际工程中，斜洞衬砌设计要求很高，正常使用阶段的衬砌一
，工程师；康迎宾（1965-),男，硕士生导师，
教授
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般处于弹性阶段。

由于衬砌主要受到压弯的作用，因此用弹性梁 对其进行模拟。

本工程以静力等效原则为准则，压力由相应节点 荷载替代。

1) 模型的建立。

根据《铁路隧道设计规范》相关规定，斜洞弹
性模量取20 G P a ,泊松比取0.2,围岩弹性反力系数取16 MPa /m 。

将全部衬砌划分为170个单元,并施加120个弹賛单元，采用梁单 元(Beam 3)模拟衬砌结构，其中仰拱处衬砌厚度为0. 45 m ,其他 处衬砌厚度取为〇. 3 m ;衬砌与围岩间的相互作用采用弹簧单元 (C o m b in l 4)进行模拟，弹簧沿径向布置在衬砌线的外侧，计算中 只考虑受压弹簧,因此对受拉的弹簧进行了弹性反力系数为〇的 处理。

2)
加载与求解。

本工程斜洞主要考虑的荷载:衬砌自身重 力+土压力+围岩弹性抗力。

利用A N S Y S 程序，对四周各节点施加X ，F 方向的约束，并施 加重力加速度，土压力由上面计算已得。

3.1
二次衬砌承受全部荷载的内力计算结果二次衬砌承担全部荷载的变形及内力结果如下。

图1弯矩分布图
图2轴力分布图
-769.919 -427.676 -85.432 3 256.811 599.054
-598.797 -256.554 85.689 4 427.933 770.176
图3剪力分布图
由图1 ~图3可以看出，斜洞二次衬砌结构受力特征为:弯矩 最大的地方为仰拱跨中，拱腰、拱顶和仰拱跨中弯矩依次增大;轴 力在仰拱上呈现出近似均匀受压分布的规律，最大轴力在仰拱与 拱脚交界处，拱顶、拱腰依次增加;剪力仰拱与拱脚交界的地方为 其最大值分布所在，且拱脚处的剪力比拱腰处要大，仰拱跨中和 拱顶处的剪力显示为〇,这是由荷载和结构都为对称结构引起的。

对于压弯构件来分析，拱脚部位属于刚域区域，计算中不予考
虑，拱顶、仰拱和拱脚相交处以及仰拱处弯矩分别为253 k N _ m , 273 k N . m ,904 k N . m ,轴力分别为 599 k N ,l 028 k N ,585 k N ,剪 力分别为〇 k N ，215 k N ，0 k N 。

由以上计算结果可得:仰拱和拱脚
相交处、拱顶及仰拱配筋率分别为2 868 m m 2,3 020 m m 2, 3 980 m m 2，按照偏心受压构件配筋，间距为200 m m 对称配筋显 然是不能满足要求的。

3.2折减后内力计算
由JTG D 70 — 2004公路隧道设计规范规定可知，对复合式衬 砲中的二次衬砌，V 类围岩要求作为承载结构，其分担围岩压力
比例为60% ~ 80%。

本隧洞选取比例70%。

不考虑拱脚部位属于刚域区域，二次衬砌承担折减后的荷载
与承担全部荷载的变形及力学行为特征是相同的，只是数值上发
生了很大的变化。

拱顶、仰拱和拱脚相交处以及仰拱处弯矩分别为 184 k N • m ，l 94 k N • m ，656 k N • m ，轴力分别为似1 k N ，738 k N , 415 k N ,剪力分别为0 k N ,l 5〇 k N ,0 k N ,配筋率分别为2 I ® mm 2, 1 846 m m 2,2 885 m m 2。

按照偏心受压构件配筋，墙角和拱顶配置 53>25钢筋，仰拱衬砲采用1 000 m m 能够满足截面配筋要求。

4
结语
本文结合实际工程和有关文献研究，对斜洞衬砲超浅埋、浅埋、 深埋条件下的荷载规律进行研究,结合工程实际，对二次衬砌荷载不 折减与荷载折减后的计算结果进行了比较分析，主要结论如下：
1)
斜洞超浅埋、浅埋段围岩压力随着埋深的增大呈抛物线增
长，而深埋段围岩压力值不随埋深的变化而变化的，即围岩压力 值与埋深无关。

2)
依据本文的研究成果,斜洞的二次衬砌结构受力危险部位
拱顶、仰拱与拱脚相交处以及仰拱处在荷载折减后满足截面配筋 要求，仰拱部位在工程设计中应适当加大尺寸。

斜洞选用规范中 折减二衬承受荷载符合工程实际。

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JTG D 70—
2004，公路隧道设计规范[S ].
Load distribution regularity
and internal force analysis of inclined cave lining
Liu Xiaopan1 Tai Hangdi2 Kang Yingbin1(1. School of North China University of Water Resources and Electric Power , College of Water Conservancy , Zhengzhou 450000, China ；
2. Yellow River Engineering Consulting Co . , Ltd , Institute of Engineering Design y Zhengzhou 450003, China )
Abstract ： For the lo n g h yd ra u lic tu n n e l , the cave or in c lin e d cave is always as the measure to accelerate the construction period or w ork face and
speed up the con structio n progress . U sing the relevant standard and basing on the in c lin e d cave a p p lica tio n in e n g in e e rin g , th is paper analyzes the re g u la rity o f in c lin e d cave w h ich is u n der the con ditions o f super shallow b u rie d , shallow b u rie d and deep b u rie d . A cco rd in g to the N A T M th e o ry , the fin ite elem ent analysis ca rrie d o u t , w ith the second lin in g o f the in c lin e d cave on the load and the load re d u c tio n . I t indicates th a t the in te rn a l force o f second lin in g have obvious changes and g ivin g results th a t the second lin in g on load re d u ctio n w ith the standard can satisfy the actual engineering by the review c a lc u la tio n .
Key words ： in c lin e d c a v e , second lin in g , load sharing
ratio。