一般隧洞设计方法及思路.doc

1、1 一般隧洞设计方法及思路 一、概述 在水利枢纽中为满足泄洪、灌溉、发电等任务而设置的隧洞称为水工隧洞。 水工隧洞按洞内水流状态分为有压洞和无压洞。一般隧洞可设成有压，也可设成无压， 或设成前段有压而后段无压。但在同一洞段内，应避免出现时而有压时而无压的明满流交 替现象，以防止不利流态。 在设计水工隧洞时，应根据枢纽的规划任务，尽量一洞多用，以降低工程造价。如导流洞 与永久隧洞相结合，泄洪、排沙、放空隧洞的结合等。 二、水工隧洞的线路选择 隧洞选线关系到工程造价、施工难易、工程进度、运行可靠性等。影响因素多，如地 质、地形、施工条件等。因此，应综合考虑，进行技术比较后加以选定。 1. 地质条件

2、 隧洞路线应选在地质构造简单、岩体完整坚硬的地区，尽量避开不利地质构造，尽量 避开地下水位高、渗水严重地段，以减少隧洞衬砌上的外水压力。洞线要与岩层、构造断 裂面及主要软弱带走向有较大的交角。在高地应力地区，洞线应与最大水平地应力方向尽 量一致，以减少隧洞的侧向围岩压力。隧洞应有足够的覆盖厚度，对于有压隧洞，当考虑 弹性抗力时，围岩的最小覆盖厚度不小于 3 倍洞径。根据以往工程经验，对于围岩坚硬完 整无不利构造的岩体，有压隧洞的最小覆盖厚度不小于 0.4H（H 为压力水头） ，如不加衬 砌，则应不小于 1.0H。 在隧洞进、出口处，围岩厚度往往较薄，应根据地质、施工、结构等因素综合分析确 定，

3、一般情况下，进、出口顶部的岩体厚度不宜小于 1 倍的洞径或洞宽。 2. 地形条件 洞线应尽量短直，如因地形、地质、等原因需要转弯时，对于低流速的隧洞弯道曲率 半径不应小于 5 倍洞径或洞宽，转弯转角不宜大于 60，弯道两端的直线段长度也不宜小 于 5 倍的洞径或洞宽。高流速的隧洞设弯道时，最好通过试验确定。 3.水流条件 隧洞进口应力求水流顺畅，出口水流应与下游河道平顺衔接，与土石坝下游坝脚及其 建筑物保持足够距离，防止出现冲刷。 4.施工条件 洞线选择应考虑施工出渣通道及施工场地布置问题。设置曲线时，其弯曲半径应考虑 施工所要求的转弯半径。对于长洞，应利用地形、地质条件布置施工支洞、斜洞、竖

4、井。 以便进料、出渣和通风，改善施工条件，加快施工进度。 此外，洞线选择应满足总体布置和运行要求，避免对其它建筑物的干扰。 三、水工隧洞的布置 隧洞的布置主要包括：进口段、出口段和洞身段。 2 1进口段的形式和构造 进口建筑物按其布置及结构形式，分为竖井式、塔式、岸塔式和斜坡式等，在工程中 常根据地形、地质、施工等具体条件采用。 进口段的组成包括进水喇叭口、闸室、通气孔、平压管和渐变段等几部分。 （1）进水喇叭口 进水口是隧洞首部，其体形应与孔口水流流态相适应，避免产生 不利的负压和空蚀破坏，同时还应尽量减小局部水头损失，以提高泄流能力。 隧洞进口常采用顶板和两侧边墙顺水流方向三向逐渐收缩的平

5、底矩形断面，形成喇叭 口状。收缩曲线常采用四分之一椭圆曲线，椭圆方程为： (1) 122byax 式中：a椭圆长半轴，对于顶板曲线，约等于闸门处孔口高度 H，对于边墙曲线，约等于 闸门处的孔口宽度 B； b椭圆短半轴，顶板曲线可用 H/3，边墙曲线约为（1/31/5 ）B 。 深式无压隧洞进水口是一短管型压力段，为了增加压力段压力，改善压力分布，常在 进口段顶部设置倾斜压坡（图 1） 。这种形式的压力进口段顶部曲线由椭圆曲线 AB、直线 段 BC、及 EF 组成。通常 BC 段稍缓于 EF 段，压板长度 L 应满足塔顶启闭机的布置和闸 门检修的要求，可采用 36 米。 图 1 进口段洞顶压坡布

6、置 （2 ）通气孔 当闸门部分开启时，孔口处的水流流速很大，门后的空气会被水流带 走，形成负压区，引起空蚀破坏使闸门振动，危及工程的安全运行。因此，对设在泄水隧 洞进口或中部的闸门之后应设通气孔，通气孔在隧洞运用中，承担着补气、排气的双重任 务，对改善流态、避免运行事故起着重要的作用。 通气孔进口必须与闸门启闭机室分开设置，以免充气或排气时，因风速太大，影响工 3 作人员的安全。通气孔在洞内出口应仅靠闸门的下游面，并尽量在洞顶，以保证在任 何流态下都能充分通气。通气孔管身应顺直，减少转弯突变，以减小阻力。 （3）平压管 为了减小启门力，往往要求检修门在静水中开启。为此，应设置平压管。 检修工作

7、结束后，在开启检修门之前，先打开平压管的阀门，将水放进两道门之间，使检 修门两侧的水压平衡，此时在静水中开启检修门，可大大减小启门力。 平压管的尺寸根据灌水时间、两道门间的灌水空间及后一道门漏水量来确定。 （4）拦污栅 拦污栅是为防止水库中漂浮物进入隧洞而设置的。泄水隧洞一般不设 拦污栅。需要拦截水库中较大浮沉物时，可在进口设置固定栅梁或粗拦污栅。 引水发电洞进口应设置较密的细栅，以防污物阻塞和破坏阀门及水轮机叶片。 （5）渐变段、闸室 可参见重力坝的有关内容。 2洞身段 （1）洞身断面形式及尺寸 无压洞多采用圆拱直墙形断面，由于顶部为圆拱形，适宜 于 承受垂直围岩压力，且施工时便于开挖和衬砌

8、。顶拱中心角一般在 90180之间。如 围岩条件较差还可用马蹄形断面。当围岩条件差，而且又有较大的地下水压力时，可以考 虑采用圆形断面。有压隧洞由于内水压力较大，从水流及受力条件考虑，一般用圆形断面 无压隧洞断面尺寸主要根据其泄流能力及洞内水面线确定。对于表孔溢流式进口，泄 流能力按堰流计算；对于深式进口，泄流能力可按管流计算。 洞内水面曲线用能量方程分段求出。为保证洞内无压流状态，水面以上应有足够的净 空。当洞内流速大于 1520m/s 时，应考虑高速水流引起的掺气和冲击波影响。流速较低、 通气良好的隧洞，要求净空不小于洞身断面面积的 15%，其高度不小于 40cm；流速较高的 隧洞，在掺气

9、升高的水面以上净空面积一般为洞身断面面积的 15%25% ，冲击波波峰高 不应超过城门洞形断面的直墙范围。 有压隧洞的断面尺寸应根据泄流能力及沿程压坡线确定。有压隧洞的泄流能力按管流 计算。在隧洞出口应设有压坡段，以保证洞内水流始终处于有压状态，并要求洞顶有 2m 以上的压力余幅。洞内流速越大，要求压力余幅越大，对于高流速的有压泄水隧洞，压力 余幅可高达 10m 左右。 在确定隧洞断面尺寸时，应考虑到施工和检查维修等要求，圆形断面内径一般不小于 1.8m，非圆形断面尺寸不小于 1.5m1.8m（宽高） 。 （2）洞身衬砌 隧洞衬砌主要可分为以下几种类型：平整衬砌、单层衬砌、喷锚衬砌、 组合式衬

10、砌、预应力衬砌等。洞身衬砌类型的选择，应根据隧洞的任务、地质条件、断面 尺寸、受力状态、施工方法及运行条件等因素，通过综合分析技术经济比较后确定。 在混凝土及钢筋混凝土衬砌中，一般设有施工缝和永久横向变形缝。 隧洞在穿过断层、软弱破碎带以及和竖井交接处，或其它可能产生较大的相对变位时，衬 砌 需要加厚应设置横向变形缝。围岩地质条件比较均一的洞身段只设施工缝。根据浇筑能力 和温度收缩等因素确定沿洞线的分段长度，一般采用 612m，底拱和边拱、顶拱的环向缝 不得错开。 隧洞灌浆分为回填灌浆和固结灌浆两种。 隧洞应设置排水设备以降低作用在衬砌外壁上的外水压力。对于无压隧洞衬砌，当地 下水位较高时，外

11、水压力为衬砌的主要荷载，对衬砌结构应力影响很大。为此，可在洞底 4 设纵向排水管通向下游，或在洞内水面线以上，通过衬砌设置排水孔，将地下水直接引入 洞内（图 2） 。排水孔间距、排距以及孔深一般为 24m 。 图 2 无压隧洞排水布置 对有压圆形隧洞，外水压力一般不起控制作用，可不设置排水设备。当外水位很高， 外水压力很大，可在衬砌底部外侧设纵向排水管，通至下游，纵向排水管由无砂混凝土管 或多孔缸瓦管做成。必要时，可沿洞轴线每隔 68m ，设一道环向排水槽，可用砾石铺筑， 将渗水汇入纵向排水管（图 3） 。 图 3 有压隧洞排水布置 3出口段及消能设施 有压隧洞的出口常设有工作闸门及启闭机室，

12、闸门前有渐变段，出口之后即为消能设 施。无压隧洞出口仅设有门框，其作用是防止洞脸及其以上岩石崩塌，并与扩散消能设施 的两侧边墙相衔接。 泄水隧洞出口宽度小，单宽流量大，能量集中，所以常在出口处设置扩散段，使水流 扩散，减小单宽流量，然后再以适当形式消能。 泄水隧洞的消能方式大多采用挑流消能，其次是底流消能。近年来国内也在研究和采用新 的消能方式：如窄缝挑流消能和洞内突扩消能等。 四、水力计算的内容 5 水工隧洞水力计算的内容，一般有：泄流能力计算、水头损失计算、绘制压坡线（有 压流） 、水面线的计算（无压流） 。 1、泄流能力 水工隧洞泄流能力计算，分有压流和无压流两种情况。实际工程中，多半是

13、根据用途 先拟定隧洞设置高程及洞身断面和孔口尺寸，然后通过计算校核其泄流量。若不满足要求， 再修改断面或变更高程，重新计算流量，如此反复计算比较，直至满意为止。 （1）有压流的泄流能力 有压流的泄流能力按公式（1）计算： (1) 02gHAQ 式中 Q泄流量； 流量系数； A隧洞出口断面面积； g重力加速度。 gH200 式中 H出口孔口静水头； 隧洞进口上游行近流速水头。g20 流量系数 随出流条件不同而略有差异，自由出流和淹没出流分别按公式（2） 和公式（3）计算： (2)2211ijij ARCglA (3) 2221iIJj ARCglA 式中 A隧洞出口断面面积； A2隧洞出口下游渠

14、道过水断面面积； j局部水头损失系数； Aj与 j 相应流速之断面面积； Li、 Ai、 Ri、 Ci某均匀洞段之长度、面积、水力半径和谢才系数。 上述泄流能力计算公工适用于有压泄水隧洞，对发电的有压引水隧洞，其过流能力决 定于机组设计流量，即流量为已知，要求确定洞径。 （2）无压流的泄流能力 无压泄水隧洞的洞身底坡常大于临界坡度，洞内水流呈急流状态，其泄流能力不受洞 长影响，而受进口控制，若进口为深孔有压短管，仍可按公式(2)和公式(3) 计算，而忽 6 略其沿程水头损失（根号中的最后一项） 。 表孔堰流进口的斜井式无压隧洞，其泄流能力由堰流公式计算： (4)2/30HgmBQ 式中 侧收缩

15、系数； m流量系数； B堰顶宽度（m） ； H0包括行近流速水头 的堰顶水头。g20 流量系数和侧收缩系数与堰型有关。为保证曲线堰面与斜井底板有准确的切点，使过 水表面平整，建议采用 WES 标准剖面堰型，其曲线方程和有关计算参数可参见武汉水利 电力学院编的水力计算手册 。 隧洞的水头损失包括沿程水头损失和局部水头损失，其计算方法可参见武汉水利电力 学院编的水力计算手册 。 2、绘制压坡线 连接隧洞沿程测压管水头，即得有压隧洞的压坡线。设计时应根据隧洞可能的支运行 条件绘制最高和最低压坡线。前者供确定隧洞各段的最大设计内水压力，后者用以检验洞 内会否出现负压力。绘制压坡线的步骤如下： 1）根据

16、水流连续方程计算隧洞沿程各不同断面的流速； 2）逐段计算沿程水头损失和各项局部水头损失； 3）从隧洞出口断面底板高程为基准的隧洞进口总水头中，自上而下沿程逐段逐项累减 各项水头损失，得各转换断面上的总水头 ； gVpz2 4）从各转换断面的总水头中减去相应的流速水头，得各转换断面上的测压管水头 ，连接各测压管水头，即得隧洞沿程压坡线。pz 以隧洞进口上游最低运行水位为准算出的压坡线，若出现低于隧洞洞顶高程者，说明 该段洞身将发生负压，通常情况下，不允许隧洞在负压上运行。降低隧洞高程，加大隧洞 洞径，收缩隧洞出口断面尺寸，以及改善出口体型，均可提高洞身压力，达到消除负压之 目的。 3、水面线的计

17、算 明流隧洞的过水断面多为矩形，计算水面线较为简便的方法是直接分段求和法。对两 相邻过水断面建立能量方程式可得 (5)fbiEx 式中 x隧洞沿程分段长度； E两相邻断面之比能差， E=E2-E1； ib洞底坡度； 7 if能线坡度， ；3/4 2RVnif E比能， ；gay2 y断面水深。 一般情况下，隧洞宽度、坡度和过流量均为已知，通过水面线类型分析，先确定起始断面 水深，然后按公式（5） ，列表计算隧洞沿程各断面水深。 五、水工隧洞的荷载计算 作用在隧洞衬砌上的荷载，按其作用的状况，分为基本荷载和特殊荷载两类。 基本荷载包括衬砌自重、围岩压力、设计条件下的内水压力、稳定渗流情况下的外水

18、 压力、预应力等。特殊荷载包括校核洪水位时的内水压力和相应的外水压力、地震荷载、 施工荷载、灌浆压力、温度荷载等。其中内水压力、衬砌自重容易确定，而围岩压力、外 水压力、灌浆压力、温度荷载及地震荷载等只能在一些简化和假定的前提下采用近似计算。 荷载计算的对象是单位洞长。 1.围岩压力 围岩压力的影响因素很多，如地质条件、埋置深度、断面形状和尺寸、施工方法、衬 砌形式等。因此围岩压力计算错综复杂的问题，很难用一个简单的理论公式予以概括。通 常根据不同的围岩类别采用不同的方法来估算围岩压力：水工隧洞设计规范中建议用 围岩压力系数估算围岩压力，计算公式如下： (1) (2) 式中： 、 分别为垂直均

19、布及侧向均布围岩压力强度，k ； 、 分别为垂直向及侧向围岩压力系数； 岩体重度，k ； 、 分别为洞室的开挖宽度及高度，。 2.弹性抗力 影响弹性抗力的因素主要有围岩的岩性、构造、强度及厚度，同时还必须保证衬砌与围岩紧密结合。为有效地利 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。弹性抗力对于衬砌是有利的，必须进行慎密分 析和估算。 围岩的弹性抗力 可由下式计算： p (3) 式中 ： p 围岩的弹性抗力强度，k ； 围岩受力面的法向位移，； 围岩的弹性抗力系数，k 。 围岩的法向位移 值，可根据衬砌的荷载（包括弹性抗力在内） ，经计算求得。 8 3.内水压力 为便于计算，在有

20、压隧洞的衬砌计算中，常将内水压力分两部分：即均匀内水压力和 非均匀内水压力（无水头洞内满水压力） 。 均匀内水压力是 由洞顶内壁以上的水头产生的，计算式为： p (4) 式中： 水的重度，k ； 高出衬砌内壁顶点以上的内水压力水头，。 非均匀内水压力是指洞内充满水，洞顶处水压力为零，洞底处的水压力为 i 时的 水压力。计算式为： p i（ cos ） (5) 式中 ： i 衬砌内半径，； 计算点半径与洞顶半径的夹角。 非均匀内水压力的合力，方向向下，数值等于单位洞长内的总水重。 内水压力为以上两者的叠加。 4.外水压力 外水压力是指作用在衬砌外壁上的地下水压力，其值取决于水库蓄水后地下水位线的

21、 高低。外水压力的大小与地形、地质、水文地质条件以及防渗、排水等措施有关，难 以准确计算。对于无压隧洞，一般在衬砌外壁布置排水措施来消除外水压力。对于有 压隧洞，外水压力有抵消内水压力的作用，需要慎重考虑。 作用 在衬砌外壁上的外水压力可按下式估算 ： pe= e a h hw (6) 式中： pe外水压力 强度，kN/m 2； e 外水压力折减系数； a考虑工程排水措施的折减，根据 排水效果及可靠性通过 工程类比或 渗流场计算确定，对于无排水措 施时， a1.0； h 隧洞洞顶衬砌外壁至地下水位线的作用水头，m； hw 隧洞洞顶衬砌外壁至计算地下水位线的作用水头，m。 5.衬砌自重 指沿隧洞

22、轴 1 米长衬砌的重量，它均匀作用在衬砌厚度的平均线上。 衬砌单位面积 上的自重强度 g 为： g= h (7) 式中： h衬砌材料重度，kN/m 3，钢筋混凝土 h=25 kN/m3. 衬砌厚度，应考虑超挖回填的影响，m 。 6、荷载组合 荷载组合分为基本组合和特殊组合两类，设计中常考虑的荷载组合有： 正常运用情况：围岩压力衬砌自重宣泄设计洪水时内水压力外水压力。 施工、检修情况：围岩压力衬砌自重可能出现的最大外水压力。 9 非常运用情况：围岩压力衬砌自重宣泄校核洪水时内水压力外水压力。 正常运用情况属于基本组合，在衬砌设计时往往以正常运用情况来确定衬砌的厚度、材料 强度等级和配筋量，用其它

23、情况来作校核。 六、圆形有压隧洞的衬砌计算 有压隧洞多采用圆形断面，内水压力常是控制衬砌断面的主要荷载。为了充分利用围 岩的弹性抗力，围岩厚度应超过三倍开挖洞径，并使衬砌与围岩紧密贴结。 欲求衬砌在某种荷载组合下的内力，只需分别计算出各种荷载单独存在时衬砌的内力， 然后进行叠加。 1、均匀内水压力作用下的内力计算 当围岩厚度大于 3 倍开挖洞径时，应考虑围岩的弹性抗力，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条件，求出以内水压力 p 所表示的 弹性抗力 P0，而后按轴对称受力的弹性理论厚壁管公式计算衬砌的内力。 如图 1 所示，在内水压力 p 和弹性抗力 p0

24、作用下，按弹性理论平面变形情况，求得厚 壁管管壁任意半径 r 处的径向变位 u 为 (1) 022221)()1)() pttrtrEuee 取 r=re，得衬砌外缘的径向变位 ue 为 (2)02221)(1)() ptptrue 式中 E 衬砌材料的弹性模量； 衬砌材料的泊松比； t 衬砌外半径与内半径之比， t=re/ri。 10 图 1 衬砌在均匀内水压力作用下的应力计算图 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=p0/K=p0re/100K0，此处， K 为岩石的弹性抗力系数，K 0 为单位弹性抗力系数。根据变形相容条件， y=ue，整理后可 得围岩的弹性抗力

25、为 (3)pAt201 (4)2(0KE A 为弹性特征因素，式中的 E、K 0 分别的 kPa 和 kN/m3 计；若以 kg/cm2 和 kg/cm3 为单 位，则需将式中的 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 p0 作用下，管壁厚度内任意 半径 r 处的切向正应力 t 为 (5)0221 )(1)(trptreet 分别令 r=ri 及 r=re，即可得到单层衬砌在均匀内水压力 p 作用下内边缘切向拉应力 i 和外边缘切向拉应力 e 为 (6)pAti2 (7)te21 因为 t1，显然 i e。不计弹性抗力时，K 0=0，A=1。 求出 i、

26、 e后，可近似按直线分布，即可换算出轴向拉力 N 和弯矩 M，然后与其他 荷载算出的 N 和 M 进行组合。 如果围岩厚度大于 3 倍开挖洞径，岩石坚固，属于稳定及基本稳定的、类围岩， 或按普氏坚固系数 fk6，铅直围岩压力很小，可以忽略不计，且洞径小于 6m 时，对于混 凝土或钢筋混凝土衬砌，都可以只按均匀内水压力计算衬砌的厚度与应力。 （1）混凝土衬砌 求混凝土的衬砌厚度时，可在式(6)中以混凝土的允许轴心抗拉强度 hi代替内边缘应力 i，并以 t=re/ri=1+h/ri 代入，经整理后可得 (8)11pArhhliLhlKR 式中 混凝土的设计抗拉强度；L 混凝土抗拉安全系数，按表 1

27、 选用。L 表 1 混凝土的抗拉安全系数表 隧洞级别 1 2、 3 4、 5 荷载组合 正常运用 非常运用 正常运用 非常运用 正常运用 非常运用 混凝土达到设计抗拉强度的安全系数 2.1 1.8 1.8 1.6 1.7 1.5 由式(8)可以看出， hl应大于 p，A 应为正值，否则 h 无解或不合理。若 A 为正值， 11 而 p 大于 hl时，应提高混凝土的标号，或改用钢筋混凝土衬砌。若围岩坚固，内水压力 较小，虽算得的 h 很不，但采用值应不小于结构的最小厚度。 当给定衬砌厚度时，可用式(9)求出能承受的最大内水压力 p。 (9)hlAtp2 （2）钢筋混凝土衬砌 同样，求钢筋混凝土衬

28、砌厚度 h 时，可用钢筋混凝土结构混凝 土的允许轴心抗拉强度 gh代替式(10)中的 hl，得到 (10) 1prhghi 衬砌的内边缘应力，可按下式校核： (11)2ghni AtFffghKR 式中 混凝土的设计抗裂强度；f 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 钢筋混凝土结构的抗裂安全系数。fK 如果由式求出的 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 可按结构的最小配筋率，对称配置。 当围岩条件较差，或圆洞直径大于 6m 时，不能只按内水压力设计衬砌。此时，应该 计算出均匀内水压力作用下的内力，然后与其他荷载引起的内力进行组

29、合后，再行设计。 如果允许衬砌开裂而按限制裂缝开展宽度进行设计时，可参考有关资料或水工钢筋 混凝土结构设计规范 （SDJ20-78）的方法进行。 2、其他荷载作用下的内力计算 （1）考虑弹性抗力的内力计算 1）其本假定和计算方法。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范围以下部分，衬砌 变形指向围岩，作用有弹性抗力(图 2)，其分布规律为2cos24aK， 22sin, ba 其中 处衬砌受到的弹性抗力。及分 别 为和 ba 12 图 2 圆形隧洞衬砌弹性抗力分布及计算简图 (a)(c) 在围岩压力、衬砌自重、洞内无

30、水头满水压力作用下的弹性抗力分布； (d) 在围岩压力作用下的计算简图 现以铅直围岩压力为例，说明内力的计算方法和步骤图 2(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 X3=0。取一半计算，力法方程为 (12)02211PX 解之可得bapP 和都 包 含 有 待 定 的和 21 (13),(21bafX 根据向下的总荷载与向上的弹性抗力合力相平衡 及在 X1、X 2 和外力作用下，)0(Y 处的变位应为 的两个补充条件，可以解得 。将 代入式(13)，即可2/a ba和 ba和 求出 X1 和 X2，从而可解出各断面的弯矩和轴向力。计算中忽略了轴向力对压

31、缩变形的影响 以及衬砌与围岩间的摩擦力。弯矩 M 以内缘受拉为正，轴向力 N 以受压为正。 2）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。 铅直围岩压力作用下的内力计算。 (14)1(aGnFDaqrNCBAe 13 式中 M计算截面上的弯矩， kNm； N计算截面上的轴向力，KN; q铅直围岩压力强度，kPa； re衬砌的外半径，m； r 衬砌的平均半径，m；ae2KbrEJne30641. K弹性抗力系数，Kn/m 3； E材料的弹性模量，kPa； J计算断面的惯性矩，m 4； b计算宽度，取 b=1m。 系数 A、B 、C、D

32、、F 及 G 与 角有关，可由表 2 查用 表 2 铅直围岩压力作用下的内力计算系数表 断面 A B C D F G0 0.16280 0.08721 -0.00699 0.21220 -0.21222 0.020984 -0.02504 0.02505 -0.00084 0.15004 0.34994 0.014842 -0.12500 -0.12501 0.00824 0.00000 1.00000 0.0057543 0.02504 -0.02507 0.00021 -0.15005 0.90007 0.01378 0.08720 0.16277 -0.00837 -0.21220 0.

33、71222 0.02237 衬砌自重作用下的内力计算。 (15)(1 2nDCgrNBAM 式中 g单位面积的衬砌自重，kPa； 其余符号的意义同前。 系数 A1、 B1、 C1、 D1 见表 3。 表 3 衬砌自重作用下的内力计算系数表 断面 A1 B1 C1 D10 0.34477 -0.02194 -0.16669 0.065904 0.03348 -0.00264 0.43749 0.046602 -0.39272 0.02589 1.57080 0.0180743 -0.03351 0.00067 1.91869 0.04329 0.44059 -0.02628 1.73749 0.

34、07024 14 无水头洞内满水压力作用下的内力计算。 (16)(22nDCrNBAMii 式中 水的容重，KN/m 3； ri衬砌的内半径，m； 其余符号的意义同前。 系数 A2、 B2、 C2、 D2 见表 4 表 4 无水头洞内满水压力作用下的内力计算系数表 断面 A2 B2 C2 D20 0.17239 -0.01097 -0.58335 0.032954 0.01675 -0.00132 -0.42771 0.023302 -0.19636 0.01295 -0.21460 0.0090343 -0.01677 0.00034 -0.39419 0.02164 0.22030 -0.

35、01315 -0.63126 0.03513 外水压力作用下的内力计算。在无内水压力组合的情况下，当衬砌所受的浮力小于 铅直围岩压力及衬砌自重之和即 时，可采用式 17 计算。)(2grqree （17）ee rhnDCrNBAM)(22 式中 均匀外水压力计算水头，m ；h 其余符号的意义同前 当 时，应按不考虑弹性抗力的公式表 4-1-12 中第五项)(2grqree 条件下的公式计算内力。2ee 当有内水压力组合时，衬砌本身所受浮力小于自重。因此，迭加后的弹性抗力仍为正 值，与计算图形相符，不受 条件的限制。)(2grqree （2） 不考虑弹性抗力时的内力计算 当地质条件较差、岩体软弱

36、破碎，坚固系数 时，就不应该考虑围岩的弹性抗力作用，而且还要考虑侧向围岩压力。此时，除能5.1kf 自行平衡的荷载（如侧向围岩压力）外，应有地基反力与相应的作用力相平衡。地基反力 以余弦曲线分布较为合理，作用在衬砌的下半圆上(图 3 )。最大反力强度 R 由平衡条件极 易求得，与衬砌的变形无关。铅直围岩压力、侧向围岩压力、衬砌自重、无水平头洞内满 水压力及外水压力作用下的内力计算公式和系数见表 5。 15 图 3 不考虑弹性抗力时衬砌的荷载及反力分布图 (a) 铅直围岩压力； (b) 衬砌 自重；(c) 侧向围岩压力； (d) 水重 16 表 5 不考虑弹性抗力(反力按余弦曲线分布 )时，围岩

37、压力等荷载作用下衬砌内力计算表 轴 向 受 压 为 正内 壁 受 拉 为 正NM 断 面 位 置 项 次 荷载名称 内 力 计算公式 系 数 0(洞顶) 4243 (洞底) A3 0.16280 -0.02504 -0.12500 0.02505 0.08720M )(3BaArqe B3 0.06443 0.01781 -0.09472 -0.01097 0.10951 C3 0.21220 0.15005 0.00000 -0.15005 -0.21220一 铅直围岩压力 N )(3DCe D3 -0.15915 0.38747 1.00000 0.91625 0.79577 M are4

38、 A4 -0.25000 0.00000 0.25000 0.00000 -0.25000二 侧向围岩压力 N C4 1.0000 0.50000 0.00000 0.50000 1.00000 M 52AgA5 0.27324 0.01079 -0.29755 0.01077 0.27324三 衬砌自重 N rCC5 0.00000 0.55535 1.57080 1.96957 2.00000 M 62iA6 0.13662 0.00539 -0.14878 0.00539 0.13662四 无水头洞内满水压力 N i C6 -0.50000 -0.36877 -0.21460 -0.36

39、877 -0.50000 M 62rAeA6 同上 A6 系数)(2rgqree当 N ewhC6 同上 C6 系数 M )1(62 A6 同上 A6 系数 C6 同上 C6 系数 五 外 水 压 力 )( 2rree当 N ewee rCr72 C 7 1.50000 1.63122 1.78540 1.63123 1.50000 注：表中 侧向压力强度；其余符号的意义同前。rargqee;)(2 17 应当注意，当 时，由外水压力产生的内力计算公式，只适用于隧洞)(2grqree 施工、检修无内水压力的组合情况。如有内水压力的组合，即使 ，也应)(2grqree 按 条件下的公式进行计算，

40、因为，此时衬砌本身的浮力总是小于自重。)(2rqree 当荷 载组合中同时有均匀内水压力和均匀外压力时，如果 ，应以ewirhp 作为均匀内水压力计算内力，不再计算均匀外水压力的作用；如 时，ierhp ei 则应以 作为均匀外水压力计算内力，不再计算均匀内水压力所产生的内力。eip 3、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荷载，当内水压力较大时，断面多属小偏心受拉 情况，可布置同一直

41、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扎起来。 （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、岩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

42、量，且对混凝土的耐久性和钢筋的锈蚀不会产生有害影响，所以，目前在水工隧洞设计 中已广为采用。 （4）对于高水头的有压隧洞，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，内水压力将由内层衬砌、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作用力后，外层衬砌即可按单层衬砌设计，而内层钢板只按内 水压力和内外层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分担，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。