发电或引水有压隧洞设计

1FJD34090FJD水利水电工程技术设计阶段发电或引水有压隧洞设计大纲范本水利水电勘测设计标准化信息网1997年11月2水电站技术设计阶段发电或引水有压隧洞设计大纲主编单位主编单位总工程师参编单位主要编写人员软件开发单位软件编写人员勘测设计研究院年月3目次1引言42设计依据文件和规范43设计基本资料54隧洞布置与洞径复核与优化125隧洞水力设计186隧洞结构设计207隧洞围岩稳定分析及一次性支护设计308不衬砌与锚喷衬砌设计349预应力混凝土衬砌及其它衬砌型式设计3610降低外水压力的措施3611不良地质洞段处理3712回填灌浆及固结灌浆处理3813隧洞原型观测、检修及运行4014专题研究4115工程量计算4116应提供的设计成果4241引言11工程概况本工程为水电站水利枢纽，位于，本枢纽是以为主，兼有等综合利用的水利水电枢纽工程。枢纽采用条有压引水隧洞，作为引水建筑物。引水隧洞单条长分别为、M，直径M，引用流量M3/S。电站装机台MW的式机组，总装机容量MW。12设计范围本大纲为发电引水有压隧洞技术设计大纲。设计范围，包含从隧洞挂口开始到发电引水有压隧洞同引水系统中另一建筑物指调压井、钢管或明渠等连接处止。设计内容，包含设计参数选择、隧洞总体设计、水力设计、一次及二次支护设计、不良地质洞段处理、细部设计、专题研究含试验、施工期监测及运行期观测设计、施工技术要求、工程量计算及其他辅助设施设计。13设计主要思想及考虑的因素设定本引水隧洞埋深较大，所经过的大部分地段围岩地质条件较好。但因隧洞穿越地层多，沿线工程地质条件、水文地质条件复杂，且不易搞清。目前地下结构设计理论尚不完善，要用多种理论和方法进行分析计算。充分考虑隧洞沿线的复杂地质条件，特别是不良地质洞段，针对不同地质条件，作出合理的设计。设计中应详细地对各种条件下的围岩稳定进行分析，注重围岩的加固，采用新奥法NATM法施工，充分发挥围岩的承载能力，做到简化衬砌结构，加快施工进度，缩短工期，降低工程造价。2设计依据文件和规范21本工程的依据文件1工程可行性研究报告2工程可行性研究报告审批文件；3工程地质报告；4工程专题研究试验报告；5工程有关文件。22主要设计规范1SDJ1278水利水电枢纽工程等级划分及设计标准和补充规定山区、丘陵区部分试行；52SDJ21787水利水电枢纽工程等级划分及设计标准平原、滨海部分试行；3SD13484水工隧洞设计规范试行；4SDJ20782水工混凝土施工规范；5SL6294水工建筑物水泥灌浆施工技术规范；6SDJ1078水工建筑物抗震设计规范试行；7SDJ2078水工钢筋混凝土结构设计规范试行；8SDJ5785水利水电地下工程锚喷支护施工技术规范；9SDJ21283水工建筑物地下开挖工程施工技术规范；10SL4794水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范；11SD30388水电站进口设计规范试行；12SD14485水电站压力钢管设计规范试行；13DL/T50581996水电站调压室设计规范；14GB5024092钢筋混凝土工程施工及验收规范；15GBJ8685锚杆喷射混凝土支护技术规范；16GBJ789建筑地基基础设计规范；17GBJ1089混凝土结构设计规范及局部修改条文；18GBJ1785钢结构设计规范。23主要参考资料1水力计算手册武汉水利电力学院编；2水力学上、下册成都科技大学编；3水力学上、下册清华大学编；4灌区水工建筑物丛书涵洞、隧洞；5水工设计手册；6地下建筑物设计手册1993版；7铁路工程设计技术手册；8喷射混凝土程良奎编1990版；9铁路隧道新奥法指南1988版；10水工隧洞设计潘家铮编；11水力学设计美国陆军工程兵团。3设计基本资料631工程等别与建筑物级别根据本工程规模，按照水利水电枢纽工程等级划分及设计标准和补充规定山区、丘陵区部分SDJ1278试行及其补充规定，本工程属等工程，发电或引水隧洞为本工程之建筑，应按级建筑物设计。32气象资料321气温本隧洞区多年平均气温，极端最高气温，极端最低气温。各月气温如表1表1各月气温表单位月份123456789101112多年平均气温极端最高气温极端最低气温322水温本库区多年平均水温，极端最高水温，极端最低水温。各月水温如表2表2各月水温表单位月份123456789101112多年平均水温极端最高水温极端最低水温33设计洪水标准1设计情况洪水重现期，TSA；2校核情况洪水重现期，TXA；34水的重度1清水重度KG/CM3；2浑水重度KG/CM3。35水位及引用流量1水库水位水库正常蓄水位M；水库设计洪水位M；水库校核洪水位M；7水库死水位最低M；水库防洪限制水位M；2调压井水位或隧洞出口水位调压井最高涌浪水位M；调压井最低涌浪水位M；调压井正常运行水位M；3引用流量本引水系统引用流量M3/S，单条隧洞最大引用流量M3/S。4隧洞允许最大水头损失隧洞允许最大水头损失M。36地震烈度1基本地震烈度度；2设计地震烈度度。提示线路较长时，可分洞段列出不同的地震烈度。37水库淤积和泥沙1进水口推移质粒径MM；2进水口推移质含量KG/M3；3进水口悬移质粒径MM；4进水口悬移质含量KG/M3；5年推移质总量T；6年输沙量T。38污物情况1污物来源；2污物种类；3污物数量；4漂浮规律。39地质资料391区域工程地质及水文地质资料提示本节由地质专业根据区域地质条件提供，供隧洞布置使用。1简述地形地貌、地层岩土性质地质、构造产状、有无有害气体等；2简述含水层的类型、地下水的化学性质、地下水的补给与排泄、沿线地表水与地下水动态等；83提供地下水的排堵措施，供设计参考。392隧洞沿线围岩工程地质、水文地质资料隧洞沿线围岩分类及稳定评价、岩性、围岩物理力学指标、地应力、水文工程地质条件及一次支护的措施等汇总见表3。表3隧洞围岩地质、水文地质条件汇总表代表性剖面桩号分段长度围岩地质特征及段号最大隧洞埋深最大洞上地下水头单位弹性抗力系数K0坚固系数F结构面对围岩的影响程度地应力及洞轴线与地应力主应力方向夹角岩体状态RQD岩体弹性模量E岩体变形模量E0岩体抗拉强度及允许值MMMKN/M3MPAMPAMPA12345678910111213围岩分类岩体抗压强度岩体泊松比岩体内摩擦角岩体抗剪断强度C岩体重度岩体完整性能I岩石质量S岩体工程质量M水文地质条件渗透系数类别名称建议施工支护措施MPAMPAKN/M3M/D14151617181920212223242526提示如遇围岩为溶洞、软基等不良地质段，上述地质参数中还应包括基础沉陷量，各段地基的承载力、软基与混凝土间摩擦系数，以及关键复杂部位节理、裂隙面抗剪强度等。393隧洞沿线地应力资料提示由地质专业根据区域地质和实测地应力资料，按隧洞桩号提供地应力值及方向。394枢纽平面地质图及洞线地质剖面图395隧洞沿线地温及岩石热常数1地温梯度度。2岩石热常数，见表4。表4岩石热常数表岩石名称导热系数CJ/MH比热系数J/KG线胀系数13隧洞沿线地温。9提示按桩号和埋深提供地温列成表。310材料特性及安全系数3101钢筋1钢筋设计强度及弹性模量，见表5。表5钢筋设计强度及弹性模量表单位MPA钢筋种类符号钢筋受拉设计强度RG钢筋受压设计强度RG弹性模量EI级钢筋3号钢24024021105II级钢筋16MN直径28MM32032020105直径1三种类型。当隧洞轴线平行于两水平地应力轴线之一时，由理论计算、模型试验得知，如在1的地应力场中，即水平地应力大的地应力场中，各种形状断面的宽度可以选得大一些，而高度可以低一些。反之，在0的地应力场中，即垂直地应力大的地应力场中，宽度要尽量小一些，而高度要大一些。因此，在选择断面形状时，应注意与地应力场相适应的关系。433隧洞横断面尺寸的经济比较隧洞横断面尺寸的确定，关系到隧洞的造价和工程效益，特别是长的水工隧洞，其投资往往占整个工程投资的比重很大。因此，对水工隧洞断面的正确确定，具有很大的经济意义，必需进行动能经济分析来确定。根据工程的特点，要求用以下方法进行分析，然后确定1公式计算法包括经验公式、理论公式和经济流速计算法。提示理论公式在理论上比经验公式严密，考虑的因素多一些，一些中小型隧洞的断面采用理论公式计算。经验公式及经济流速法，主要用来估算隧洞断面尺寸的大致范围，以供拟定方案进行经济比较之用。但也有一部份隧洞，直接用公式确定断面。2经济比较法计算途径主要有抵偿年限法、计算支出法，也可采用造价回收年限法。17提示一些大型隧洞采用了此法。3综合分析法主要根据各隧洞断面尺寸方案的经济、技术指标的优劣程度，进行综合分析而确定方案。具体作法是由动能经济计算确定隧洞断面尺寸，在隧洞结构设计时，作为已知数。所用公式如下1彭德舒公式4DQHM5237式中D隧洞直径；QM隧洞最大引用流量；H水电站设计水头。2经验公式5M1237或DQ0386式中D隧洞直径；QM隧洞最大引用流量；H水电站设计水头；Q水电站设计流量。3理论计算公式7DNL1475316式中D隧洞直径；QM隧洞最大引用流量；L隧洞长度；N隧洞糙率。4古宾公式8DQTNIMYHPOBC7322851403（9TTIMYCK3318式中QM隧洞最大引用流量；TYCK利用小时数；电度电价或成本；N隧洞糙率；2P岩石开挖单价；OBC衬砌单价。44隧洞纵坡设计隧洞纵坡设计中主要考虑以下因素1隧洞进出口满足进出口水力学要求；2隧洞纵坡应满足施工要求，底坡控制在以内，便于施工期和检修期排水及施工机械运行；3隧洞纵坡不宜在隧洞中部向上凸，以免中部压坡线不满足要求；4隧洞进口高程M，出口末端高程M。5隧洞水力设计51水力学计算原则及计算提示参见水利水电工程技术设计阶段引水式水电站水道水力学计算大纲范本。52隧洞压坡线计算有压隧洞应绘制最高和最低压坡线，供确定隧洞各段的最大设计水压力和检验隧洞是否出现负压。提示1以隧洞进口上游最低运行水位算出之压坡线，若出现低于隧洞洞顶高程者，说明该段洞身将发生负压。通常不允许隧洞在负压下运行。为安全计，规定最低压坡线应高于洞顶2M。通过计算，若最低压坡线低于规定时，可降低隧洞高程，或加大洞径，或收缩隧洞出口，或综合采取这些措施进行调整。需要指出的是，在长隧洞设计中，若水头损失计算参数取值不准，对压坡线计算影响较大，应予以注意。2绘制压坡线时，选逐项求出局部水头损失HJ，并逐段算出沿程水头损失HF值；然后以出口断面或调压井底部为基准面，从进口断面水流具有的总水头T0开始，由上游至下游逐项逐段将各损失水头累减，便得出各断面处的总水头；再用直线将各断面处的总水头相连，便得出总水头线；继而用各断面处的总水头减去该断面处的流速水头，便得出各断面处的测压管水头ZP/R；用直线将各断面上的测压管水头连起来，便得出压坡线。53隧洞的通气设计19提示通气和通气设施是隧洞中不可缺少的重要组成部分。压力隧洞中，排水时需要补气，充水时需要排气。这里所谈的通气问题与掺气减蚀所谈的通气问题不同。目前，还无法对通气作出数字分析，只能根据试验和原形观测资料，由经验判断决定。一般常用的方法有1最大需气量计算1我国一些明流隧洞的观测资料经验公式QA1020QW式中QA隧洞中需要的气流量；QW相应的需水流量。2原水电部十一工程局推荐的公式QA0015VWA12式中VW最大工作水头下闸门全开时闸门孔口的平均流速；A明流泄水隧洞的断面面积。3DL/T503995推荐公式QA009VWA式中符号意义同前。2建议的需气系数1美国陆军工程师兵团建议数据QA/QW003F1106式中最大需气系数；F佛劳德数，；VGH/V闸门流速，V2GH；H闸门全开时其后的收缩断面水深；H闸门孔口顶点至库水位的高差；G重力加速度。2罗马尼亚韦斯乃尔WISNER建议的数据0024F114式中符号意义同前。3韦斯乃尔对于闸门小开度时建议的公式0033F1163通气孔的风速在一般情况下，风速最好保持在20M/S40M/S左右，最大不宜超过60M/S与溢洪道规范一致。另外，为了避免发生空蚀或振动，闸门后的压降不宜超过15M20M，或负压不低于15M20M。1前苏联规范规定风速不宜超过50M/S；2美国规定风速不超过45M/S；3我国一些工程的实测风速为10M/S30M/S，最大达80M/S。6隧洞结构设计61设计原则及假定提示隧洞的开挖，使得原始应力场重新分布，在孔口周边产生了应力集中。若围岩的20强度足以承受集中后的应力，即使没有采取任何加固措施，开挖后的围岩也是稳定的；若围岩强度较低，就需要采取加固措施。对围岩的加固，一般应遵循下列原则和基本假定1一切加固围岩的工程措施，都是为了加固不良围岩、维持围岩稳定；2应当把所采取的工程措施如支护、衬砌等与围岩视为统一的复合体，即考虑支护和衬砌与围岩的共同作用；3在支护、衬砌与围岩的复合体中，围岩应当是承受荷载如内、外水压力等的主体，因此，应最大限度的利用围岩，充分发挥围岩的作用；提示也有将围岩作为荷载，所有荷载全由衬砌承担；或将所有荷载由衬砌与围岩共同承担。4为了节约投资，加快水工隧洞的建设速度，应当尽量地把加固围岩所采取的措施压缩到最小的限度以内，并充分发挥其作用；5以充分考虑围岩承载能力的基础上，应因地制宜地采用相应的加固措施，以维持围岩的稳定性；6考虑到水工隧洞的特点，加固措施还应满足水流摩阻小、水量渗漏损失少的原则；衬砌采用混凝土或钢筋混凝土衬砌时，按限裂宽度为02MM进行限制；提示衬砌可考虑抗裂、限裂和允许开裂几种限制。7内水外渗将危及围岩、山坡及临近建筑物的安全时，应结合岩体覆盖厚度、围岩条件，综合分析选用堵如衬砌、灌浆、截如设置防渗帷幕、排如排水孔、排水廊道等措施，以改善加固结构与围岩的工作条件；8对于水工隧洞的设计，应当做到勘测、设计、施工及监测紧密结合。以上几点是相互联系、相互制约的，设计时要统一考虑，综合分析。62加固及衬砌形式选择提示水工隧洞设计规范SD13484及有关地下工程的规范规定，将围岩分为稳定、基本稳定、稳定性差、不稳定和极不稳定五类。在各类围岩中详细地描述了该类围岩的岩体特征、结构面及其组合状态、地下水状态及毛洞自稳能力等。不论哪种分类，所依据的都是围岩的自然特征。一般，围岩的自然特征划分为整体块状结构、层状结构、碎裂结构及散体结构。根据围岩的特征及其隧洞的作用选用加固形式1I、II类围岩提示围岩坚硬、完整、裂隙渗性小，洞内水流不致冲刷破坏岩石，内水压力小于围岩最小主应力，且内水外渗不致影响相邻建筑物的安全、围岩和山坡的稳定时，在满足运用要求和水力学条件下，通过技术、经济分析，可采用不衬砌隧洞。若遇局部不21稳定岩体，则可针对局部采用喷锚混凝土加固当围岩由巨型块状组成，或为厚层状结构，表面抗风化能力、抗冲刷能力较差，但在内水外渗时不致恶化岩石，在满足运用要求和水力学条件下通过技术、经济分析，可采用喷混凝土支护。对于局部不稳定岩块，应采用锚杆加固对这类围岩，主要是满足水力学要求减少糙率，防止岩石风蚀剥落。其厚度一般不需要计算，而是根据开挖后围岩的表面情况确定。2III类围岩提示对于整体性较差的围岩或洞段，宜采用系统锚杆加固。若表面裂隙发育，或具有碎块岩石，可采用挂钢丝网喷混凝土作一次支护，一般要再作二次支护。这类围岩稳定较差，其衬砌厚度均需经过计算确定。3IV、V类围岩提示这类围岩中微裂隙特多，地下水作用显著，而且地下水可能促使裂隙面所夹物质软化、泥化、崩解等，视其严重程度，可分别在作好一次支护的情况下，再采用混凝土或钢筋混凝土衬砌作二次支护，必要时可采用复合式衬砌作二次支护。这种衬砌，当用薄钢板在洞内焊接时，外围混凝土的厚度至少为20CM30CM；当用厚钢板需要两面焊接时，外围混凝土至少厚40CM50CM。4不良地质段提示1根据工程不良地质情况，考虑施工设备、手段，可采用预应力衬砌作为二次支护，必要时辅以一些特殊处理措施，如围岩加固措施。2预应力方式可采用纯混凝土的压浆式预应力衬砌，也可采用钢筋混凝土的拉筋式和钢式预应力衬砌。不论采用何种预应力方式，都是预先使衬砌产生环向压应力，以抵消大部分或一部分由内水压力产生的拉应力。如主要为解决外荷载，则应以加固围岩为主。63设计荷载确定及荷载组合631设计荷载确定6311围岩压力在水工隧洞设计中有考虑两种情况，即把围岩作为主要承载结构和将围岩当做荷载。1对I、II、III类围岩，考虑把岩体作为主要承载结构，对开挖后的孔口周边应力进行分析，必要时进行加固处理，即对I、II类围岩，只考虑对局部围岩进行锚喷支护，可不计围岩的松动压力，但应注意研究围岩的地应力、岩爆等对二次支护的影响。对II、III类围岩，未支护前，可按下式估算垂直围岩压力Q0102B10式中岩石重度，KN/M3；22B隧洞开挖宽度，M；Q垂直围岩松动压力，KN/M2。提示一般不计水平围岩压力。如加强一次锚喷支护，也可少计或不计垂直围岩压力。2对IV、V类围岩，则将围岩当做荷载，把支护或衬砌当做承载结构，可按松散介质平衡理论估算围岩松动压力，选择最不利荷载组合情况，并按下面公式进行综合分析计算，作为二次支护衬砌厚度决定和配筋的依据。普氏理论法塌落拱高度11HBMHF2顶拱为圆弧时的围岩垂直荷载Q07H12侧向围岩水平荷载EQMHTGK12245134式中H围岩可能的塌落高度，M；B洞室开挖宽度，M；H洞室开挖高度，M；E1洞顶部侧向围岩水平荷载，KN/M2；E2洞底部侧向围岩水平荷载，KN/M2；F围岩坚固系数；Q围岩垂直荷载，KN/M2；围岩重度，KN/M3；K换算摩擦角；围岩压力系数法QSYB15ESXH16式中SY垂直向围岩压力系数；SX水平向围岩压力系数；H洞室开挖高度，M；23E侧向围岩水平荷载，KN/M2；Q围岩垂直荷载，KN/M2；围岩重度，KN/M3；提示一般松散体的垂直向围岩压力系数SY0305，水平向围岩压力系数SX005。经验公式太沙基岩石分类计算弹性理论方法按构造体实际形状计算提示围岩压力，可根据工程实际情况，选择计算方法。6312内水压力提示1水荷载是水工隧洞的主要荷载。对有压隧洞、内水压力等于水库水位或调压室水位各种库水位或调压室水位分别考虑减去计算断面处的总水头损失，特殊荷载尚应加上水锤压力水头。2内水压力按隧洞分段计算。6313外水压力提示1隧洞外一般有地下水作用，称外水压力。地下水面线是决定外水压力的基本资料，应通过水文地质勘测决定。当地下水位线决定于建库以后的库水位时，应通过绕坝渗流计算决定。2根据工程实际情况，选择计算方法。外水压力一般可按以下方法处理1外水压力作为边界力。作用在衬砌上的外水压力，主要取决于岩体的渗透系数K1与衬砌的渗透系数K2的比值。对不透水的钢衬砌，外水压力等于外水全水头。HRHPBABWB1223012LNL178式中HB外水压力水头，M；HA外水全水头，M；H0内水水头，M；R1地下水面至洞中心距离，M；24R2衬砌外半径，M；R3隧洞内半径，M；PB作用于衬砌上的外水压力；W水的重度；作用面积系数试验值为06510，裂隙岩体多采用10。2外水压力作为渗流场场力。按围岩与衬砌共同变形和最不利的情况选择外水头和渗透系数等计算参数进行计算。3岩体的不均一性使得外水压力的计算复杂化，一般在计算外水压力时运用了折减系数的概念，即用全水头乘以折减系数确定外水压力。折减系数的选择可按下述方法确定根据SD13484规定的外水压力折减系数值确定H/H019式中外水压力折减系数，见表12；H计算外水压力；H0全外水压力。表12外水压力折减系数表序号级别名称地下水活动状态地下水对围岩稳定的影响建议的值1无洞壁干燥或潮湿无影响02微弱沿结构面有渗水或滴水风化结构面充填物质，降低结构面的抗剪强度，对软弱岩体有软化作用。0043显著沿裂隙或软弱结构面有大量滴水、线状流水或喷水泥化软弱结构面充填物质，降低抗剪强度，对中硬岩体有软化作用025064强烈严重股状流水，沿软弱结构面有小量涌水冲刷结构面中充填物质，加速岩体风化，对断层等软弱带软化泥化，并使其膨胀崩解，以及产生机械管涌。有渗透压力，能鼓开较薄的软弱层。04085剧烈严重滴水或流水，断层等软弱带有大量涌水冲刷携带结构面充填物质，分离岩体，有渗透压力，能鼓开一定厚度的断层等软弱带，能导致围岩塌方。06510根据水利水电工程地质基本规范规定确定提示1坚硬、完整、裂隙很不发育的岩体，开挖后无渗水现象，且又进行过回填、固结灌浆，外水压力折减系数采用0205；2裂隙发育的坚硬岩体，开挖后有地下水渗出地段，进行与未进行回填、固结灌浆，外水压力折减系数采用0507；3裂隙十分发育的坚硬岩体，或断层破碎带以及松散孔隙体，或出现大量渗水25地段，进行与未进行回填、固结灌浆，外水压力折减系数采用0710。根据岩体渗透系数与混凝土衬砌渗透系数的比值确定提示K岩/K混凝土0，0K岩/K混凝土1K岩/K混凝土N；当N500，1当N50500，086094当N510，0306当N1，0030084排水减压法提示1不论是折减系数法，或者是水荷载法，地下水位线、围岩渗透系数，外水压力作用到衬砌表面的实际情况等等，都难以准确选定，故计算结果就难以反映实际情况。如何合理地考虑外水荷载，目前仍是一个有待研究解决的课题。2在外水压力水头较高长期高于隧洞最大内水压力、渗流量又较大时，采用排水的办法，减小外水压力。6314温度荷载提示地表以下25M30M深的范围内，岩石处于常温状态，其温度值等于年平均气温。若超过这一深度，一般深度每增加50M150M，岩石温度增高1。水温与岩石温度则不同，当水温低于岩石温度时，衬砌将受有拉应力。当围岩温度与洞内水温相差很大时，衬砌内的温度应力可能较大，一般不应按温度应力计算衬砌，而应采取构造措施加以解决。除特殊重要的工程需要进行专门研究外，一般可不进行温度应力计算。6315地震荷载设计隧洞洞身时可不考虑地震荷载，但对隧洞的进出口建筑物，需按现行水工建筑物抗震设计规范对地面建筑结构的有关规定执行。因地震而引起的隧洞附加荷载为1附加山岩压力20PKCTCRRP1202地震水压力水平横向作用21GCP03衬砌自重惯性力PGKCC22上三式中KC地震系数；R岩石重度，KN/M3；CP地震纵波在岩石里的传播速度，M/S；T0地震波的周期，S；26C衬砌重度，KN/M3；水重度，KN/M3。提示1地震系数与地震烈度对应如下表地震系数与地震烈度对应表地震烈度6789KC1/801/401/201/102地震纵波在岩石中的传播速度可参考下表地震纵波在围岩中的传播速度岩石种类CP,M/S岩石种类CP,M/S石英岩50006500玄武岩45006500泥板岩35005500辉长岩45006500大理岩35006000泥灰岩10003500白云岩45006500致密粘土，干砂10003500石灰岩25006000中密砂土、塑性10003500页岩14003000粘土和壤土砂岩14004000砂、淤积土、沼泽土2005006316灌浆荷载灌浆荷载分别按固结灌浆和回填灌浆压力考虑。提示当固结或回填灌浆压力与外水压力接近时，可不考虑灌浆压力。回填灌浆压力与围岩压力一般不同时考虑。6317地层弹性抗力当衬砌向内变形时，不产生弹性抗力，只有衬砌向外变形时，才产生弹性抗力，其值为PK23式中P地层弹性抗力，KN/M2；K地层弹性抗力系数，KN/M3；衬砌向外变位值，M。632荷载组合提示根据施工、运行和检修等情况，分别考虑最不利的荷载组合，一般应遵循下列组合原则1垂直围岩压力与侧向围岩压力使顶拱产生的应力符号相反，互相有所抵消。一般估算的围岩压力不一定十分准确，尤其是侧向围岩压力的准确性就更差一些，这时宜不计侧向压力。在其它部位也应考虑类似情况。2灌浆压力与外水压力不要叠加。灌浆压力大于外水压力时，顶拱部位只计灌浆压力，其余部位为外水压力；灌浆压力小于外水压力时则可不计。4考虑围岩抗力时，可少计或不计侧向围岩压力，不计底拱的反压力。27荷载组合，见表13。表13荷载组合表荷载组合垂直围岩压力侧向围岩压力衬砌自重内水压力外水均匀压力外水非均匀压力灌浆压力温度荷载弹性抗力地震运行工况1运行工况2运行工况检修工况基本特殊施工期64二次支护结构计算原则及方法提示在隧洞工程中，对其围岩需要采用混凝土和钢筋混凝土衬砌。衬砌的应力计算时，对III、IV、V类围岩及更差的围岩是把围岩当成荷载，把衬砌当成结构进行结构计算；而对II类及更好的围岩，则仅将围岩视为承载结构，一般要求采用下述方法进行1弹性力学法包含弹性和弹塑性两种方法，主要适用与I、II、III类围岩；2结构力学法适用于IV、V类围岩及更差的围岩；3边值问题数值解决；4多层圆法即将钢筋折算成一层衬砌，按钢筋衬砌层与混凝土衬砌层变形协调进行计算；5其它方法包含有限元法等；6混凝土及钢筋混凝土衬砌的强度及配筋计算，可按现行水工钢筋混凝土结构设计规范的有关规定进行。65二次支护结构细部结构设计651细部结构设计内容设计内容包括衬砌浇筑段长；纵横向施工缝、永久缝；止水；不同衬砌结构连接等设计。652细部结构设计原则1衬砌段长，一般根据浇筑能力和温度收缩等因素分析确定，底拱、边顶拱的环向缝不得错开。2对岩性较均一，处于I、II、III类围岩中的混凝土衬砌，温度变化较小，一般不设伸缩缝。只在地质条件突变的洞段、地质条件较差有严格要求的洞段、衬砌形式改变的洞段才设置伸缩缝。伸缩缝缝内设止水带及充填嵌缝材料。每一浇筑段设一施工缝，缝内只设止水带。3对于岩性较均一，处于I、II、III类围岩中的混凝土衬砌，当可能最低地下水位高于隧洞压力线，且内水外渗不影响围岩稳定时，缝内可不设止水带。但对伸缩缝，缝内要用充填嵌缝材料充填。4在不同衬砌结构连接点、地质条件变化处、体形改变处，均需设永久缝。5对一般施工缝，纵向钢筋要求穿过缝；对永久伸缩缝，纵向钢筋不穿过缝。但对28于地质条件较差的IV、V类围岩中的混凝土衬砌，则要求所有纵向钢筋穿过缝。提示1提示衬砌的浇筑缝分纵向和横向两种，其位置主要视施工方法和浇筑能力确定。为防止衬砌产生收缩裂缝，横向缝间距一般限制在15M以内。设计时应注意洞口附近因易受气温影响，间距宜小一些。2纵向浇筑缝通常都作键槽和插筋，横向缝一般不作键槽和插筋。66主洞与施工支洞交岔段及封堵设计661施工支洞及连通洞堵头设计1施工支洞及连通洞堵头布置号、号施工支洞及各隧洞间的施工连通洞，封堵堵头初拟长度计算。1按澳大利亚的经验公式，堵头长度按下式计算L00125HD24式中H为设计水头，M；D为支洞直径，M。提示该公式是建立在对岩石进行固结灌浆和混凝土与岩石间进行很好的接缝灌浆的前提下。2按我国经验公式，堵头长度为L05D25式中D为支洞直径，M。为保证堵头与围岩的紧密连接，在支洞和连通洞堵头周围应均匀布置系统锚杆，并在堵头的上部预埋回填灌浆管进行回填灌浆，灌浆压力为MPA。为提高堵头部位围岩的承载能力，增大混凝土与围岩的抗剪强度，防止堵头渗漏，必须加强对相应引水隧洞段围岩进行固结灌浆。另在各施工缝各相应的引水隧洞段均设置塑料止水，并对衬砌配置加强钢筋。堵头混凝土采用号。提示对重要工程，堵头混凝土宜采用微膨胀水泥或掺合料。2堵头抗滑稳定校核只考虑底板面产生抗滑摩擦力F1，混凝土与岩石间的摩擦系数取F。岩石与混凝土间粘结力只考虑边墙和底板面，粘结力作用系数取10，单位面积上粘结力取CMPA。安全系数26KF12抗滑力F1GFAAC27滑动力F2A1P2829式中G堵头重，KN；A为堵头与边墙和底板间的面积，M2；A1为水压力作用面积，M2；P为单位面积上的内水压力，KN/M2。提示还可根据平面有限元计算结果，假定混凝土与围岩粘接较好的情况下，进行堵头长度计算。662主洞与支洞交岔段设计及支洞处理1主洞与支洞交岔段设计提示1主洞与支洞交岔段宜布置在I、II、III类围岩中，特殊情况可布置在IV类围岩中。2支洞与主洞的交岔角一般为4590。3交岔段结构分析交岔段结构分析，应进行平面和空间分析计算。1按平面计算将交岔段沿主洞方向垂直于主洞中心线截取剖面，取单宽作平面分析。可视主、支洞衬砌交岔点的支护作为主洞支护的一个支座，并假设主洞两侧的支座均为弹性支座或固定支座，来计算主洞各断面的内力及支座反力；然后将主、支洞交岔口主洞一侧短腿的支座反力加到支洞的衬砌拱上，计算支洞衬砌的内力。然后进行配筋。2按空间结构分析可采用有限元法按三维线弹性问题进行分析，计算内力。2支洞处理提示1如支洞要求作永久通道，进行观测、检修等，除地质条件特别好的，一般宜采用锚喷支护，或混凝土、或钢筋混凝土衬砌，并对支洞口安设检修门。2如支洞无特殊要求，应根据支洞长短情况，进行封堵或混凝土回填。67隧洞进、出口结构设计提示1一般隧洞进、出口覆盖较薄，地质条件相对较差，要注意对洞脸边坡的保护，及时进行锚喷加固。在隧洞挂口时，注意对洞口开挖时及时采取锚喷支护，适当加厚喷混凝土厚度、加密加深锚杆，加强二次支护等措施。2在确保隧洞洞脸及围岩稳定以及山体的自然边坡稳定的前提下，尽量避免大开挖，争取早进洞、晚出洞。对边坡应进行稳定分析，采取必要的加固措施。7隧洞围岩稳定分析及一次支护设计71隧洞围岩稳定分析711平面非线性有限元计算1计算目的分析隧洞围岩稳定性，初拟一、二次支护参数。2计算断面及计算范围对不同断层、不同岩体、不同埋深洞段应分别进行计算分30析。3地应力在无实测资料的情况下，可按自重应力场计算，即29YXYH1式中Y垂直地应力，MPA；X水平地应力，MPA；H隧洞埋深，CM；岩体重度，KN/CM3；泊松比；侧压力系数。712空间非线性有限元计算1计算目的对岩体开挖时掌子面的时空效应进行分析，初拟支护与施工作业面的距离，确定对地层的预加固措施和施工开挖方式及工艺等。2计算断面及计算内容对不同断层、不同岩体、不同埋深洞段应分别进行计算分析，分析未支护段、一次支护、二次支护离掌子面的距离，一、二次支护实施的时间，初拟衬砌参数进行稳定分析。3计算要求对地应力场作用下开洞、距掌子面不同距离、不同循环进尺、不同支护形式等进行计算分析，并了解岩体、喷层及衬砌的应力、位移、塑性区范围等。4与平面非线性有限元成果对比，分析开挖掌子面的时间效应，评价岩体洞室的稳定性。5计算程序提示1一般可选用总参BM90程序。2现场采用施工监控设计，又进行位移反分析计算，可选用上海同济大学地下工程系杨林德教授主编的施工监控程序进行计算。72隧洞一次支护设计721一次支护的原则1保证围岩不出现有害变形；2有有效地调节、控制围岩的变形，在不进入有害变形区域内适当调控，以达到最大限度地发挥围岩承载能力；3保证支护与围岩共同工作；4因地制宜地选择合理的支护类型和支护参数；5根据监测数据修改设计；6一次支护设计程度和方法。31提示锚喷支护设计程序框图示意如下是是基监测地础理论分析稳定质参设施工性认竣工初数围岩分类计识查确工程类比地质定详查否否否否锚喷支护设计程序框图722喷混凝土厚度设计723锚杆支护设计7231系统锚杆设计提示参照水工隧洞设计规范SD13484附录八、水利水电工程地下建筑物设计手册第七章、新奥法设计上、下册等资料，以及对比类似工程情况，分析决定整体破坏或局部破坏时的锚杆长度。一般系统锚杆设计应满足下列条件1锚杆应穿过塑性区，进入弹性区应有一定的深度，即LRPH1H230式中L锚杆的设计长度，M；RP围岩塑性区深度，M；H1内锚固段长度，M；H2锚杆外露长度，M。2对采用锚喷支护作永久支护时，锚杆间距、排距一般小于锚杆长度的1/2，其绝对值不宜大于15M；对IV、V类围岩，锚杆间距应小于07510M，以使系统锚杆加固的围岩形成一个承载圈。3根据工程经验确定系统锚杆长度。7232局部锚杆设计提示可按洞壁楔形体稳定分析来设计，分析时须重视不利地质结构面的各种组合情况。724锚杆、喷混凝土、挂网、钢支撑联合支护设计32725预应力锚固设计及其它支护设计提示参照SD13484附录八、水利水电工程地下建筑物设计手册第七章、新奥法设计上、下册、GBJ8685等资料，以及对比类似工程情况，分析决定整体破坏或局部破坏时的喷混凝土厚度，以及承担内水压力时的喷混凝土厚度设计、系统锚杆、局部锚杆、钢支撑、挂网及预应力锚固等的设计。必要时可采用超前灌浆、锚索、管棚、冷冻等方法。73隧洞施工期监控设计731施工监控设计的目的监控设计一般包括二个阶段，即初始设计阶段和修正设计阶段。初始设计阶段一般应用工程类比法与理论计算法进行，修正设计阶段则根据现场监控量测得到的信息资料，进行理论反分析，作出判断，修正初始设计阶段的支护参数。1通过对围岩开挖后的变形、应力等观测，监测变形的发展规律和数值，以有效地控制有害变形的发展，适时支护，寻求最节省的施工措施，并且及时反馈、指导设计；2及时掌握围岩变化动态、支护受力状态，为修改设计提供依据；3监视施工过程中的安全程度，正确地指导施工；4检验和评定地下工程的稳定性，作为安全运行的依据。732施工监控设计的主要内容1监测的主要内容主要结合围岩地质情况，做好地质和支护状况的观察、地表情况观察，围岩压力及两层支护间的压力及变形、钢支撑内力及外力、支护和衬砌内力、表面应力及裂缝、外水压力、温度等量测，锚杆抗拔力测试、围岩弹性波测试等。2设计内容包括量测项目及方法拟定、量测仪器的选择、测点布置、量测频度、数据处理等。各种监测项目的设备、布置原则和监测时间参见表14。表14监控量测表测试时间项目名称手段布置1D15D16D30D30D90D90D以后周边收敛收敛计、测杆、钢尺每30M100M测一个断面，每断面测24对测点12次/D1次/2D12次/周12次/月应测项目拱顶下沉水平仪、测杆、收敛计每30M100M测13个测点12次/D1次/2D12次/周12次/月围岩位移多点位移计锚杆抗拔应变片、测力计锚杆内力拉力计钢支撑应变计选测项目喷层应力压力盒选择有代表性的地段测试参照上述测试时间间隔进行733监测信息的反馈设计监测信息反馈于设计与施工，是一次支护与二次支护设计的重要一环。支护最终时间一般应考虑如下原则1当隧洞收敛速度明显下降时；332隧洞收敛量已达到最大允许收敛量的8090时；3收敛速度达到015MM/D或顶拱位移速度小于01MM/D时。洞周相对收敛量可以表15和表16中数值作为围岩稳定的判据。表15洞周允许相对收敛量，隧洞埋深，M围岩类别75150IN257550150INVN2550注ISI类塑性围岩；特S特殊类塑性围岩。根据监控信息和支护参数，对各处地应力和岩石力学参数进行反演分析，再根据分析得出的地应力和岩石力学参数计算新的支护设计参数，修正原一、二次支护设计，制定新的施工、支护方案，指导新施工洞段的设计和施工。8不衬砌与喷锚衬砌设计81不衬砌与喷锚衬砌设计原则及适用条件提示设计原则及适用条件1进、出口部位及交叉洞段，应注意采用适当的加固措施。加固洞长度，不应小于山坡卸荷裂隙带的厚度，不小于一倍洞径跨度，也不小于6M。2隧洞的断面形状，宜选用马蹄形或圆形。3对于隧洞的底部，应注意整修，一般采用混凝土铺砌，以利于排水和检修。4注意隧洞纵坡的选择，因为有压隧洞，不应设置反坡，也不宜设置平坡。5不衬砌的发电引水隧洞，应设置集石坑。其位置、容积、深度和数目，根据洞段的长度、地质条件、水力学条件等，以清理方便为原则，研究决定。6严格控制开挖质量1以设计开挖线为准，超挖限制在15CM20CM范围内。342炮孔痕迹应在开挖轮廓面上均匀分布，其痕迹保存率一般不应少于70。3采用光面爆破，必须正确选定周边炮眼及其爆破参数。82围岩稳定分析及锚喷支护设计821不衬砌隧洞的围岩应力计算不衬砌隧洞围岩除应参照地质分析法、工程类比法、岩体结构分析法进行围岩稳定分析以及按本大纲71节的规定进行隧洞围岩稳定分析计算外，还应按下述通用的几种断面形状的分析计算方法进行分析。设围岩单位截面积上所承受的垂直压力为PVHG31围岩单位截面积上所承受的水压力为PHK0PV32式中，是根据地应力场类型决定的一个常数。按隧洞可能埋设的深K01（）度，当埋设深度接近地表面时取K00，埋设深度较深时取K01/3，埋设深度很深时取K01。1圆形隧洞围岩应力计算在弹性岩体中设置的圆形隧洞，其围岩的二次应力可直接用G吉尔西GKLRSH公式计算33RHRHVVVRHVPPRRCOSSIN212143221302024204式中R围岩中径向应力；围岩中切向应力；R围岩中剪应力；R0隧洞的半径；R从隧洞中心到所计算岩体中某点的径向距离；自水平轴算起的极坐标的角度。2椭圆形隧洞围岩应力计算设A、B分别表示椭圆形隧洞在X轴和Y轴上两个半径，称为椭圆形的参数，是角度，则椭圆形隧洞断面由下列参数方程确定34AYBCOSIN在承受均匀荷载的双向应力场中，利用弹性力学原理，可以算出椭圆形隧洞周边围岩35上的切向应力，其计算公式为35THVVPABABPSIN223矩形带圆角隧洞围岩应力计算提示矩形断面的隧洞多用于进、出口及渐变段部位，由于在其转角处将会引起很大的应力集中，故通常都将直角作成圆角。从有关光弹试验成果或有限元计算成果中，可以看出应力集中情况。4一些设计原则提示1假定岩体情况近似于垂直作用的单向初始应力场，当隧洞断面的宽高比小于1时，则椭圆形断面的最大切向应力小于矩形断面的最大切向应力。但当宽高比大于1时，则采用带圆角的矩形断面比采用椭圆形断面为好。2在单向应力场中，近似于1的应力集中产生在断面的顶部，该处是拉应力，大多数岩体的抗拉强度低于抗压强度，故出现拉应力将影响围岩的稳定性，应予以注意。3在K01/3的双向应力场中，当隧洞断面的宽高比小于14左右时，椭圆形断面的最大切向应力小于矩形断面的最大切向应力，而且当断面的宽高比大致等于1/3时，椭圆形的最大切向应力出现最小值。当隧洞断面的宽高比大于14时，则矩形断面的最大切向应力反而小于椭圆形断面的最大切向应力。4在K01/3的双向应力场中，当隧洞断面的宽高比大于1时，断面的顶部出现拉应力。虽然拉应力的集中总是低于单向垂直应力场的应力集中，但应力的增加是随着断面宽高比的增加而加大的，亦应予以注意。5在K01的静力场中，当隧洞断面的宽高比等于1时，圆形断面周边围岩上产生的最大切向应力比矩形断面周边围岩上产生的最大切向应力小。因此，在选用断面形状时，应优先选用圆形断面。6在静力场中，对于任何断面形状的隧洞，其周边围岩都不会产生拉应力。7在任何类型的应力场中，拐角处都将产生最大的应力集中，因此，应尽量避免采用带有转角的断面。5围岩周边上的附加应力计算有压隧洞由于内水压力的作用，在隧洞的周边围岩上产生了一个应力，这个应力我们称它为附加应力。故对承受内水压力的隧洞，除了按上列方法分析计算二次应力外，尚需计算其附加应力。计算公式如下RAP22367在三倍洞径处的岩体，可以认为不受内水压力作用的影响。提示内水压力使围岩产生的环向应力0是拉应力。当拉应力过大抵消了原来的拉应36力并超过围岩的抗拉强度时，围岩就可能发生开裂破坏。若发生这种情况，就需要对围岩进行加固。822喷锚支护设计提示喷锚支护设计可参照本大纲72节隧洞一次支护设计和73节隧洞施工期监控设计进行。9预应力混凝土衬砌及其它衬砌型式设计提示根据本工程的地质条件，确定那些洞段可采用预应力混凝土衬砌或其它衬砌型式。具体设计参见有关设计大纲范本。采用什么衬砌方式，一般应进行专题研究。10降低外水压力的措施101降低外水压力的原则和要求提示根据工程实际水文地质条件及地下水文条件的复杂程度考虑，当部分洞段地下水位较高，外水压力达MPA，远高于隧洞内水压力，仅靠衬砌结构承担外水压力，将无法满足经济合理的要求，而部分洞段外水压力又较低时，应按以下原则进行处理；1对地下水位长期较高，外水压力达MPA，远高于隧洞压力线，仅靠衬砌结构承担外水压力将无法满足经济合理的要求，如无特殊要求，可采用在衬砌上打排水孔，降低外水作用在衬砌上的水压力；2如地下水位变幅较大，外水压力时而远高于隧洞内水压力，时而又低于隧洞压力线，且内水外渗将可能恶化围岩稳定，仅靠衬砌结构承担外水压力将无法满足经济合理的要求的洞段，如无特殊要求，可采用加固围岩，使围岩与衬砌结构一起承担外水压力；如还不能满足要求，可采用其他排水措施如排水洞、预埋排水管等，以降低外水作用在衬砌上的水压力。102降低外水压力的措施及布置提示为了减少地下水对衬砌的压力，可采取排水措施，如设排水管、排水孔及排水洞等。排水设施可在衬砌的下部，也可在衬砌上布置排水孔，还可在隧洞附近平行于洞轴线设排水洞。11不良地质洞段处理提示水电站引水隧洞内径为M，长达KM，隧洞沿线水文地质和工程地质条件极其复杂，隧洞埋深大，存在较多断层，岩溶发育强烈，有多条地下暗河。主洞穿过各种规模的溶洞、断层破碎带、溶蚀夹泥裂隙带和暗河等，溶洞内不同程度充填粘土、碎石和块石等。这些不良地质段，威胁隧洞围岩37的稳定和安全运行，主要问题是1隧洞穿过大的溶洞，跨越洞线长度达M，并充填粘土夹块石、碎石，存在围岩稳定和地基不均匀沉陷等问题；2隧洞紧靠溶洞岩壁厚仅M，存在围岩稳定和承载力不够的问题；3隧洞埋深大，外水压力高达MPA，存在衬砌结构的外水压力稳定问题。这些问题必需予以解决。111不良地质段处理的原则提示根据工程具体情况制定。1重视对不良地质洞段的衬砌和处理，既要保证工程安全可靠，又要实事求是方便施工。2衬砌设计宜利用围岩承载能力，以固结灌浆和锚杆等措施加固围岩，使之与衬砌共同承担荷载。钢筋混凝土衬砌可按开裂、或限裂原则设计，但必须满足强度要求。3通过土石充填的较大溶洞等软弱段，隧洞宜加厚衬砌，以等结构型式通过，并对土石充填物作高压固结灌浆和锚杆加固处理。土石充填物的高压固结灌浆应通过现场灌浆试验确定有关参数、工艺和技术要求。灌浆压力可采用超过MPA的高压，但应分层、分序逐步增压，并应研究对称灌浆等措施，防止灌浆过程中对衬砌产生抬动，过大变形等不利影响。4在岩溶地下水活动强烈地段，应注意充填物的细颗粒有可能被冲蚀带走，使衬砌架空，发生不均匀沉降。做好高压灌浆以加固围岩，特别是加固岩溶充填物，使其密实并防止岩溶地下水冲蚀破坏是十分重要的。通过试验如水泥灌浆效果不好。有必要考虑局部用化学灌浆处理。5外水压力的取值，对围岩较好的洞段，可按常规方法折减采用，对岩溶管道、暗河、涌水地段，宜按大部分水头作用考虑，并以排、堵措施解决，即加厚衬砌，固结灌浆加固围岩共同承担外水压力，并疏通原排水通道或另设排水设施解决。6山岩压力土体充填物虽经固结灌浆处理，尚需考虑一定范围内的塌落土体压力。7做好沉陷缝的设计。112不良地质段一次支护设计提示1不良地质段一次支护设计，可参照本大纲第7章隧洞围岩稳定分析及一次支护设计和新奥法进行。2另外，根据地质条件，对破碎带或自稳条件较差的洞段，可研究进行超前灌浆、超前锚固、冷冻法等方法，进行超前一期支护后再开挖。11