洞身段的形式与构造

1、洞身段的形式与构造洞身断面形式及尺寸无压隧洞的断面形式及尺寸无压隧洞多采用圆拱直墙形（城门洞）断面图1（d）（i）。由于这种断面的顶部为圆拱形，适宜于承受垂直围岩压力，并且在施工时便于开挖和衬砌。顶拱中心角一般在90180之间，当垂直围岩压力较小时，可采用较小的中心角。一般情况下，较大跨度泄水隧洞的中心角常采用120左右。断面的高宽比一般为11.5，水深变化大时，采用较大值。在侧向围岩压力较大时，为了减小或消除作用在边墙上的侧向围岩压力，也可把边墙做成向内倾斜状图1（e）。如围岩条件较差还可以采用马蹄形断面图1（f），马蹄形断面有上部半圆和下部三心圆或多心圆构成，以尽量减小衬砌截面弯距。当围岩

2、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。图1 隧洞断面形式及衬砌类型(单位：m)(a)(f)单层衬砌；(g)(i)组合式衬砌1喷混凝土；2=16mm钢板；325cm排水管；420cm钢筋网喷混凝土；5锚筋无压隧洞的断面尺寸主要根据其泄流能力要求及洞内水面线来确定。对于表孔溢流式进口，泄流能力按堰流计算；对于深式进口，泄流能力取决于进口压力短管段，可按管流计算： (1)式中： 考虑进口段局部水头损失的流量系数，约为0.9； 工作闸门处的孔口面积，m2； H作用水头，m。洞内的水面曲线用能量方程分段求出。为了保证洞内的稳定无压流状态，水面以上应有足够的净空。当洞内的水流流速大于1

3、520m/s时，应考虑由于高速水流引起的掺气和冲击波的影响。流速较低、通气良好的隧洞，要求水面以上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，考虑掺气和冲击波的影响，在掺气升高的水面以上的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。在确定隧洞断面尺寸时，还应考虑到洞内施工和检查维修等对最小尺寸的要求，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）。有压隧洞的断面形式及尺寸有压隧洞由于内水压力较大，从水流条件（过水断面湿周最小）及受力条件（受力方向对称）考虑，一般均采用圆形断面图1（a）、（b）、（

4、c）、（g）。当围岩条件较好，洞径和内水压力都不大时，为了施工方便，也可采用上述无压隧洞常用的断面形式。有压隧洞的断面尺寸应根据泄流能力要求以及沿程压坡线情况来确定。有压隧洞的泄流能力按管流计算，公式为式（2），但流量系数为考虑隧洞沿程 阻力和局部阻力后的流量系数，而则是隧洞出口的断面面积。在隧洞出口处应设有压坡段，减小隧洞出口段面积，以保证洞内水流始终处于有压状态，并要求在最不利运行条件下，洞顶应有2m以上的压力水头。洞内水流流速越大，要求压力水头越大，对于高流速的有压泄水隧洞，压力水头可高达10m左右。洞身衬砌的类型及构造衬砌是指沿开挖洞壁而做的人工护壁，主要作用是：阻止围岩变形的发展，保

5、证围岩的稳定；根据需要，承受围岩压力、内水压力和其它荷载；防止渗漏；保护围岩免受水流、空气、温度、干湿变化等的冲蚀破坏作用；平整围岩，减小表面糙率，增大过流能力；满足环境保护的要求。衬砌的类型隧洞衬砌主要可分为以下几种类型：1）平整衬砌（也称护面）。用混凝土、喷混凝土和浆砌石（图2）做成的护面，它不承受荷载，仅起到平整隧洞表面、减小糙率、防止渗漏、保护岩石不受风化的作用。平整衬砌适用于围岩坚固、完整，能自行保持稳定，水头和流速较小的情况。对于无压隧洞，如岩石不易风化，可只衬砌过水边界部分。平整衬砌的厚度由构造决定，一般混凝土或喷混凝土可采用515cm，浆砌石衬砌可采用2530cm。 图2 砌石

6、衬砌 (单位：cm) 图3 锚杆支护 2）单层衬砌。用混凝土图1（a）、钢筋混凝土图1（b）、（c）、（d）或浆砌石做成。单层衬砌适用于中等地质条件，隧洞断面较大，水头及流速较高的情况，是我国应用最广的受力衬砌。由于混凝土的抗拉强度较低，靠增加混凝土的厚度来提高其抗弯能力是不经济的，因为在衬砌厚度增加的同时，也增加了自重，并增加岩石的开挖量，所以衬砌厚度应在满足要求的前提下尽量采用较小的尺寸。根据SL279-2002水工隧洞设计规范，混凝土和单层钢筋混凝土衬砌的厚度不宜小于25cm，双层钢筋混凝土衬砌的厚度不宜小于30cm，并由衬砌受力计算最终确定。衬砌所用混凝土的强度等级不应低于C15。3)

7、锚喷衬砌。锚喷衬砌是利用锚杆和喷混凝土加固围岩措施的总称，是逐渐发展起来的一项新型加固措施。喷混凝土不需模板，施工进度快，能紧跟掘进工作面施工，缩短围岩暴露时间，使围岩的风化、潮解和应力松弛等不致有大的发展。但由于喷层较薄，随开挖岩面起伏不平，糙率较大，且大面积喷射施工质量难以控制，在内水压力及水流作用下，有可能引起渗漏及冲蚀破坏。喷混凝土的厚度不宜小于8cm，最大不宜超过20 cm。混凝土的设计强度等级不宜低于C20。锚杆支护是用特定形式的锚杆锚定于岩石内部，把原来不够完整、不够稳定的围岩固结成一个整体，增加围岩的整体性和稳定性（图3）。4）组合式衬砌。根据开挖断面周边不同部位衬砌的受力特点

8、和运用要求，可采用不同的衬砌材料组合而成。如内层为钢板、钢筋网喷浆，外层为混凝土或钢筋混凝土图1（g）；如顶拱为混凝土，边墙和底板采用浆砌石图1（h）；又如顶拱和边墙先锚喷后再进行混凝土或钢筋混凝土衬砌等形式。实践证明，在软弱、破碎的岩体中开挖隧洞，由于岩体稳定性差，采用先锚喷，再做混凝土或钢筋混凝土衬砌，是一种较安全、较经济的组合形式。5）预应力衬砌。预应力衬砌是对混凝土、钢筋混凝土衬砌的外壁施加预压应力，以便在运用时抵消内水压力产生的拉应力，克服混凝土抗拉强度低的缺点，这样不仅能减小衬砌厚度，减少隧洞开挖量，节约材料，还可以增强衬砌的抗裂性和不透水性。其缺点是工序多、施工复杂、高压灌浆技术

9、要求高、工期较长。最简单的预应力方法是向衬砌和围岩之间进行压力灌浆，使衬砌产生预压应力。为保证灌浆效果，应在衬砌与围岩之间预留有23cm的空隙，灌浆浆液应用膨胀性水泥，以防止干缩时导致预压应力降低。预应力衬砌多用于高水头圆形有压隧洞。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。在进行隧洞衬砌形式选择时，可参考表7-2并通过工程类比研究确定。表1 隧洞衬砌形式选择压力状态设计原则最小覆盖厚度要求承担内水压力能力围 岩 分 类备注、无压抗裂钢筋混凝土并加防渗措施研究是否采用预应力混凝土限裂锚喷、钢筋混凝土钢筋混凝土非

10、限裂不衬砌、混凝土、锚喷锚喷、钢筋混凝土有压抗裂满足具备预应力混凝土、钢筋混凝土并加防渗措施预应力混凝土、钢板钢筋混凝土并加防渗措施宜在低压洞使用不具备预应力混凝土、钢板局部不满足预应力混凝土、钢板限裂满足具备锚喷、钢筋混凝土钢筋混凝土锚喷宜在低压洞使用不具备钢筋混凝土局部不满足钢筋混凝土、预应力混凝土非限裂满足具备不衬砌、混凝土、锚喷、钢筋混凝土锚喷、钢筋混凝土不衬砌隧洞宜在、类围岩使用不具备钢筋混凝土局部不满足钢筋混凝土当围岩坚硬、完整、裂隙少、稳定性好且抗风化性能好时，对于流速低、流量较小的隧洞，可以不加衬砌。不衬砌的有压隧洞，其内水压力应小于地应力的最小主应力，以保证围岩稳定。由于不衬

11、砌隧洞的糙率大，泄放同样流量就要增大开挖断面，因此，是否采用不衬砌隧洞应经过技术经济比较之后确定。衬砌的分缝与止水在混凝土及钢筋混凝土衬砌中，一般设有施工工作缝和永久性的横向变形缝。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。变形缝的缝面不凿毛，分布钢筋也不穿过，无防渗要求的无压洞，可不设止水，对有压洞或有防渗要求的无压洞，则缝内应设止水片及充填12cm厚的沥青油毡或其它相应的防渗措施（图4）。图4 伸缩变形缝(单位：m)1断层破碎带；2沉陷缝；3沥青油毛毡后12cm；4止水片或止水带围岩地质条件比较均一的洞身段只设施工缝。根据浇

12、筑能力和温度收缩等因素分析确定沿洞线的浇筑分段长度，一般分段长度可采用612m，底拱和边拱、顶拱的环向缝不得错开。衬砌的环向施工缝需要进行凿毛处理，或设一些插筋穿过缝面以加强整体性。纵向施工缝应根据浇筑能力，设置在衬砌结构拉应力及剪应力较小的部位，对于圆形隧洞常设在与中心垂直线夹角为45处（图5）；对于城门洞形隧洞，为便于施工可设在顶拱、边墙、底板交界附近。纵向施工缝必须进行凿毛处理，必要时缝内可设键槽。图5 纵向施工缝(单位：m)1插筋；2分布钢筋；3止水片；4纵向施工缝；5受力筋灌浆隧洞灌浆分为回填灌浆和固结灌浆两种。1）回填灌浆。回填灌浆的目的是为了填充衬砌与围岩之间的空隙，使之结合紧密

13、，共同受力，以改善传力条件和减少渗漏。回填灌浆的范围、孔距、排距、灌浆压力及浆液浓度，应根据衬砌结构的形式、隧洞的工作条件、施工方法及隧洞开挖后断面的裂缝情况来确定。混凝土和钢筋混凝土衬砌的顶部必须进行回填灌浆，砌筑顶拱时，可预留灌浆管，待衬砌完成后通过预埋管进行灌浆（图6）,灌浆范围一般在顶拱中心角90120以内，孔距和排距一般为26m，灌浆孔应深入围岩5cm以上，灌浆压力一般为0.20.3MPa。图6 灌浆孔布置1回填灌浆孔；2固结灌浆孔；3伸缩缝2）固结灌浆。固结灌浆的目的在于加固围岩，提高围岩的整体性，减小围岩压力，保证岩石的弹性抗力，减小地下水对衬砌的压力和减少渗漏。对围岩是否需要进

14、行固结灌浆，应通过技术经济比较而定。固结灌浆参数，应根据围岩地质条件、衬砌结构形式、内、外水压力大小以及围岩的防渗、加固要求，通过工程类比或现场试验来确定。固结灌浆孔一般深入围岩约为隧洞半径的1倍左右，一般排距24m，每排不少于6孔，做对称布置（图7-18）。灌浆压力可采用1.52.0倍的内水压力。固结灌浆应在回填灌浆714小时之后进行，灌浆时应加强观测，以防洞壁产生变形或破坏。排水设置排水的目的是为了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，外水压力成为衬砌的主要荷载，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7）。排水孔间距、排距以及孔深一般为24m。图7 无压隧洞排水布置1径向排水孔；2纵向排水