3.2 隧洞结构型式研究

3.2.1 设计标准

（1）按黄河300年一遇洪水设计，1000年一遇洪水校核。

（2）抗震按50年超越概率5%对应的基岩面加速度峰值0.158g设计。

（3）结构承载能力和正常使用控制标准按相关规范执行。

3.2.2 设计条件

（1）设计流量和衔接水位见表3.1。

（2）设计洪水。穿黄工程黄河设计洪水频率为300年一遇，洪峰流量14970m³/s，相应现状洪水位104.27m；1000年一遇校核洪峰流量17530m³/s，相应现状洪水位104.47m；全年20年一遇施工洪水洪峰流量11210 m³/s，相应现状洪水位103.93m。

（3）主河床最大冲刷深度为水面以下20m。

（4）隧洞过流表面糙率n=0.0135。

（5）隧洞覆盖土层厚度大于2倍隧洞直径，土压力按卸载拱计算。

（6）运行期最低水温2℃，当地年平均温度14.1℃。

（7）材料特性。管片采用C50混凝土，重度为26kN/m³，弹性模量为35GPa，线膨胀系数为10^-5m／K；内衬采用C40混凝土，重度为25kN/m³，弹性模量为33GPa，线膨胀系数为10^-5m/K；预应力钢绞线采用（1860级），其标准强度为1860GPa，弹性模量为180GPa，钢绞线与钢质波纹管之间摩擦系数按规范取值为0.25。

（8）隧洞地基按弹簧模型模拟，弹性抗力系数为40MPa/m。

3.2.3 隧洞结构型式研究

经过与深埋隧洞方案比较后，推荐以双线盾构隧洞穿越河床覆盖层的过河方案，其中过河隧洞自南岸进口建筑物起，以斜洞通过邙山，再在河床覆盖层中穿越黄河到达北岸，以竖井与出口建筑物相连，穿黄隧洞过河方案纵剖面示意图见图3.1。

穿黄隧洞为有压水工隧洞，初步设计阶段推荐采用双层衬砌，即在盾构法隧洞内设置预应力钢筋混凝土衬砌（以下简称预应力内衬方案），用以承受内部水压力。

3.2.3.1 隧洞主要布置参数

（1）隧洞为圆形断面，根据单洞输水量160m³/s（加大流量）确定直径为7m，为方便行车进洞检修，设有宽3.1m的车道平台。

图3.1 穿黄隧洞过河方案纵剖面示意图

（2）两隧洞间距为28m。

（3）隧洞按南高北低布置，南端和北端中心高程分别为72.45m和67.00m，最小埋深约23m，既避开了砂土震动液化带和河床冲淤变化区域，也方便了排水和施工。

3.2.3.2 衬砌结构

隧洞按双层衬砌，盾构施工过程所形成的外衬为普通钢筋混凝土拼装式结构，顺流向环宽1.6m，每环含7块管片，管片厚40cm，同环各块管片由4根30螺栓连接，各环之间由28根30螺栓连接，主要承受外水压力、土压力；内衬为预应力结构，按40cm间距布设1束1215.2的预应力锚索，主要承担内水压力，并满足裂缝控制要求。内、外衬之间设置防排水垫层。隧洞衬砌结构示意图见图3.2。

图3.2 隧洞衬砌结构示意图（单位：mm）

3.2.3.3 隧洞横向结构计算

（1）典型断面。选取李村线隧洞北漫滩桩号8+741.13剖面为典型断面，该剖面地层条件及隧洞埋深等要素见图3.3。

图3.3 典型计算剖面（单位：m）

（2）计算方法。按常规采用平面杆系有限元法进行衬砌结构计算。管片接头模拟采用接头分析模型；地层约束以不抗拉弹性链杆模拟；内、外衬间垫层，按可传递压力、不能传递剪力和拉力模拟。采用通用有限元软件计算，对计算得出的内力（轴力、弯矩）按规范方法进行结构设计。

（3）荷载及荷载组合。根据穿黄隧洞的施工过程及运行条件，拟定分期荷载组合见表3.2。

（4）主要计算成果。①外衬管片在第1期荷载组合下，轴力全部为压应力，弯矩以拱顶和腰部较大；管片内外侧应力均为压应力，管片各断面满足抗裂要求，其后各期内力无明显变化。②内衬各断面在第2期、第3期1、第3期2工况均全截面受压，其中第3期1工况内侧压应力从1735.6kN/m²（拱顶）到6496.9kN/m²（左侧锚具槽），外侧压应力从654.9kN/m²（左侧锚具槽）到8338.9kN/m²（拱底）；第3期2工况其内侧压应力从1378.8kN/m²（拱顶）到7109.3kN/m²（左侧锚具槽），外侧压应力从42.6kN/m²（左侧锚具槽）到866kN/m²（拱底）。③隧洞变形较小。第1、第3期叠加后，拱底与拱顶竖向相对变形-6.57mm，左右两侧水平向相对变形2.86mm，均满足变形控制指标要求。④外衬管片接缝螺栓最大拉力244kN（4根螺栓之和），衬垫均呈受压状态，最小压力829.4kN，各接缝始终处于闭合状态。总之，采用两层衬砌独立工作的结构方案，受力条件明确，工作可靠，内、外衬均可满足抗裂要求，结构性能较好。