摘 要：秦岭隧洞下穿椒溪河段埋深较浅，且运营期上方为三河口水库蓄水区，地质条件较差，为典型的高外水压力隧洞。采用ANSYS有限元程序，建立五种工况下的荷载结构模型进行计算分析，比较后选择安全合理的衬砌结构。通过计算，明确三河口水库对隧洞的纵向长度影响范围。提出施工注意事项，确保隧洞下穿水库段落的设计和施工安全。
关键词：荷载结构法， 隧洞下穿水库 ， 结构计算 ， 数值模拟
1.工程概况
秦岭隧洞是陕西省重点水源工程——引汉济渭工程的关键性控制工程，全长81.779km，由于其穿越秦岭山脉，隧洞里程长，地质条件复杂，设计、施工难度极大。其中秦岭隧洞越岭段在里程K2+840附近下穿椒溪河，其埋深仅为20m(上层9m鹅卵石层+下层11mⅤ类围岩)。且在后期隧洞运营期，河床上方为三河口水库蓄水区，最大蓄水深度为78m。同时该段落分布有fS3断层，其断层带主要物质组成为断层泥砾、碎裂岩，地质条件较差。
因此，为保证隧洞在施工及运营期的安全，需要对该段隧洞的衬砌结构进行专门的计算分析。
2.计算条件及标准
2.1 计算条件
本段隧洞属于典型的高外水压力隧洞，隧洞采用“初期支护+二次衬砌”的复合式衬砌，二次衬砌采用钢筋混凝土结构，全包防水设计。在检算衬砌强度时，分别考虑了五种工况：
①按全水头考虑，衬砌厚度为90cm的工况；
②按全水头考虑，衬砌厚度为100cm的工况；
③按全水头考虑，衬砌厚度为120cm的工况；
④衬砌厚度为100cm时，对比分析围岩承受部分水压，对水压力进行了适当的折减，折减系数取值0.8的工况；
⑤衬砌厚度为100cm时，水库排空的工况。
2.2 计算方法及假定
本文采用ANSYS有限元结构分析程序，采用荷载－结构方法，对复合式衬砌结构进行计算分析，意在使衬砌结构满足各阶段的承载能力和正常使用要求。荷载结构模型是我国隧道设计规范中推荐采用的一种方法。该理论认为地层对结构的作用只是产生作用在地下建筑结构上的荷载(包括主动地层压力和被动地层抗力)，衬砌在荷载的作用下产生内力和变形。
其计算基本假定如下：
(1)假定结构为小变形弹性梁，结构为离散足够多个等厚度直杆梁单元。
(2)用布置于各节点上的弹簧单元来模拟围岩与结构的相互约束；假定弹簧不承受拉力，即不计围岩与衬砌间的粘结力；弹簧受压时的反力即为土体对衬砌的弹性抗力。
2.3 计算荷载组合
(1)围岩压力
该段隧洞位于椒溪河河谷区域且埋深较浅，考虑到运营期隧道上方三河口水库水深较深，外水压力较大，根据《铁路隧道设计规范》，塌落拱高度hp=10.6m。此处，不考虑上层卵石层，隧洞埋深为11m，在此围岩压力按全土柱考虑，重度采用浮容重。
(2)外水压力
PB=whB
式中: PB作用于衬砌上外水压力，kN/m2；
W水的重度，kN/m3；
作用面积系数，试验值0.65～1.0，裂隙岩体宜采用1.0；
hB计算水头。
由于隧洞采用全包防水，故不考虑排水减压问题，在此按全水头考虑。
(3)荷载组合
荷载组合表 表1
由于外水压力为主要荷载，在上述工况中，施工期是不考虑外水压力的，因此，在此只检算运行期和检修期的衬砌强度。
3.结构计算分析
3.1 计算过程
鉴于文章篇幅所限，仅以工况②(即全水头+100cm厚衬砌)运行期为例，介绍结构的计算分析过程。
工况②运行期结构计算分析：
采用ANSYS有限元软件，基于荷载结构法建立计算模型如图1所示。
图1 工况②荷载结构模型示意
模型计算结果见图2~图5。
内力计算结果如表2所示：
工况②运行期内力计算结果 表2
其余工况建模及计算过程类似。
3.2 计算结果分析
通过对以上五种工况的计算分析，当水库排空不考虑水压时，结构安全由局部裂缝控制；在考虑全水压时，衬砌结构属小偏心受压构件，由强度控制，抗裂不控制，衬砌厚度为90cm时，最大配筋量高达每延米7ф32，衬砌越厚，配筋面积越小，当超过120cm后，构造配筋即能满足强度要求。考虑到工程造价和工程类比，在考虑全水压的情况下，隧洞下穿水库段选取厚度为100cm，每延米配筋5ф32的钢筋混凝土衬砌结构，此时结构亦能满足抗裂要求。
3.3 纵向长度影响范围计算
在对三河口水库和秦岭隧洞所处场地的地层特征、地质构造及库水渗透速等进行分析的基础上，评价水库蓄水后对隧洞工程的影响，并为隧洞结构的防护措施提出了建议。
依据《混凝土面板堆石坝设计规范》SL228-98，岩石地基的容许水力梯度应根据地基岩石的冲蚀性及其存在的缺陷情况确定。由于椒溪河段Ⅴ类围岩处于库区侵蚀范围，为安全起见按全风化考虑，围岩容许水力梯度取3，由此得出影响范围为L=98/3=32.67m。因此，在衬砌结构设计时，椒溪河段衬砌结构的使用范围应在河床底面宽度基础上向两端延伸，以保证隧洞排水断面距离水库水体间有厚度大于33m的围岩存在。
4.施工注意事项
(1)施工中应进行超前地质预报，并将其纳入正常施工工序。采用多种超前预报方法相互印证补充，达到超前预警的作用，确保施工安全性。
(2)做好超前支护措施。超前支护采用超前小导管支护，ф42注浆小导管L=3.0m，环向间距30cm，外插角5°~10°，其搭接长度不得小于1m。
(3)开挖过程中尽量减少一次进入断层或富水段的工作面积及长度，开挖时尽可能采用机械开挖，不宜采用爆破开挖。若必须采用爆破开挖时，坚持多打眼、少装药的弱爆破施工技术，减小对围岩的扰动。
(4)本段隧洞地处椒溪河河床下，岩体较破碎，导水性强，贯通性较好，施工时易出现突水、突泥，因此必须制定完善的防治措施及应急预案。
(5)做好施工中的监控量测，以随时了解隧洞围岩与支护的变形特征与受力状态，判断围岩的稳定性和支护的合理性，对下一步的设计与施工提供指导，实现动态设计与施工。
5.结语
为确保秦岭隧洞(越岭段)下穿椒溪河段落衬砌结构的安全，采用ANSYS有限元分析软件，分别检算了五种工况下结构的受力及强度，经对比分析，最终采用了厚度为100cm、每延米配筋5ф32的钢筋混凝土衬砌结构。同时，计算了三河口水库对隧洞的纵向长度影响范围，明确了椒溪河段衬砌结构的最小设计范围。在实际工程设计中，考虑到该段落分布有fS3断层带，地质条件较差，最终对340m的隧洞范围采用了厚度为100cm的加强衬砌结构。
在施工过程中应重视集中排水系统的设置，保持排水系统通畅，做好突水涌泥等突发性事故的预案和防治措施。同时坚持“管超前、短开挖、严注浆、强支护、快封闭、勤量测”的十八字方针，根据反馈信息及时调整开挖、支护参数，修改施工工序，确保施工安全顺利进行。
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