水工隧洞

精选水工隧洞第一节概述一、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）有压：水力计算、管流计算在工程布置1受力情况（2）无压：明渠流计算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。可编辑精选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）出口段第2节水工隧洞得布置及线路选择一、总体布置及线路选择（一）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。可编辑精选（二）线路选择选线室中得一个至关重要得问，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60o，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。每一个初步均应用平面图和纵剖图来表示：可编辑精选平面图表示出：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。二、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。三、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。（一）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。可编辑精选“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。（二）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。（三）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3节进口段一、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：地质条件好优：结构简单、不受风浪、水沿井的不同高度，截取断面，地形适宜的影响，抗震及稳定好，地形按单位高度的封闭或框架进干井—弧门条件适宜时，工程量较小。行分析。湿井—平门缺：竖井前的一段隧洞检修不便。塔式：岸坡低缓，岩石破碎优：对于取水用的封闭塔，可塔身时直立的悬臂结构，需计或覆盖层较厚。在不同高程设置取水口，取用算塔身的抗倾、抗滑稳定。按可编辑精选上层温度较高的清水。封闭框架计算单位的高度的缺：受风浪、地震、冰的影响横断面的水平应力，按悬臂计大，稳定性相对较差，需要工算铅直应力（将立体框架简化作桥与库岸相连。成平面问题计算）岸塔式：岸坡较陡，岩石比优：稳定性比塔式好，施工、基本方法同塔式，另外应考虑较坚固稳定。安装比较方便，无须接岸桥塔背是否作用有岩石压力。梁。缺：受风浪、冰、地震优一定影响。斜坡式：完整的岩坡，地形优：结构简单，施工、安装方适宜，闸门及拦污栅的轨道便，稳定性好，工程量小。直接安装在斜坡的护砌上。缺：闸门面积加大，关门时不易靠自垂下降。二、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：①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。②避免产生不利的负压合空隙破坏。③减少局部水头损失，以提高泄流能力。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：可编辑精选x2y21a2b2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：（1/3~1/5）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1：4~1：6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。8—1。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：①设在泄水隧洞进口或中部的工作闸门之后。②设在检修门和工作门之间。2．作用：①工作闸门在各级开度情况下：补气②检修时：补气。③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：①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。可编辑精选[V]≤40—45m/sa②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或半经验公式。①对于泄水隧洞中的工作闸门和事故闸门的通气孔：Q0.09V•AawQaa[V]aA—隧洞断面积②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：—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/s。wA—闸门后隧洞或管道水面以上空间面积（m2），通常A<0.3AaaA—闸门后的隧洞或管道断面积Q计算的先假定a、求得Q后，再以Va，验算V，确定其是否超过允许风速aaaaV[V]40~50m/s。aa否则，重复上述计算，直到满足为止。可编辑精选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4节洞身段一、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：○1水流条件和受力条件均有利。○2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、洞身断面尺寸可编辑精选洞身断面尺寸，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）泄水能力按管流计算Q2gH出Q出2gH出洞（80~90）%式中：——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80~90%）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，○1表孔式进口，按堰流计算。○2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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。可编辑精选流速低，通气良好：净空面积不小于隧洞断面面积的15%，高度≥40cm。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15~25%。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1.51.8m（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。可编辑精选采用：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~，且不小812于25cm。3．组合衬砌○1内层为：钢板、钢丝网喷浆外层为：混凝土、钢筋混凝土○2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）○3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○1由于混凝土的干缩和温度应力可能产生裂缝○2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。○3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）可编辑精选纵向（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：○1通过断层破碎带或软弱带：衬砌加厚，厚度突变处。○2洞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6~12m，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900~1200以内。压力：2~3kg/cm2（过去会破坏衬砌结构）孔距、排距：一般为2~6cm（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。可编辑精选压力：一般为1.5~2.0倍内水压力。（4~10kg/cm2）一般深入围岩2~5m，对于围岩条件差的地段或直径较大的隧洞达6~10m。排距：2~4m，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<0.01l/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2~4m深入岩体2~4`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5节出口段及消能设施可编辑精选一、出口段的结构布置无压洞：出口仅设有门框（以防洞脸及上部岩石崩塌），并与扩散。有压洞：出口常设工作闸门，启闭机室。闸门前有渐变段（洞圆门方），出门之后为消能设施，为避免负压，常采用断面收缩的方法。二、消能方式常用：挑流、底流、洞内突扩消能。特点：隧洞出口宽度小，单宽流量大，能量集中，所以出口设置扩散段以扩散水流，减小单宽流量。（一）挑流消能（常用扩散式）适用：出口高程高于或接近于下游水位，且地质条件允许时。优点：经济合理。注意：尽量不要冲刷对岸。形式：斜切式挑流鼻坎（洞轴线与河道交角小）、横向扩散挑坎、收缩式窄缝挑坎。（二）底流消能优点：消能比较充分平稳。缺点：开挖量大，施工时间长，造价高。（三）洞中突扩消能（孔板消能）举例：小浪底工程冲沙洞（泄洪洞）可编辑精选第7节洞室开挖时的围岩稳定性一、岩体初始应力（地应力）1．定义：岩体处于天然产状所具有的内应力叫做岩体的初始应力（天然岩体内应力），在地学领域中，通常叫地应力。岩石有构造应力（地应力）自重应力2．形成岩体初始应力的因素：上覆岩体的重力地壳构造运动成岩过程中的物理、温度作用、地形影响地下水及地震作用由于影响因素多，目前无法用数学，力学法分析计算，只能现场实测。3．如何测得地应力目前常用的方法：应力解除法、应力恢复法○1应力解除法：通过切槽或钻孔解除应力而测得岩石的应变以推求其初始应力。○2应力恢复法：岩体中的应力解除后，不是通过岩体的变形特性来推求岩体中的应力值，而是通过施加压力，使岩体恢复到原来的状态，以求得岩体在应力解除前的应力值。以上测得的是岩体中一点的应力，至于整个岩体中初始应力的分布情况，目前还不能根据有限的测点的结果来加以确定。4．对岩体初始应力的初步认识可编辑精选○1岩体及上覆岩石的重量是形成岩体初始应力的基本原因之一，岩体自重作用不仅产生垂直应力，而且借助“泊松效应”和流变效应而产生水平应力。○2初始应力的形成，取决于地形及地壳结构运动，这通常有是高的水平应力产生的主要原因。○3许多地区岩体初始应力实测结果表明：水平应力大大超过上覆岩体的重量算得的结果，这是由于构造动力学方面的原因，或地质剥蚀的原因。○4天然岩体中的断层，对初始应力起着解除或部分解除的作用。○5坚硬完整的岩石，在一定地质条件下，可以聚集大量的能量，从而形成高的天然内应力，在开挖过程中，产生“岩爆”。二、围岩的应力集中应力重分布：当在岩体中开挖洞室时，洞室围岩的初始应力状态发生变化，这种现象叫应力重分布。围岩：产生应力重分布的这部分岩体叫围岩。在洞室周边某些部位（形状突变、薄弱区）出现应力集中，对围岩稳定不利。应力重分布在洞室周边最为显著，远离洞壁，影响减小；应力重分布与初始应力状态，洞室的断面形状和尺寸，岩体的结构和性质有关。围岩应力计算方法：弹性理论，有限元，（参看〈〈岩石力学〉〉）三、围岩稳定分析1．目的：预估可能出现的破坏形态、部位、范围及其发生和发展过程，选择适宜的支护方案，保证安全施工，改进设计。2．分析方法：主要凭经验和现场量测作出判断（影响因素多，而且错综复杂，到目前为止，还不能完全依靠理论计算）可编辑精选3．分析内容：○1对初选隧洞断面，结合地质条件及其力学性质，初始应力，施工方法等，采用弹性理论公式或有限元计算围岩压力。○2如围岩压力超过岩体的弹性极限，可按弹塑性理论计算塑性区的应力，确定塑性区的范围。○3对洞室周边可能出露的危石，按块体平衡法进行分析。○4现场量测，主要测量一些选定点的位移，和点与点之间的相对位移，画出位移~时间关系曲线，如位移超过“允许位移量”或位移曲线突然变陡，表明围岩将要失稳，椐此采用支护措施。可编辑精选第8节隧洞的衬砌计算目的：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：○1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）○2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）可编辑精选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”f（亦称拟摩擦系数），代替岩石颗粒间的真实摩擦系数：K普氏观测试验资料，制成各种岩石f分类表。K最坚硬的岩石f达20；最差（松，散）f只有0。3KK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：①没有侧向山岩压力作用岩体中的隧洞a）隧洞顶是平的，洞顶受到山岩压力的压强量qb）曲线形洞顶：（认为铅直山岩压力可以减少30%）可编辑精选②侧向山岩压力计算e、e为水平山岩压力强度1、2在洞顶面处在洞底面处为简化计算，在设计中多采用e、e的平均值，即e=（e+e）/2作为均匀侧向水1、21、2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。可编辑精选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1cm2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，根据弹性理论可得：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1m得圆形坑道得K值，作为，用K表示（亦0称单位弹性抗力系数）当用m为单位时：可编辑精选以cm为单位时说明：K值可以“查表”、“类比”、“按上式计算求得”，最好得办法式现场实测。0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K值。0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：可编辑精选均匀内水压力+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β作为外水压力值。β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。（四）衬砌自重衬砌自重是指沿隧洞轴线1m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。1~0。3m单位面积上的自重强度g为：可编辑精选（五）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900~1200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2—3kg/cm2。2。固结灌浆均匀分布于整个隧洞断面周围。（六）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。施工期：混凝土的水化热荷干缩。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7~10℃,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。可编辑精选如何考虑，如何计算？非寒冷地区，影响较小，一般不考虑。寒冷地区：①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2.5T，衬砌厚0.40米，岩石原始m3温度T=12℃,冬季平均最低温度0.2℃,，混凝土浇筑温度T12℃，混凝土在水中的膨1胀值相当于T5℃,求衬砌温度应力相当于多少内水压力？TTtT120.256.8℃（温降）10T使坑道半径减小P1.607kg/cm2P——衬砌温度应力，相当于内水压力16m水头。②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。可编辑精选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）可编辑精选内水压力在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0力圆管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0论平面变形情况，求得厚壁管管壁任意半径r处的径向变位u为：rr(12)(e)2(e)2(12)t2r(1)rru[pp]Et21t210取rr，得衬砌外缘的径向变位u为：eer(1)(12)11(12)t2ue[pp]eEt21t210式中E——衬砌材料的弹性模量；——衬砌材料的泊松比；rrhht——衬砌外半径之比，tei1rrriiippr当开挖的洞壁作用有P时，按文克尔假定，洞壁的径向变位y00e，0K100K0此处，K为岩石的弹性抗力系数，K为单位弹性抗力系数。根据变形相容条件，yu，0e整理后可得围岩的弹性抗力为1App（8—18）0t2AEK(1u)A0（8—19）EK(1u)(12u)0A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/cm30可编辑精选为单位，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P作用下，管壁厚度内任意0半径r处的切向正应力为trr1(e)2t2(e)2rrpp（8—20）tt21t210将式（8—18）代入式（8—20），分别令rr,rr，即可得到单层衬砌在均匀内水ie压力p作用下边缘切向拉应力和外边缘切向拉应力为iet2Apit2A1Apet2Ar因为te1，显然>,这表明衬砌内壁的切向应力恒大于外壁的切向应力.当不riei考虑弹性抗力时,即K=0,则A=1.0如果1。围岩厚度大于3倍开挖洞径衬砌计算只考虑2．f6洞径D>6时内水压力K1．混凝土衬砌求混凝土的衬砌厚度，在8—21式中，泠泠[]——混凝土允许轴心抗拉强ihl度。R[l]hlKiR——抗拉极限强度lK——抗拉安全系数i[]Pt2Ahl解出t得：[]Phl可编辑精选rhte1rrii（8—23）[]Phr[Ahl1]i[]Phl（8—23）式存在缺点：当[]与P的数值逐渐接近时，h逐渐扩大到不合理程度。hl[]p时，hhl[]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。t2Ap[]it2Ahl混凝土应力校核：1Ap[]et2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：MNR[]liWFhlKeibh2式中：W——抗力矩（）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、，然后近似按直线分布，求ie出轴向拉力N和弯矩。Nieh2hh()h()IieM2323．钢筋混凝土衬砌用[]代替即得：ghhl可编辑精选[]phr[Agh1]（8—25）i[]pgh——钢筋混凝土的允许轴心抗拉强度gh衬砌边缘应力：Ft2Ap[]（8—26）iFt2AghnR[]fghKfF——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。nR——混凝土设计抗裂强度fK——抗裂系数f如果（8—25）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900范围以下部分，衬砌变形指向围岩，作用有弹性抗力（如图8—29），其分布规律为,KKcos242a,KKsin2Kcos22ab其中K、K分别为,处衬砌受到的弹性抗力。ab2现以铅直围岩压力为例，说明内力的计算方法和步骤[8—29（d）]。可编辑精选自洞顶切开，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0。取一半计算，力法方程为3X01111p（8—27）X02222p、都包含有特定的,，解之得1p2pabXf(,)11ab（8—28）Xf(,)22ab根据向下的总荷载与向上的弹性抗力合力相平衡（y0）及在X,X和外12力作用下，处的变位应为的两个补充条件，可以解得,。将,2aabab代入公式（8—28），即可求出X,X，从而可解出各断面的弯矩和轴向力。计12算中忽略了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）①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)]2eMqrr[ABcn(1)]e（8—29）Nqr[DFGn(1)]e式中符号见书系数A、B、C、D、F及G查表。②衬砌自重作用下的内力计算可编辑精选Xgr2(0.178030.04392n)11Xgr(0.06592n)26Mgr2(ABn)11Ngr(CDn)11g——1m衬砌的重量，衬砌厚度为h时，则ghc——混凝土的容重，系数见表。c③无水头洞内满水压力作用下的内力计算Xrr(0.410980.02197n)1eXr(0.583350.03294n)2eMr2r(ABn)i22Nr2(CDn)i2可编辑精选可编辑