涵洞与隧洞

第七章 水工隧洞与坝下埋管第一节 概述一、水工隧洞得类型 分类方法：按功用分、按受力状态分。(一) 按功用分：(1) 泄洪(2) 引水：发电、灌溉、供水；航运输水。(3) 排沙(4) 放空水库(5) 施工导流(二) 按受压状态分：1(1) 有压：水力计算、管流计算I在工程布置1受力情况(2) 无压：明渠流计算J运行条件上差别较大。(同一条洞前段有压，后段无压) 禁忌：明满流交替 危害：( 1 )易引起振动、空蚀。(2)影响泄流能力。 具体道一个工程，究竟采用有压或无压，应通过技术、经济比较后确定。二、水工隧洞得工作特点( 1 ) 水力特点：深泄水孔：a泄水能力于H1/2成正比。B 进口位置低，能预泄。C 承受得水头较高，易引起空化、空蚀。D 水流脉动会引起闸门等振动。E 出口单宽流量大，能量集中会造成下游冲刷。( 2) 结构特点：a 洞室开挖后，引起应力重分布，导致围岩变形甚至崩塌，为此常布置临时支护和永久 性衬砌。B 承受较大得内水压力得隧洞，要求围岩具有足够得厚度和必要得衬砌。( 3) 施工特点： 隧洞一般断面小，洞线长，工序多，干扰大，施工条件差，工期较长。三、水工隧洞得组成主要包括下列三部分：( 1 ) 进口段( 2) 洞身段( 3 ) 出口段四、水工隧洞得布置及线路选择(一) 总体布置及线路选择1总体布置( 1) 应根据枢纽得任务，对泄水建筑物进行总体规划。( 2) 在合理得选定洞线得基础上，根据地形、地质、水流条件，选定进口得位置及进口 结构形成，确定闸门在洞口中得位置。( 3) 确定洞身纵坡及洞身断面形状及尺寸。( 4) 根据地形、地质、尾水位等条件及建筑物之间得相互关系，选定出口得位置，底扳 高程及消能方式。（二）线路选择 选线室设计中得一个至关重要得问题，它关系到工程造价、施工难易、工期长短和运 行可靠性等方面。（1） 隧洞得线路应尽量避开不利得地质构造，围岩可能部稳定及地下水位高，渗流 量丰富得地段，以减少作用于衬砌上得围岩压力和外水压力。（2） 洞线在平面上应力求短直，这样既可以减少工程费用，方便施工、减少水头损 失，便于施工。必须转弯时，其直线半径不宜小于5倍得洞径或洞宽，转角不宜大于600弯道 两端得直线段不宜小于5倍洞径（或洞宽）（3）隧洞应有一定得埋藏深度。（4）隧洞感的纵坡，应根据水利条件运用要求、用途、上下游衔接、施工和检修等 因素综合分析比较后确定。（5）对于长隧洞，选择洞线时还应注意利用地形、地质条件、布置一些施工支洞、 斜井、竖井，以增加工作面，加快施工进度。（6）要考虑进出口于其它建筑物的关系：如果水库所建的坝时土石坝，则进口应距离坝坡50M以上，出口应距离坝坡100M 以上，以免水流冲刷坝坡。排沙洞，为了保证电站进水口免受泥沙淤积威胁，故排沙洞进口布置在靠近电 站进口的上游侧，高程比电站进水口低，以使电站进口在其拉沙漏斗范围内。泄水隧洞的出口方向要与下游的河道衔接顺畅，减轻对岸边的冲刷。 每一个初步方案均应用平面图和纵剖图来表示： 平面图表示出：地形、隧洞和其它建筑物的关系，进口位置、闸门位置、施工旁洞、 竖井、堆渣地点等。纵剖面图表示出：地质构造、断层破碎带以及其它地质特点，以及进出口及闸门位置、 底坡的坡率、洞底高程。（三）闸门在隧洞中的布置 泄水隧洞中一般布置工作闸门，检修闸门（或事故闸门） 1 检修门：设在进口 2工作门：可以布置在进口、出口或隧洞中某一位置。（1）布置在进口：一般为无压洞也可以是有压洞。（平时利用闸门挡水，保持洞内无水）（2）布置在出口：有压洞。（3）布置在洞身某一位置A 由于地形、地质、施工和枢纽布置1 的原因，隧洞线路需要转弯，闸门室易 布置在转弯段后的直线段上。B 洞内某处较出口处的地质条件好，工作闸门布置在洞中，可以利用岩体承受 闸门传输的水动力。（ 四） 多用途隧洞的布置一洞多用，或临时任务与永久任务相结合 这样可减小工程量，降低造价，也可解决枢纽中单项工程过多造成布置1 的困难。 1泄洪洞与导流洞合一布置常作成“龙抬头”式，在进口之后用抛物线段、斜坡段、及反弧段与较低的洞身相连接。“龙抬头”式泄洪洞，一般式水头高，流速大，反弧及下游易遭空蚀破坏，为了避免空蚀， 应做好体形设计，控制施工质量。限制不平跨度，并选用适当的掺气减蚀措施。 2泄洪洞与发电洞合一布置布置型式：存在问题：1）岔尖处的水流流态复杂，容易产生不利负压合空蚀。2）泄洪时堆发电不利。3泄洪洞与排沙洞合一布置 排沙洞进口高程低，在施工期可做导流洞用。 问题：1）闸门压力大，启闭困难。（洪水期开启，水头高）2） 泥沙堆积，闸门不易开启第二节 进出口段建筑物、形式及计算要点 按布置与结构形式分为：竖井式、塔式、岸塔式、斜坡式。适用条件优缺点计算要点竖井式：地质条件好 地形适宜 干井一弧门 湿井一平门优：结构简单、不受风浪、水 的影响，抗震及稳定好，地形 条件适宜时，工程量较小。缺:竖井前的一段隧洞检修不 便。沿井的不同高度，截取断面， 按单位高度的封闭或框架进 行分析。塔式：岸坡低缓，岩石破碎 或覆盖层较厚。优：对于取水用的封闭塔，可 在不同咼程设置取水口，取用 上层温度较咼的清水。缺：受风浪、地震、冰的影响 大，稳定性相对较差，需要工 作桥与库岸相连。塔身时直立的悬臂结构，需计 算塔身的抗倾、抗滑稳定。按 封闭框架计算单位的高度的 横断面的水平应力，按悬臂计 算铅直应力（将立体框架简化 成平面问题计算）岸塔式：岸坡较陡，岩石比 较坚固稳定。优：稳定性比塔式好，施工、 安装比较方便，无须接岸桥 梁。缺：受风浪、冰、地震优一定 影响。基本方法同塔式，另外应考虑 塔背是否作用有岩石压力。斜坡式：完整的岩坡，地形 适宜，闸门及拦污栅的轨道 直接安装在斜坡的护砌上。优：结构简单，施工、安装方 便，稳定性好，工程量小。缺：闸门面积加大，关门时不 易靠自垂下降。、进口段的组成部分： 包括：进水喇叭口、闸门室、通气孔、平压管、渐变段等几部分。（一）进水喇叭口位置：在隧洞的首部要求：其体形与孔口水流的形态相适应，使水流平顺通过，而不致脱壁。 避免产生不利的负压合空隙破坏。 减少局部水头损失，以提咼泄流能力。体型：常采用矩形断面，顶板和边墙顺水流方向三面收缩，平底。喇叭口的顶板和边墙常采用椭圆曲线，其方程为：x2y 2+ = 1 a 2b2式中：a 长半轴顶板约等于闸门处的孔口高度（H）边墙约等于闸门处的孔口宽度（B） b短半轴顶板：H/3边墙：（ 1/31/5） B 对于重要的工程，进口曲线，应通过水工模型试验确定。 无压隧洞的压力进口顶板，在检修闸门上游通常式一段倾斜的椭圆曲线，以便与检修闸 门和工作门之间的顶板衔接，此顶板以1： 41： 6的坡度向下游缩，以增加进口段的压力，防 止发生空蚀。检修门槽前的入口段长度可控制在（0。81。0）倍工作闸门处的孔口高度范围内。检 修门槽与工作闸门之间的顶板也应布置成压坡段，（目的：收缩断面进一步改善进口的压力分布 和水流流态）。（二）通气孔1. 位置：设在泄水隧洞进口或中部的工作闸门之后。设在检修门和工作门之间。2. 作用： 工作闸门在各级开度情况下：补气 检修时：补气。 检修完毕，工作闸门和检修门之间充分输水直至平压，此时排气。3. 布置上注意点： 通气孔的进口必须与闸门启闭机室分开，因为进口处气流速度大，以免在补气、排 气时，影响工作人员的安全。VW4045m/s 孔管应力求减少转弯，突变，以减少阻力。4. 通气量的计算及通气孔设计 通气孔应按正常的泄流情况设计，其断面多为圆形，其大小决定于通气量和允许风速。 通气量与泄水流量及下游洞内流态有关。目前多采用一些经验公式或半经验公式。对于泄水隧洞中的工作闸门和事故闸门的通气孔：Q = 0.09V AawQaV aA隧洞断面积对于高水头大型工程中重要闸门后的通气孔（无压隧洞或管道）式中：9 风速系数，取0。6aB闸门处孔口宽度（M） a通气孔断面面积L 闸门后的隧洞的长度aV 闸门孔口处的水流流速，m/sowA 闸门后隧洞或管道水面以上空间面积（m2）,通常AvO.3AaaA闸门后的隧洞或管道断面积计算的先假定a、求得Q后，再以V = Qa，验算V，确定其是否超过允许风速aa aaV < V = 40 50m / s 。aa否则，重复上述计算，直到满足为止。 检修门后得通气孔面积，一般以大于或等于充水平压阀的面积为宜。（三）拦污栅（四）渐变段、闸门室及平压管第三节 洞身形式与构造一、洞身断面形式 洞身断面形式，取决于水流条件（有、无压），施工条件，地质条件及适用要求。（一）无压隧洞的断面形式1城门洞形（圆拱直墙形） 优点：施工（开挖、立模、衬砌）简单，为渠道上的隧洞其进出口与渠道连接也 简单。适用：垂直山岩压力较大，而无侧向山岩压力或侧向山岩压力很小的情况。为减 小或消除侧向山岩压力，可把边墙作成倾斜的。2 马蹄形： 适用：岩石比较软弱破碎，垂直山岩压力和侧向山岩压力均较大的情况。3 圆形 适用：围岩条件较差，且外水压力较大，掘进机施工。（二）有压隧洞的断面型式1. 断面一般采用原形，其原因：Q水流条件和受力条件均有利。Q在面积一定的条 件下，圆形过流能力最大。2. 在围岩较好，内水压力不大时，为了施工 方便，也可采用无压隧洞常用的断面形 式。二、洞身断面尺寸 洞身断面尺寸，可根据给定的泄流量，作用水头及纵断面布置，通过必要的水力计算及水工模型实验确定。导流洞尺寸与围堰高度有关，涉及到经济因素。水力计算内容：1. 有压隧洞p任务：核算泄流能力及沿程压坡线（z + ，侧压管水头线）Y泄水能力按管流计算Q2gH/出'（80 90）%式中：卩一一考虑沿程和局部阻力的系数。隧洞出口断面面积（约为洞身面积的8090%）H上下游水位差（作用水头）为了保证洞内水流处于有压状态，一般要求洞顶应有2M以上的压力余幅，流速大压力余幅也 大。采用缩小出口断面面积增大压力，减免负压和空蚀。2 无压隧洞计算泄水能力，0表孔式进口，按堰流计算。Q深式短管式进口，泄水能力决定于进口压 力段，仍用有压管流计算，但系数卩随进口段局部水头损失而定。（一般在0.9左右，不考虑沿 程损失，因为距离短），为工作闸门处的孔口面积。工作闸门之后的陡坡段，可用能量方程分段求出其水面线，为了保障洞内为明流（稳定的） 状态，水面线上应有一定净空。流速低，通气良好：净空面积不小于隧洞断面面积的15%，高度240cm。 流速高：要考虑掺气和冲击波的影响，在掺气水面以上的净空约为洞身面积的1525%。对于城门洞形断面，冲击波峰还应限制在直墙范围内。3 还应考虑到施工和检查维修等方面的需要非圆形不小于 1.5x1.8m （高）圆形内径不小于 1.8m三、洞身衬砌（一）功用1 阻止围岩变形的发展，保证围岩稳定。2承受山岩压力、内水压力及其它荷载。3 防止渗漏。4 保护岩石免受水流、空气、温度、干湿变化等的冲蚀破坏作用。5 减小隧洞的表面糙率等。（二）类型1 护面：平整（或抹平）衬砌 采用混凝土、喷浆、砌石等护面，不承受荷载。作用：减少糙率，防止漏水。适用：岩石较好，水头较低的情况。 优点：造价低，施工方便。2 单层衬砌适用：中等地质条件，断面较大，水头较高，流速较大的情况。 采用：混凝土、钢筋混凝土、浆砌石。11混凝土、钢筋混凝土的厚度一般为洞径或跨度的6百，且不小于25cm。8 123 组合衬砌01 内层为：钢板、钢丝网喷浆外层为：混凝土、钢筋混凝土Q顶拱为混凝土，边墙为浆砌石（围岩好，边墙护面）顶拱喷锚支护，边墙底板为混凝土或钢筋混凝土（无压洞）Q先喷锚支护，再做混凝土或钢筋混凝土衬砌。4 预应力衬砌 以隔河岩为例子发电引水洞 适用：高水头有压隧洞 衬砌型式的选择，应根据隧洞能担负的任务，地质条件，断面尺寸，受力状态， 施工条件等因素，通过综合比较后确定。（三）、衬砌分缝分缝原因：混凝土或钢筋混凝土衬砌在施工和运用期Q由于混凝土的干缩和温度应力可能产生裂缝Q当隧洞穿过地质条件变化显著地区（通过断层、破碎带及其它软弱地带）可 能由于不均匀沉降而产生裂缝。Q施工只能是分块分段浇筑。1. 施工缝（临时）/ 横向（垂直轴线）间距由浇筑能力定（一般与伸缩缝、沉降缝合在一起） 纵向（平行轴线）根据浇筑能力，缝设在顶拱，边墙及底板分界处或是内力较小部位。施工缝需进行凿毛处理或设插筋以加强其整体性。2. 沉降缝（永久）设置部位：Q通过断层破碎带或软弱带：衬砌加厚，厚度突变处。Q洞身与进口渐变段等接头处，可能产生较大位移的地段。缝中设止水，填沥青油毡或其他填料。3. 伸缩缝（永久）防止混凝土干缩和温度应力而产生的裂缝。缝的间距约为612m,缝中设止水。 实际施工中：横向施工缝、沉降缝、伸缩缝，尽量结合在一起。（四）灌浆（回填、固结）1 .回填灌浆 目的：为了充填衬砌与围岩之间的空隙，使之紧密结合，共同工作，改善传力条件和 减少渗漏。做法：在顶拱部位预留灌浆管，在衬砌完成后，通过预埋管进行灌浆。 灌浆范围：一般在顶拱中心角9001200以内。压力：23kg/cm2 （过去会破坏衬砌结构）孔距、排距：一般为26cm （深入岩体几厘米）3）固结灌浆 目的：在于加固围岩，提高围岩的整体性，减小山岩压力，保证岩石的弹性抗力， 减小地下水对衬砌的压力。范围：整个断面。压力：一般为1.52.0倍内水压力。（410 kg/cm2）一般深入围岩25m，对于围岩条件差的地段或直径较大的隧洞达610m。 排距：24m,每排不宜少于6孔，作对称布置。灌浆时应加强观测，防止洞壁产生变形或破坏。当地质条件良好，围岩的单位吸水率v0.011/min.m,可不进行灌浆。 回填灌浆孔、固节灌浆孔通常分排间隔排列。（五）排水作用：降低作用在衬砌上的外水压力。1. 有压洞：外水压力一般不控制衬砌设计.加强固节灌浆（防渗）必须时在底部的衬砌下面设纵向排水。2. 无压洞：外水压力较大时，设置排水（径向、纵向）径向：在洞内水面线上通过衬砌设置排水孔排水孔距、排距一般为 24m 深入岩体24'm,将地下水引入洞内。在洞内水面下也有设置排水孔，（如刘家峡电站导流洞），因为隧洞放空后，底板及侧墙难以满 足抗浮稳定。纵向：排水设在衬砌底部。总之，一般说来，有压洞的外水压力能抵消一部分内水压力，除外水压力起控制作用的特殊情 况外，不需设排水，特别是有压洞覆盖层厚的进口附近，地质较差的地段，特别是围岩内存在 易溶填充物，不宜设排水，而是加强固节灌浆。第四节 隧洞的圆形衬砌计算 目的：核算在设计规定的荷载组合条件下衬砌的强度，使之满足规范要求。 计算方法：一案：Q将围岩与衬砌分开，按文克尔假定考虑围岩的弹性抗力，衬砌上承受各项有关荷载， 然后按超静定结构解算衬砌内力。缺点：与实际情况不太吻合。（本书讲的就是这种方法）Q采用衬砌常微分方程边值问题数值解法。二案：有限元法：将围岩与衬砌视为整体，其准确性取决于：计算模型原始参数 E、 C 等岩体性态复杂多变，上两者难以准确确定。一、荷载及荷载组合 作用在水工隧洞衬砌上的荷载有：山岩压力、内水压力、外水压力、衬砌自重及灌浆压力 温度荷载、地震力等。其中内水压力，自重比较明确，而其余的力只能再一些简化和假定的前提下进行近似计 算。（一）围岩压力（山岩压力） 隧洞开挖后围岩变形或塌落作用在支护上的压力。影响山岩压力大小的因素：围岩的地质3 条件和力学特征（强度和变形性能节理，裂隙的 分布和发育情况）；初始应力，地下水，隧洞的走向，埋深和几何形状；开挖方法；衬护时 间，衬护形式。影响因素很多且错综复杂，难精确计算。目前，确定围岩压力的方法：1. 松散介质理论（塌落拱法） 此方法视岩体为具有一定的凝聚力的松散介质，在洞室开挖后，由于岩体失去平衡形 成“塔落拱”，拱处的围岩仍保持平衡，拱 内岩块重量就是作用再衬砌上的荷载山岩 压力。普氏用“坚固系数” fK （亦称拟摩擦系数），代替岩石颗粒间的真实摩擦系数：普氏观测试验资料，制成各种岩石fK分类表。最坚硬的岩石fK达20；最差（松，散）fK只有0。3普氏推导出塔落拱的形状为抛物线，塔落拱高度h按下式计算: 两侧无滑动面时：两侧有滑动面时： 没有侧向山岩压力作用岩体中的隧洞i. 隧洞顶是平的，洞顶受到山岩压力的压强量qii. 曲线形洞顶：（认为铅直山岩压力可以减少30%）侧向山岩压力计算e1e2为水平山岩压力强度在洞顶面处在洞底面处为简化计算，在设计中多采用e1e2的平均值，即e= （ee?） /2作为均匀侧向水平山岩 压力。对于中等坚硬以上的强度有关，而并未考虑到山岩压力有关的其它因素，因而理论上比较 粗糙，实践也证明是很很不准确的。2围岩压力系数法1）1966 年水工隧洞设计暂行规范建议的方法：用“山岩压力系数法确定山岩压力”：铅直向强度：水平向强度：山岩压力系数并不是实测成果，而是结合已建成的工程，对普氏理论中坚固系数fK分 析整理得出的经验数据，粗略地反映了节理、裂隙或风化程度的影响，但并未克服普氏法 的根本弱点。2）我国1983年水工隧洞设计规范 根据全面分析，综合考虑的原则，采用从工程实际出发用经验估计的方法，即提出首先 坝功臣所在的围岩进行分类，然后按围岩的类别采用经验公式计算围岩压力。3弹塑性理论法： 此法是在理论化的基础上，简单的地质条件推导出来的，难以反映实际情况。 岩体的工程地质，水文地质条件错综复杂，山岩压力显然不能用一个简单的公式予以概括。（二）围岩的弹性抗力 当衬砌承受荷载向围岩方向变形时，将受到围岩的抵抗，这个抵抗力叫弹性抗力。弹性抗力的大小和性质与工程地质条件有密切的关系：坚固完整的岩石，弹性抗力大；围 岩软弱破碎，弹性抗力小，甚至不能利用。为了减少山岩压力，有效地利用弹性抗力，常对围岩进行灌浆加固，并填实衬砌与围岩间 的空隙，以保证衬砌与围岩紧密相接。弹性抗力的计算：通常假定岩石为理想弹性体，按文克尔假定，认为岩石的弹性抗力P与衬砌的变位Y成 正比，即：P=KY式中K弹力抗力系数K表示能够阻止面积为lcm2的衬砌变位1cm所需的力，如果P的单位式KN/ cm3,附：对于有衬砌的圆形有压隧洞，可以看作式位于理想弹性体围岩中一个厚壁圆筒经验和分析说明：在同样得围岩中，洞径大，K值小；洞径小，K值大。而且大致成反比。 为了计算方便，人们采用半径围lm得圆形坑道得K值，作为标准，用K0表示(亦称单位弹性 抗力系数)当用m为单位时：以 cm 为单位时说明：K0值可以“查表” “类比” “按上式计算求得”最好得办法式现场实测。影响弹力抗力系数的因素很多，而且整个隧洞不一定用同一个K0值。 在隧洞的衬砌计算中，考虑了弹性抗力，可抵消一部分作用于衬砌上的荷载，因而降低计 算出来断面中的拉应力，设计结果，衬砌厚度可以减小，节约建材。在什么情况下可考虑弹性抗力1 有压隧洞：1) 围岩厚度大于隧洞开挖直径的3倍。2) 洞周没有不利的滑动面，在内水压力作用下不致产生滑动和抬动。3) 衬砌和围岩的空隙，必须回填结实。4) 围岩厚度大于内水压力水头的 0。 4 倍。2无压隧洞：弹性抗力只存在于衬砌变位向着围岩 的部分，而不产生于背着围岩部分，因此，它在外周 的分布形成，随着衬砌的不同而不同。(三) 内水压力及外水压力1 内水压力1) 无压隧洞：只要算出洞内的水面曲线，即可确定内水压力。2) 有压隧洞：内水压力式有压隧洞中的重要荷载，常对衬砌的计算起控制作用。 为了使计算简单，将有压隧洞中的内水压力分解为两部分：均匀内水压力+非均匀无水头满水压力 均匀内水压力的强度是：洞顶内壁到设计水位先之间水头引起的( ) 无水头满水头压力是指洞内刚刚充满水的情况：洞顶压力为0，洞底压力为 有压引水发电隧洞：内水压力=全水头+水击引起的压力增值。2外水压力（地下水压力）外水压力是地下水头引起的，规范规定：是作用在衬砌外表的边界力。外水压力J对无压隧洞径常引起控制作用对有压隧洞径则对内水压力有抵消的作用。地下渗流的情况十分复杂，影响因素也多，准确值无法确定，常用的方法：1. 规范：将地下水面以上的水柱高乘以折减系数B作为外水压力值。B值视地质、水文地质及防渗、排水等情况而言。本方法简单方便，在工程上一直广泛应用（虽然近似粗略）。2. 围岩于衬砌组成一个紧密结合的整体，两者又都是不同程度的透水材料，因此内外水是连通的，不能截然的分为内、外水压力，即不应将外水压力视为一种边界力，而应 视为在一定边界条件下，隧洞在地下水位以下的空间渗透力，通过渗流场计算，可以 求得作用在衬砌外表面得水压力。如果视钢板衬砌，外水压力才是边界力。（一）衬砌自重衬砌自重是指沿隧洞轴线lm长的衬砌的自重，均匀作用于衬砌厚度的平均线上，计算的厚度应考虑平均超挖回填部分，其平均厚度可取0。10。3m单位面积上的自重强度g为：（二）灌浆压力1. 回填灌浆1）产生原因：衬砌在施工时，其顶部与围岩之间难于填满而留有空隙，需要进 行回填灌浆。2）荷载性质：主要是存在于施工完建时期的荷载，完建以后，即逐渐减少（因 水流的凝固，灌浆压力即逐渐消失）属施工情况的临时荷载。3）分布规律：与地质条件、施工方法关系很大。通常认为：分布载顶部中心角 9001200 以内。沿衬砌背部均匀分布，并与背部正交（径向分布）。4）施工灌浆压力值：一般为23kg/ cm2。2。固结灌浆 均匀分布于整个隧洞断面周围。（三）温度应力产生的原因：衬砌之外的围岩阻碍衬砌自由胀缩，所以载衬砌内部产生温度应力。n施工期：混凝土的水化热荷干缩。1运用期：水温的变化，气温的变化对洞的影响小。升温时产生压应力，降温时产生拉应力.混凝土耐压不耐拉，故温降为控制情况，隧 洞衬砌混凝土能承受的降温度只有710°C,超过则产生裂缝。 减小温度应力的工程设施：施工期：选择适宜的水泥（低热），控制水灰比，加强养护，缩短浇筑的长度（洞线轴 向），配置适量的温度钢筋。如何考虑，如何计算？非寒冷地区，影响较小，一般不考虑。寒冷地区： 有压圆形隧洞，根据弹性理论折算为等效内水压力。例：有压圆形隧洞，内直径4米，花岗岩丫= 2.5Tm3，衬砌厚0.40米，岩石原始温 度T=12°C,冬季平均最低温度0.2,，混凝土浇筑温度T二12 °C,混凝土在水中的膨胀值相 当于Tf = 5 C,求衬砌温度应力相当于多少内水压力？AT 二 T t - T = 12 - 0.2 5 = +6.8 C （温降）10AT 使坑道半径减小P = 1.607kg / cm 2P衬砌温度应力，相当于内水压力16m水头。 无压隧洞，在确定温差后，那结构力学的方法计算内力。（七）地震力地震力对埋置在地下建筑物的影响远小于对地面建筑物的影响。埋置较深的比埋置较浅 的要小。隧洞埋在地下深处，与围岩紧密结合的衬砌，地震对其影响很小，洞身设计时一般不予考 虑。但当隧洞通过设计烈度高于 8 度，特别是地基较弱，围岩破碎和节理发育地区，则应进行 抗震计算。对隧洞进出口建筑物，应按规定进行抗震设计。（八）荷载组合基本荷载：山岩压力、衬砌自重、正常水位或宣泄设计洪水时的内水压力和外水压力。特殊荷载：校核水位时内、外水压力、灌浆压力、温度荷载、地震力、施工荷载等。衬砌计算时常采用下列荷载组合：基本组合： 1。正常运行情况：山岩压力+衬砌自重+宣泄设计洪水时内水压力+外水压力。不同地段岩石情况不同：计弹性抗力不考虑弹性抗力不同温度的情况不同：北方 考虑温度荷载非寒冷地区 不考虑温度荷载特殊组合： 2。施工、检修情况：山岩压力+衬砌自重+可能出现的最大外水压力3非常运用情况：山岩压力+衬砌自重+宣泄校核洪水时的内水压力+外水压 力。正常运用情况，用以设计衬砌的尺寸和进行配筋，其它情况用来校核。二、 圆形有压隧洞的衬砌计算 有压隧洞多圆形断面。在大多数情况下，它的主要荷载是内水压力，此外尚考虑山岩压力、 衬砌自重、外水压力等。由于内水压力比较大，更应充分利用围岩的承载能力，为充分利用围岩弹性抗力，应尽量 使衬砌与围岩紧密结合。计算步骤：指各种荷载单独作用下，求出衬砌中的弯矩和轴力，然后根据荷载组合进行迭 加。本书介绍的方法：弹性特征因素法根据弹力厚壁管公式，推导出来设计混凝土和钢筋混凝土，有压圆形衬砌的方法。本方法适用：埋深度大于三倍洞径。岩体坚固系数6，（仅均匀内水压力作用）内水压力在 20m 以下，用素混凝土。超过20m,宜用钢筋混凝土。（一）均匀内水压力作用下的内力计算 计算方法的基本原理：将衬砌视为无限弹性介质中的厚壁圆管,根据衬砌和围岩接触面的径向变位相容的条件，求出以内水压力P所表示的弹性抗力P ,再利用轴对称受力圆管 0的弹性力学厚壁管公式计算衬砌的抗力。如图所示，在内水压力P的作用和弹性抗力P作用下，按图衬砌在均匀水压力弹性理论平0面变形情况，求得厚壁管管壁任意半径r处的径向变位u为：r（1 +卩）（1 一 2卩）+ 3）2（Y）2 + （1一 2卩）tu = -p 一一E12 - 112 - 12P 0取r二r，得衬砌外缘的径向变位u为:eer (1 +卩)r(1 一 2 卩)+11 + (1 一 2 卩)t 2Ue=r F P 一12 - 1 P0式中E衬砌材料的弹性模量; 卩衬砌材料的泊松比；衬砌外半径之比，r r + h ht = -e 二二 1 + r r riii当开挖的洞壁作用有P0时，按文克尔假定，洞壁的径向变位y =% K = P0此处，K为岩石的弹性抗力系数，Ko为单位弹性抗力系数。根据变形相容条件，y - U，整理后可得围岩的弹性抗力为p0818)E 一 K (1 + u )A 二0E + K (1 + u)(1 2u)0819)A为弹性特征因素，式中的E、K分别以kPa和KN/m3计；若以kg /cm2和kg /cm3为0单位，则需要将式中的E改为0.01E。按弹性理论的解答，厚壁管在均匀内水压力p和弹性抗力竺作用下，管壁厚度内任意半径r处的切向正应力b为t1 + （二）212 + （二）2rrb = r p t t2 -1t 2 -1p0820）将式（818）代入式（820）,分别令r = r，r =,即可得到单层衬砌在均匀内水压力p作用下边缘切向拉应力b和外边缘切向拉应力b为 ier因为t = y > 1，显然b >b，这表明衬砌内壁的切向应力恒大于外壁的切向应力.当不考虑 r. e.弹性抗力时，即K0 =0,则A=l.如果1。围岩厚度大于3倍开挖洞径衬砌计算只考虑2. fK > 61混凝土衬砌洞径D>6时内水压力求混凝土的衬砌厚度在821式中泠泠b. = -hi混凝土允许轴心抗拉强度。Rb =卜hi KiRl 抗拉极限强度K 抗拉安全系数i解出 t 得：t2b + Phlb - Phirh t = e = 1 + rrii:b + Ph = r -Ahi 一 -1Tb - p1hl823）（823）式存在缺点：当b h与P的数值逐渐接近时，h逐渐扩大到不合理程度。Q T p时，h T 8hlQ < p时，h为虚数hl为了不使混凝土衬砌过厚，对坚固岩体内的混凝土衬砌，一般限制水头不大于20m，超过时，宜用钢筋混凝土。bi混凝土应力校核：bet 2 + A=p < bt 2 Ahl1 + A=p < bt 2 Ahl除内水压力外，还有其它的荷载作用，计算各种荷载单独作用时产生的轴向力和弯矩，再 按下式校核混凝土衬砌的切向拉应力：工M 工Nb =b ±-<i WeFRQ =i-hl Ki式中：W抗力矩（学）6F断面积，即F=bh如需求出在均匀水压力作用下的断面内力，可先算b.、b i然后近似按直线分布，求出轴向拉力N和弯矩。b + bN = ieh2hh“bl (b ib e ) h(2 3)Y23 钢筋混凝土衬砌用b 代替b即得:ghhlgh + P -1h = r 'Agh P825)b gh衬砌边缘应力钢筋混凝土的允许轴心抗拉强度826)Ft 2 + Ap< b F12 AghnF沿洞线1m长衬砌混凝土的纵断面面积。F F 中包括钢筋在内的折算面积。 n混凝土设计抗裂强度抗裂系数如果(825)式中，求出h为负值，或小于结构的最小厚度时，则应采用结构的最小厚度，钢筋采用最小配筋率，对称配置。(二)其它荷载作用下的内力计算1. 考虑弹性抗力的内力计算(1)基本假定和计算方法.如果围岩较好,在围岩压力、衬砌自重、无水头洞内满水 压力作用下，应考虑弹性抗力的存在。根据研究，约在顶拱中心角90 0范围以下部分， 衬砌变形指向围岩，作用有弹性抗力(如图829)，其分布规律为兀兀<甲< 一,Ko = - Ko cos2 ® 42=KO sin2 申 + KO cos2 申ab兀<® <k,K兀2其中K°、K°分别为申=三,申=兀 处衬砌受到的弹性抗力。a b 2现以铅直围岩压力为例，说明内力的计算方法和步骤829 (d)。自洞顶切开，引刚臂至圆心，亦即弹性中心，由于荷载及结构左右对称，故切力X二0。取一半计算，力法方程为3X O +A =01o11 1p 0( 827)X O + A 02 22 2 pA 、 A 都包含有特定的 O , O ，解之得1 p 2 p a b828)X1 f1(O ,O )1 1 a bX 2 f2 (O ,O )2 2 a b根据向下的总荷载与向上的弹性抗力合力相平衡(E y 0)及在x,X和外力作12兀用下，申-处的变位应为O的两个补充条件，可以解得0 ,0。将0 ,0代入公2 a a b a b式(828)，即可求出 X ,X ，从而可解出各断面的弯矩和轴向力。计算中忽略了12轴向力对压缩变形的影响以及衬砌与围岩间的摩擦力，弯矩M以内缘手拉力为正， 轴向力N以受压为正。3) 各种荷载作用下的内力计算。按上述方法，可求得圆形隧洞衬砌在各种荷载作用下考虑 弹性抗力时的内力计算公式。关于在各种荷载作用下，圆形衬砌各断面的弯矩和轴力有现成的解答。(弯矩以衬砌内 缘受拉为正，轴力以受压为正) 铅直山岩压力作用下的内力计算(计算简图见前页)X qrr 0.375a - 0.125 + 0.0140n(1 + a)1eX qr 0.2121(a -1)+ 0.0210(1+ a)2e829)M 二 qrr Aa + B + cn(1 + a)eN 二 qr Da + F + Gn(l + a)e式中符号见书系数A、B、C、D、F及G查表。 衬砌自重作用下的内力计算X 二 gr2(0.17803 + 0.04392n)X 二 gr(-1 + 0.06592n)26M 二 gr2(A + Bn)11N = gr(C + D n)11glm衬砌的重量，衬砌厚度为h时，则g = hYc丫 一一混凝土的容重，系数见表。c 无水头洞内满水压力作用下的内力计算X =yrr (-0.41098 + 0.02197n) 1eX =yr (-0.58335 + 0.03294n) 2eM = yr2 r(A + B n)i 2 2N = yr 2 (C + D n)i2M = gr 2 ( A + B n)11N= gr(C +Dn)11g1m衬砌的重量，衬砌厚度为h时，则g = hycy 混凝土的容重，系数见表。c 外水压力作用下的内力计算1 ) 不考虑内水压力时I)当兀r 2 y < 2(qr + 兀gr)时ee(衬砌所受的浮力<铅直山岩压力+衬砌重量)r衬砌中心半径。M = -yrr 2 ( A + B n)e22N = -yr (C + D n ) + yh re 2 2 w eh 均匀外水压力水头，即计算水位在拱顶以上的高度。 w可以看到，在外水压力的计算公式与无水头满水压力的差别a以外半径r代替内半径reib 符号相反：原因是由于内水压力作用在衬砌内表面原因是由于外水压力作用在衬砌外表面作用方向相反， 所以符号相反。II）当兀r2eY > 2（qr +兀gr）时，应按不考虑弹性抗力的公式计算内力，表89ee中第五项兀r2eY > 2（qr +兀gr）条件下的公式。ee2） 当荷载组合中包括内水压力a 当荷载组合中包括内水压力，浮力通常小于自重，计算外水压力作用下不受兀r2eY > 2（qr +兀gr）条件的限制，ee（实际这个条件已不存在，满洞内水重量+衬砌自重>浮力，此处尚未计入山岩 压力） 迭加后衬砌变形指向围岩，弹性抗力为止，因此都要计算弹性抗力。B 当均匀内水压力 P 和均匀外水压力组合时yh r如Pr >yh r，.以P作为均匀水压力，不再计算均匀外水压力产生时的内力。i w eriPr如 Pr <yh r，以 yhj作为均匀外水压力，计算内力，不再计算均匀内水压力所i w e w r e产生的内力。2不考虑弹性抗力时的内力计算 对外水压力很大时，或岩石软弱，不考虑弹性抗力。 当岩石坚固系数的K < 1.5时，不仅考虑弹性抗力；而且尚需计入侧向山岩压力的影响。K此时不计入弹性抗力但计地基反力（与其它荷载相平衡）并认为地基反力以余弦分布（见 上图）。作用范围：下半部与直径等宽。计算方法：同考虑抗力，只是更简单些 最大反力R 又工y =0即可求得。（考虑弹性抗力时有S ,8两项）i a b 分布规律也简单些（此考虑弹性抗力时）（三）隧洞衬砌设计中的几个问题1水工隧洞沿线的地质条件及计算参数常是变化的，内、外水压力同样也随断面位 置的不同而不同。要使衬砌设计达到安全和经济的目的，应当根据变化情况将隧洞沿 轴线分成若干段落，分段进行设计。2一般有压隧洞的内水压力是主要的荷载，当内书一压力较大时，断面多属小偏心 受拉情况，可布置同一直径的环向受拉钢筋。但如洞径、围岩压力均较大，而内水压 力相对较小时，包括无压隧洞，断面内的正负弯矩变化较大，应力分布很不均匀。此 时，应按应力分段配筋，将几段不同直径的环向钢筋焊轧起来。3 目前工程设计中，在设计钢筋混凝土，混凝土衬砌时，有控制抗裂稳定性和允许 开裂而限制裂缝开展宽度两种不同的考虑和要求。对于无压隧洞和围岩较厚而渗水不 会对附近围岩、岸坡和建筑物产生有害影响的有压隧洞，可按允许开裂限制裂缝开展 宽度设计。否则应按控制混凝土的抗裂稳定性要求设计。按限裂设计，裂缝的最大允 许值，根据水力梯度和水质有无侵蚀性，一般限制在0.150.30mm。限裂设计可以大量节省混凝土和钢筋用量，而对混凝土的耐久性和钢筋的锈蚀不会产生影响，所以， 目前在水工隧洞设计中已广泛应用。4对高水头的有压 隧洞，当围岩条件较差，单层衬砌需要的厚度过大时，可采用 外层为混凝土或钢筋混凝土，内层为钢板的组合式双层衬砌。我国冯家山水库有压泄 洪洞出口段图88 （g）、图813 （a）及西南地区一些高压引水道斜井均采用这种 衬砌。如外层混凝土不开裂，且围岩有一定承载能力时，内水压力将又内层衬砌、外 层混凝土和围岩共同承受，设计中只要能求出内、外层衬砌之间的均布压力计算。如 外层混凝土开裂，外层衬砌只起向围岩 传力的作用，而内水压力将由内层和围岩来承 担，但应考虑混凝土受压后径向压缩的影响，外层衬砌厚度可按施工要求或按施工期 荷载用单层衬砌计算确定。因此，双层衬砌计算的主要问题，在于确定在内水压力作 用下两层衬砌之间的作用力，其值可根据外层内边缘和内层外边缘径向变位一致的条 件来确定。第五节 喷锚支护一、喷锚支护的类型及适用条件 定义：喷锚支护是喷混凝土、设置锚杆式联合使用喷混凝土与锚杆支护的总称。有时还加钢筋 网。（根据工程情况、地质条件选用）优点：节省三材，降低造价，减轻劳动强度，缩短工期，与常用衬砌比较：支护快、顶部紧帖 柔性大、糙率大。在水利水电工程中的应用；1 施工期临时支护及导流隧洞等临时工程2. 永久性：无压隧洞的顶部部分有压隧洞的低水头、低流速类型： 喷锚支护：喷锚支护与围岩共同工作，改善支护工作条件，也加固了围岩。喷了混凝土， 隔绝围岩与大气的接触，堵塞渗水通道，给围岩的自身稳定性创造了有利的条件。 锚杆支护（节理发育的围岩常采用）：利用锚杆将松动岩体或较软弱岩体联结在稳定的岩 体上。 喷混凝土+锚杆支护：用于强度不高或完整性很差的岩层。 喷混凝土+锚杆+钢筋网支护：对于软弱的不良地质岩层的喷锚支护中，一般加设钢筋网以 承受拉应力，提高喷混凝土层的强度，并减少温度裂缝。二、喷锚支护的工作原理及计算方法 原理：岩体中开挖洞室后，破坏了原有岩层的平衡状态，洞室附近应力分配，并有、向临空面 产生位移。当围岩应力不超过弹性极限时岩体是稳定的；当围岩应力超过此极限强度时，这个 区域内的岩体将呈塑性状态，形成塑性区（日松弛区）。由于塑性影响，在洞壁处应力减小而在 深处应力增大，并认为在该塑性区内形成一个承重圈，有一定承受周围岩石的能力（即自承作 用），如能及时进行支护，给岩体以反力，阻止其变形的发展，防止坍塌，保持围岩稳定。 要求：喷锚支护与围岩紧密贴接既有一定刚度，又有一定柔性。计算方法：1. 危石理论的计算方法：节理、裂隙、裂缝切割围岩的块体。块体间相互咬合主动力：为岩体重量，阻“掉”力：为咬合力 按“冲切”破坏（喷锚情况）KG KG<T ,h >hu0 T u0式中： T 喷混凝土抗剪强度0K安全系数u 危石边长G危石重h 喷层厚度 按粘结破坏（撕开）（喷混凝土情况）h > 3.65（-）笃（）13R u E粘式中：R粘喷混凝土计算黏结强度K危石弹性抗力系数E喷混凝土的弹性模量 悬吊理论（锚杆不拉断）（喷锚联合）可能坠落的岩体重量=锚杆承受的拉力KS 2 h Y =兀（da ）2 RB 2 a式中：S锚杆的间距（米）R 锚杆的抗拉强度（kg /cm2）a丫岩石容重da锚杆的直径（cm）K安全系数，可用1.5。h松动圈的厚度（m）B锚杆锚入稳定岩体的长度rKyh S 2L =B2100KdaTT 锚杆与沙浆间的黏结力（kg/cm2），光面钢筋36kg/cm2、螺旋钢筋72kg/cm2。锚杆总长度L 二 L + Kh + L1 B 2L 外露长度（m）,约为喷混凝土层的厚度，并可作为固定钢筋网之用。1缺点：1。未反映支护的整体作用。2 未反映应力场的调整 3 分析危石困难2组合拱理论： 认为衬砌与围岩共同承受山岩压力 根据不同岩层决定山岩压力 按组合拱计算 M、Q、T缺点：不是M、Q、T作用的内力破坏，与实际有差异。4 剪切破坏理论：奥地利 赖伯塞佳“剪切破坏理论”认为剪切破坏是唯一的形式，地层压力采用弹塑性 理论计算。以上理论，尚处于探索、研究阶段，计算方法不尽完全合理，工程设计中大都采用类比法 和进行某些粗略计算。水工隧洞中喷锚支护的几个问题1 锚喷衬砌的承载能力锚喷衬砌的厚度一般只有模浇衬砌的1/31/4。 在隧洞进、出口等薄弱部位，担心开裂，内水外渗而造成失稳。规范规定，这些部位仍用 模浇混凝土。2糙率系数问题锚喷糙率系数比模浇混凝土大的多引水发电洞一水头损失（电能损失）只作施工稳定围岩用，泄水隧洞一易出现空蚀破坏卜另外加模浇混凝土。3. 抗冲刷能力问题-锚喷衬砌的厚度较薄、且表面粗糙，但规范仍规定v W8m/s4. 施工技术方法 重视开挖：光面爆破或预裂爆破避免过大地对围岩的扰动。最大限度保持围岩的稳定性，减小洞壁表面的起伏差，在此基础上喷锚支护，大大降低糙率（n）。