3.4.2.1 有限元计算模型
考虑到竖井与水平旋流段相接处体形及受力的复杂性，三维有限元网格模型原点选在桩号导0＋220.00m处（即竖井中心线处），z轴与大地坐标系重合，y轴与水平旋洞洞轴线平行，x轴由右手螺旋法则确定。模型的计算范围为：x：－47.50～53.00m，y：－27.0～27.0m，z：1852.14～1963.39m。计算模型见图3.10。
图3.10 起旋室有限元计算模型
（a）有限元计算模型；（b）锚杆单元
3.4.2.2 计算方案
为了分析研究外水压力的作用方式（面力或体力），锚杆支护及固结灌浆对衬砌结构稳定性的影响作用，计算了6个方案。各方案考虑因素见表3.5。
表3.5 水垫塘段计算方案
以上计算方案中，均考虑围岩开挖后的二次应力场及衬砌结构的自重。
3.4.2.3 计算结果分析
外水压力按面力加载时的主要计算成果整理见表3.6及表3.7。
表3.6 起旋室衬砌外水压力面力加载下有限元计算结果（灌浆作用比较）
续表
注 负号表示压应力。
表3.7 起旋室衬砌外水压力面力加载下有限元计算结果（锚杆比较）
注 负号表示压应力。(www.xing528.com)
外水压力按体力加载时的主要计算成果整理见表3.8及表3.9。
表3.8 起旋室衬砌外水压力体力加载下有限元计算结果（灌浆比较）
表3.9 起旋室衬砌外水压力体力加载下有限元计算结果（锚杆比较）
注 负号表示压应力。
由有限元计算可知，在外水压力作用下，竖井收缩段与起旋室衔接处为结构受拉区，该部位单元编号如图3.11所示。
该部位第一主应力为环向（水平）的压应力，第三主应力为竖直方向的拉应力。由有限元计算结果，整理出该部位外水压力以面力加载，考虑锚杆及固结灌浆作用情况［即计算方案（二）］竖直方向的应力，如表3.10所示。
根据起旋室受拉部位竖直方向应力，按照应力图形法确定该部位的配筋。为安全计，选择该部位最大竖向拉应力，即图3.12中单元1及单元9应力图形进行配筋计算：衬砌内、外侧需配置竖向受力钢筋截面面积为4423mm2／m，内、外侧需配置
32mm@20cm＋
12mm@20cm双层竖向受力钢筋（钢筋截面面积为4586mm2／m）即可满足结构承载力要求。
图3.11 起旋室受拉部位示意
表3.10 起旋室受拉部位单元竖直方向应力 单位：MPa
通过各方案有限元计算结果对比分析，可以得出以下结论：
（1）当考虑固结灌浆对固结圈内围岩物理力学参数提高后，衬砌内最大拉应力、压应力及位移值、锚杆应力都比不考虑固结灌浆时减小，说明固结灌浆有利于提高衬砌抵抗外水压力的稳定性，对衬砌外围岩石进行固结灌浆是必要的。
（2）各计算方案中锚杆应力值均比开挖后有明显的增加，而且当不考虑锚杆的作用时衬砌的应力、变形均比考虑锚杆作用时要大，说明锚杆有助于衬砌与围岩形成整体结构，共同承受外水压力，锚杆的设置是必要的。
（3）外水压力按面积力施加于衬砌外侧所得衬砌内最大压应力和最大拉应力都比外水压力按渗流体积力施加方案的要大，表明外水压力按面力计算是偏安全的。
（4）外水压力作用下，竖井收缩段与起旋室衔接处为衬砌的受拉区，是衬砌受力的关键部位，需要根据截面应力图形进行结构配筋；其他部位衬砌绝大部分都在受压区内，且最大压应力量值也在衬砌混凝土的抗压强度内，结构可按构造配筋。
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