第八章水工隧洞

第八章水工隧洞

8.1概述

一、概念

水工隧洞：為滿足水利水電工程各項任務(wù)的需要，在地面以下開鑿的各種隧洞，稱為水工隧洞。

二、功用

水工隧洞的功用包括：①泄洪；②滿足發(fā)電、灌溉、給水等的引水或輸水任務(wù)；③排沙；④放空水庫，用于檢修或人防等；⑤施工導(dǎo)流。

三、水工隧洞的類型

1、按擔(dān)負(fù)的任務(wù)

取水隧洞：用于獲取灌溉、發(fā)電、工業(yè)和生活用水等所需要的水量，流速一般較低。

泄水隧洞：一般為高速水流。如泄洪、放空、排沙及導(dǎo)流隧洞等。

特殊功用的隧洞：如通航隧洞、排漂隧洞、尾水隧洞等。

★在水工隧洞設(shè)計時，應(yīng)盡量做到一洞多用，如臨時變永久、或二洞合一等型式。(1)導(dǎo)流洞與泄洪洞結(jié)合，屬于臨時洞變永久洞改建工程。改建后一般用于無壓隧洞，進(jìn)水段多是龍?zhí)ь^式，進(jìn)口之后以拋物線段、斜坡段及反弧段與較低的洞身連接。(2)泄洪洞與發(fā)電洞合一布置。即一條隧洞分為主洞和支洞。分岔角一般為30-60°。

(3)另外，還有其他任務(wù)隧洞的合一布置。

如泄洪與排水隧洞的合一；發(fā)電后的尾水隧洞與灌溉隧洞的合一。

2、按工作時水力條件的不同：可分為有壓隧洞和無壓隧洞兩大類。

①有壓隧洞：為滿流情況，隧洞工作時內(nèi)壁面各個部位均作用有較大的內(nèi)水壓力，并保證洞頂?shù)臏y壓管水頭大于2m。引水發(fā)電隧洞一般為有壓。

②無壓隧洞：隧洞工作時有自由水面，又稱明流隧洞。灌溉渠道上的輸水隧洞一般為無壓的。

★其余的隧洞可為有壓或無壓狀態(tài)，或前段有壓后段無壓狀態(tài)，但必須避免：

明滿流交替出現(xiàn)的工作狀態(tài)，防振動、空蝕及對泄流能力的影響。

3、按襯砌方式分：不襯砌隧洞，噴錨、混凝土襯砌或鋼筋混凝土襯砌等。

4、按流速分：高速（v>16m/s），低速(v<16m/s)。

四、水工隧洞的特點(diǎn)

1、水力特點(diǎn)注意深式泄水隧洞水流的空蝕，脈動引起的建筑物振動，及出口q大造成的下游沖刷等問題。

為此需采用適宜的防空蝕和消能措施。

2、結(jié)構(gòu)荷載特點(diǎn)。山體中進(jìn)行洞室開挖后，導(dǎo)致圍巖變形甚至崩塌，為此常布置臨時支護(hù)和永久性襯砌，以承受山巖壓力等荷載。

山巖壓力：地下洞室開挖并襯砌后，由于圍巖變形而作用在襯砌上的力。

影響因素包括：圍巖的強(qiáng)度、變形性能、構(gòu)造產(chǎn)狀，洞室的形狀、尺寸，洞室開挖程序以及支護(hù)襯砌的時間等。

無壓隧洞：主要考慮空蝕和脈動水流的影響，對易發(fā)生空蝕的部位，應(yīng)采用防蝕、抗磨材料或其他防蝕措施。

有壓隧洞：從較大的內(nèi)水壓力和防滲考慮，要求圍巖有足夠的厚度和必要的襯砌。

總之，水工隧洞必需做好襯砌，并要盡量避開不利的地質(zhì)及水文地質(zhì)環(huán)境。

3、施工特點(diǎn)：隧洞一般工作面小，洞線長，工序多，干擾大，施工條件差，工期較長。故應(yīng)注意采用新的施工方法。

五、采用水工隧洞的條件適合采用水工隧洞的條件為：

1、山嶺起伏地區(qū)的引水式電站。

2、過水建筑物設(shè)計高程在地面以下，采用明渠挖方大不經(jīng)濟(jì)時。

3、修建明渠可能受到滑坡、塌方、泥石流、雪崩和冰凍威脅時。

4、深山峽谷中修建當(dāng)?shù)夭牧蠅螣o條件采用其他導(dǎo)流及泄洪建筑物時。

5、水電站廠房采用地下結(jié)構(gòu)時。

六、水工隧洞的組成：一般由進(jìn)口段、洞身段和出口段三部分組成，洞前及洞后相應(yīng)的還需布置引水渠及尾水渠，如圖8-2所示。

8.2水工隧洞的布置

一、水工隧洞的布置

1、總體布置(1)應(yīng)根據(jù)樞紐任務(wù)，對泄水建筑物進(jìn)行總體規(guī)劃。確定隧洞是專用或一洞多用。針對不同要求，結(jié)合地形、地質(zhì)和水流條件擬定進(jìn)口位置、高程。

(2)在合理的選定洞線的基礎(chǔ)上，根據(jù)地形、地質(zhì)、水流條件，選定進(jìn)口段的位置及結(jié)構(gòu)形式（豎井、塔式、岸塔式、斜坡式等），確定閘門在洞口中得位置。

(3)確定洞身縱坡及洞身斷面形狀及尺寸。

(4)根據(jù)地形、地質(zhì)、尾水位等條件及建筑物之間得相互關(guān)系，選定出口得位置，底板高程及消能方式。

(5)應(yīng)考慮臨時占地、永久占地、植被破壞和恢復(fù)、施工污染、運(yùn)行期地下水位變化等對環(huán)境的影響和水土保持的要求。使自然環(huán)境較小破壞、較易恢復(fù)，環(huán)境投資最小。

2、洞線選擇

(1)盡量避開地質(zhì)條件不良地段。（穩(wěn)定）

(2)力求洞線短、直，水流平順。（工程造價和水頭損失）

(3)進(jìn)、出口位置合適。

(4)使各段洞身橫斷面都有足夠的圍巖厚度。

(5)應(yīng)兼顧施工方便。

二、閘門在隧洞中的布置

（一）引水隧洞進(jìn)水口一般位于水庫調(diào)節(jié)庫容所相應(yīng)的工作深度以下。

★工作閘門位于出口段，進(jìn)口段只設(shè)攔污柵和事故檢修閘門。進(jìn)水口洞身水輪機(jī)尾水管

（二）泄水隧洞泄水隧洞中一般布置二道閘門，一為工作閘門(控制下泄流量)，一為檢修閘門(或稱事故閘門)。

1、工作閘門位置：可以布置在進(jìn)口、出口或隧洞中任一適宜位置。

(1)布置在進(jìn)口：①一般為無壓隧洞。可以作為表孔(布置上相當(dāng)于用隧洞代替了岸邊溢洪道的泄槽，多屬于由導(dǎo)流洞改建的龍?zhí)ь^式)或深孔(考慮閘門檢修方便，但水力條件不好）

②也可用于有壓隧洞，但考慮水力條件，一般僅用于V較低的施工導(dǎo)流洞。

（二）泄水隧洞

1、工作閘門位置

(2)布置在出口：用于有壓隧洞。對圍巖、襯砌及地質(zhì)條件要求比無壓隧洞高。一般在隧洞進(jìn)口設(shè)事故檢修閘門。

(3)布置在洞身某一位置

①隧洞線路需轉(zhuǎn)彎，常將閘門布置在洞內(nèi)轉(zhuǎn)彎段后的直線段上，閘門前后分別為有壓與無壓流。

②洞內(nèi)某處較出口處的地質(zhì)條件好，工作閘門布置在洞中。

2、檢修閘門

(1)一般均設(shè)在隧洞進(jìn)口，在工作閘門上游，當(dāng)工作閘門或隧洞檢修時，用以擋水。

(2)隧洞出口低于下游水位時也要設(shè)檢修閘門。深水隧洞的檢修閘門一般需要能在動水中關(guān)閉，靜水中開啟，也稱事故閘門。

8.3水工隧洞的進(jìn)口段

按進(jìn)水口的布置及結(jié)構(gòu)形式可分為豎井式、塔式、岸塔式和斜坡式等。

1、豎井式進(jìn)水口。在隧洞進(jìn)口附近的巖體中開挖豎井，沿岸坡成傾斜式，井壁一般要進(jìn)行襯砌，閘門安置在豎井井底中，豎井的頂部布置啟閉機(jī)及操縱室，攔污柵設(shè)于洞外。

組成：設(shè)攔污柵的閘前漸變段，豎井，閘后漸變段。

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)省工作橋，不受風(fēng)浪和冰凍的影響，抗震及穩(wěn)定性好，安全可靠。

缺點(diǎn)：豎井開挖困難，門前段隧洞檢修不便。

適用：地質(zhì)條件良好，岸坡巖體完整、穩(wěn)定、堅固，坡度適宜，易于開挖平洞和豎井的情況。

2、塔式進(jìn)水口。岸坡較緩或地質(zhì)條件較差時用以連接隧洞，或在連接壩底埋管時使用。塔獨(dú)立于岸坡，用鋼筋混泥土建造，塔頂設(shè)操縱平臺和啟閉機(jī)室，用工作橋與岸邊或壩頂相連。塔式進(jìn)水口可一邊或四周進(jìn)水。由此可分為封閉式和框架式兩類。

封閉式：水平截面可為圓形、矩形或多角形，可在不同高程設(shè)進(jìn)水口。運(yùn)行可靠，造價高。

框架式：工作水頭較低或根據(jù)運(yùn)用條件只需在進(jìn)口處設(shè)置一道閘門時采用。其結(jié)構(gòu)較輕，造價省，但只能在低水位時檢修?？蚣苁椒忾]式

組成：閘前漸變段，塔身，閘后漸變段。優(yōu)點(diǎn)：布置緊湊，可在任何水位下檢修，閘門檢修相對來說方便可靠。缺點(diǎn)：造價較高。另設(shè)工作橋，可能增加投資，需進(jìn)行穩(wěn)定驗算。適用：當(dāng)?shù)夭牧蠅误w，或進(jìn)口處山巖地質(zhì)條件較差，岸坡又比較平緩，不宜開鑿豎井的情況。

3、岸塔式(岸墻式)。進(jìn)水口是依靠在開挖后洞臉巖坡上的進(jìn)水塔，塔身直立或稍有傾斜，一般要求地質(zhì)條件較好，有穩(wěn)定岸坡，位于岸坡巖體之外而又緊靠巖坡成為整體，多為傾斜式。其也可分為封閉式和框架式。

優(yōu)點(diǎn)：由于塔身斜靠山坡，故易滿足穩(wěn)定要求，對岸坡也直到一定的支撐作用，施工、安裝、維修方便，地形、地質(zhì)條件許可時優(yōu)先選用。

缺點(diǎn)：若傾斜，閘門也斜，啟門力增加，不易靠自重關(guān)閉閘門。

適用：地質(zhì)條件較好，岸坡較陡，進(jìn)口處巖石堅固，不易挖井，可開挖成近于直立的陡壁。

4、斜坡式。如果巖石完整、穩(wěn)定，則可稍加開挖平整并進(jìn)行襯砌后，直接將閘門及攔污柵軌道安置在斜坡上而不設(shè)置控制塔。

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，施工方便，穩(wěn)定性好，造價最低。

缺點(diǎn)：斜坡上裝閘門，關(guān)門時不易靠自重下降，啟門力大。

適用：岸坡地形地質(zhì)條件適合的中小型工程或僅安裝檢修閘門的進(jìn)水口，要求較為完整的巖坡。

5、組合式進(jìn)水口上列幾種基本進(jìn)水口形式還可根據(jù)具體地形地質(zhì)條件組合采用。如上部塔式而下部豎井。

二、進(jìn)口段的組成部分

水工隧洞進(jìn)口段包括：進(jìn)水喇叭口、閘門室、通氣孔、平壓管、漸變段等幾部分。

1、閘門前、后漸變段(同重力壩壩身泄水孔)

2、通氣孔

有壓進(jìn)水口工作閘門后應(yīng)設(shè)通氣孔。

3、平壓管(充水閥)

4、攔污柵

攔污柵作用：防止有害污物及漂浮物進(jìn)入進(jìn)水口，影響過水能力。

布置：

①平面傾斜：一般用于水電站引水隧洞。傾角一般為60-700。過水?dāng)嗝娲?，易于清污，適用于豎井式、岸墻式。

②平面直立：適用塔式，不利于清污。

③多邊形式布置。

結(jié)構(gòu)：

①支承結(jié)構(gòu)：金屬框架或鋼筋砼結(jié)構(gòu)。

②柵片結(jié)構(gòu)：由若干柵條組成，柵片放在支承結(jié)構(gòu)的柵槽中。經(jīng)常提放（修理、清污)。每塊柵片寬度一般≯2.5m，高度≯4m；為槽鋼、角鋼或扁鋼等焊接、螺栓、連接而成格柵結(jié)構(gòu)。

③柵條結(jié)構(gòu)：柵條一般厚8-12mm，寬100-200mm。

清污及檢修：定期清污（人工、機(jī)械），柵片類似閘門，可由柵槽中提起檢修及清污。

★注：攔污柵框架頂部應(yīng)高出需要清污時的相應(yīng)水庫水位。泄水隧洞一般不設(shè)攔污柵，當(dāng)要攔較大漂浮物時，可視需要設(shè)梁格較大的固定式柵架。8.4水工隧洞的洞身段

一、洞身斷面形式

1、無壓隧洞的斷面形式

(1)圓拱直墻形(城門洞形)：適用于地質(zhì)條件較好，垂直山巖壓力較大而無側(cè)向山巖壓力，或側(cè)向山巖壓力很小的情況。中心角多在90°-180°之間。寬高比一般為1-1.5邊墻傾斜

(2)馬蹄形（蛋形）：適用于巖石比較軟弱破碎，垂直山巖壓力和側(cè)向山巖壓力均較大的情況。

(3)圓形：適用于圍巖條件差，且地下水壓力較大，掘進(jìn)機(jī)施工情況。TBM掘進(jìn)機(jī)工作過各示意圖TBM刀盤部分全長100多米，鉆頭直徑8米多，隧洞的襯砌，支護(hù)可一氣呵成。

2、有壓隧洞的斷面型式一般采用圓形，在圍巖較好，內(nèi)水壓力不大時，為了施工方便，也可采用無壓隧洞常用的斷面形式(城門洞形、馬蹄形等)。

二、洞身橫斷面尺寸

非圓形斷面：長×高不小于1.5m×1.8m；

圓形斷面：內(nèi)徑不小于1.8m。

城門洞形斷面：頂拱中心角一般為90°-180°，斷面高寬比一般為1-1.5，水深變化大則采用上限。

三、隧洞襯砌構(gòu)造

(一)襯砌的功用

①加固和保護(hù)圍巖，阻止圍巖變形的發(fā)展。

②承受山巖壓力、內(nèi)水壓力及其它荷載。

③防止?jié)B漏。

④保護(hù)巖石免受水流、空氣、溫度、干濕變化等的沖蝕破壞作用。

⑤減小隧洞的表面糙率，減小水頭損失。

(二)襯砌的類型按設(shè)置目的分為抹平和受力襯砌兩類，而受力襯砌又包括單層、組合、預(yù)應(yīng)力、噴錨襯砌等。

1、抹平襯砌(平整襯砌或護(hù)面）采用砼、噴砼、漿砌石等做成的減少糙率，防止漏水、抵抗沖蝕、防止風(fēng)化等的平整護(hù)面，不承受荷載。

適用：造價低，施工方便，適用于巖石較好，水頭較低的情況。

2、單層襯砌：是用混凝土(圖8-8a)、鋼筋混凝土(圖8-8b、c、d)或漿砌石做成的承受荷載的襯砌。據(jù)經(jīng)驗，砼及鋼筋砼的厚度一般均為洞徑或洞寬的1/8-1/12，且≮25cm。

適用：中等地質(zhì)條件、斷面較大、水頭較高的情況，應(yīng)用廣泛。其中前兩種材料的單層襯砌應(yīng)用最廣泛。

3、組合襯砌不同材料組成的雙層、多層襯砌，或頂拱、邊墻及底板以不同材料構(gòu)成的襯砌。（例子見教材P397）

4、預(yù)應(yīng)力襯砌對砼或鋼筋砼襯砌施加預(yù)壓應(yīng)力，以抵消內(nèi)水壓力產(chǎn)生的拉應(yīng)力，克服砼抗拉強(qiáng)度低的缺點(diǎn)。

適用：作用高水頭的圓形有壓隧洞。

優(yōu)點(diǎn)：可使襯砌厚度減薄，節(jié)約材料和開挖量，還可以增強(qiáng)襯砌的抗裂性和不透水性。

缺點(diǎn)：施工復(fù)雜、工序多、高壓灌漿技術(shù)要求高、工期較長。

專題：1、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土的基本原理

混凝土的抗拉性能很差，使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)帶裂縫工作，從而使鋼筋的抗拉強(qiáng)度得不到發(fā)揮。

為避免裂縫過早出現(xiàn)，充分利用高強(qiáng)度鋼筋，可在構(gòu)件承受荷載前，預(yù)先對受拉區(qū)的混凝土施加壓力，來減小或抵消使用時荷載所引起的混凝土拉應(yīng)力，從而將結(jié)構(gòu)構(gòu)件的拉應(yīng)力控制在較小范圍，甚至處于受壓狀態(tài)，以推遲混凝土裂縫的出現(xiàn)和開展，從而提高構(gòu)件的抗裂性能和剛度。

預(yù)應(yīng)力混凝土的基本原理圖

專題：2、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土的施工

(1)先張法：先張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋，然后澆筑混凝土的施工方法。

張拉設(shè)備工藝過程是：穿鋼筋→張拉鋼筋→澆筑砼并進(jìn)行養(yǎng)護(hù)→切斷鋼筋。先張法張拉設(shè)備（2）后張法：先澆筑混凝土，待混凝土硬化后，在構(gòu)件上直接張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋。工藝過程：澆筑砼構(gòu)件(預(yù)留孔道)并進(jìn)行養(yǎng)護(hù)→穿預(yù)應(yīng)力鋼筋→張拉鋼筋并用錨具錨固→孔道內(nèi)壓力灌漿后張法張拉設(shè)備

(三)襯砌的分縫

1、施工工作縫(臨時縫)：一般設(shè)有橫向(垂直水流方向)、縱向施工工作縫。

★注：為防止由于混凝土凝固收縮產(chǎn)生裂縫，分段澆筑的順序通常是跳倉澆筑法。陸渾水庫泄洪洞襯砌施工分縫(單位：m)

2、永久橫向伸縮縫

(1)設(shè)置部位

①地質(zhì)條件變化處。

②襯砌結(jié)構(gòu)變化處(接頭處)。(2)設(shè)置目的：防止水平位移及不均勻沉陷造成襯砌破裂。伸縮沉陷縫（單位：m）厚度突變

3、永久橫向溫度伸縮縫防止混凝土干縮和溫度應(yīng)力而產(chǎn)生的裂縫。其比臨時工作縫施工難度高，效果值得懷疑，決定是否選用應(yīng)慎重。

★實際施工中：橫向施工縫、沉降縫、伸縮縫，盡量結(jié)合在一起。

(四)灌漿

1、回填灌漿目的：為了充填襯砌與圍巖之間的空隙，使之緊密結(jié)合，共同工作，改善傳力條件和減少滲漏。

施工方法：在頂拱部位預(yù)留灌漿管，在襯砌完成后，通過預(yù)埋管進(jìn)行灌漿。

灌漿范圍：一般在頂拱中心角900~1200以內(nèi)。

孔距、排距：一般2~6m(深入巖體5cm以上)。

壓力：見書。

2、固結(jié)灌漿

目的：在于加固圍巖，減少滲漏。

范圍：整個斷面。一般深入圍巖2~5m，對于圍巖條件差的地段或直徑較大的隧洞達(dá)6~10m。

孔距、排距：2~4m，每排不宜少于6孔，作對稱布置?？拙嗉s為1倍隧洞半徑，布置成梅花形。

壓力：一般為1.5~2.0倍內(nèi)水壓力。

★注：①灌漿時應(yīng)加強(qiáng)觀測，防止洞壁產(chǎn)生變形或破壞。②二種灌漿孔通常分排間隔排列。

③固結(jié)灌漿應(yīng)在回填灌漿7-14天之后進(jìn)行。

當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件良好，圍巖透水性較低，可不進(jìn)行灌漿。

(五)排水

作用：降低作用在襯砌上的外水壓力。

(1)無壓洞：外水壓力較大時，設(shè)置排水（徑向、縱向）。

①徑向排水孔的孔距和排距2-4m，孔深2-4m，一般在洞內(nèi)水面以上設(shè)置。當(dāng)無壓隧洞邊墻很高時，也可在邊墻背后水面高程以下設(shè)置暗的環(huán)向及縱向排水系統(tǒng)。另洞內(nèi)水面以下也可設(shè)置排水孔，主要用于隧洞放空時排水。

②縱向排水設(shè)在襯砌底部。

(2)有壓洞：

①一般只需加強(qiáng)固節(jié)灌漿(防滲)，不設(shè)排水。

②確有必要設(shè)置排水時，也只能采用環(huán)向、縱向排水暗管。

環(huán)向排水：可用礫石鋪成，每隔6-8m設(shè)一道，收集的滲水匯集后由襯砌下部的縱向排水暗管(例如無砂混凝土管)排向下游。

8.5水工隧洞的出口段及消能設(shè)施

一、有壓隧洞的出口段

有壓隧洞出口處常設(shè)閘門，因此設(shè)閘室。門前設(shè)漸變段，門后接消能設(shè)施。

★其出口斷面應(yīng)做成逐漸收縮的壓坡形式，但應(yīng)注意不能影響泄流能力。坡度一般為1:20。

二、無壓隧洞出口段出口處無閘門，僅設(shè)門框，以防洞臉及其上部巖體崩塌，出口構(gòu)造主要是消能設(shè)施。

三、隧洞出口消能方式

1、挑流噴消能：應(yīng)優(yōu)先選用挑流消能，因其比較經(jīng)濟(jì)合理，用于有壓及無壓隧洞。出口可收縮或擴(kuò)散

2、底流消能：應(yīng)用較多。可采用擴(kuò)散后的底流水躍消能。水流出洞后與擴(kuò)散連接段，水平向可采用1:6-1:8，垂直向宜采用水流質(zhì)點(diǎn)的拋物線與消力池連接。

◎摻氣減蝕措施（P404）工人在邊壁設(shè)置挑起、突跌、突擴(kuò)等體形結(jié)構(gòu)物，使急流通過時產(chǎn)生脫離和低壓腔，此低壓腔處設(shè)有與大氣連通的通氣孔。

3、洞中突擴(kuò)消能在有壓隧洞中分段造成出流突然擴(kuò)散，與其周圍水體之間形成大量漩渦、摻混而消能。有縮有放的一些結(jié)構(gòu)，如P400圖8-17。

4、洞內(nèi)旋流消能

在隧洞內(nèi)設(shè)置造旋設(shè)施，使水流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，利用水流離心力增加過流壁面壓強(qiáng)，防止過流壁面空蝕破壞。

8.8水工隧洞襯砌的荷載及荷載組合

一、荷載1、圍巖壓力2、圍巖的彈性抗力

圍巖的單位抗力系數(shù)K0：半徑為100cm的孔口，受均勻內(nèi)壓時，孔周發(fā)生1cm的徑向位移時的均勻內(nèi)壓值?？捎晒こ探?jīng)驗或試驗的方法得出：K0=Ed/100(1+μd)Ed與μd為圍巖的彈模和泊松比，可由試驗得出，無論是室內(nèi)還是現(xiàn)場試驗都應(yīng)注意試驗結(jié)果的局限性。3、內(nèi)水壓力

主要針對有壓隧洞，由洞頂以上的水頭產(chǎn)生的力均勻內(nèi)水壓γh和無水頭洞內(nèi)滿水壓(洞頂0，洞底γd)值組合而成。

4、外水壓：常將地下水位線以下的水柱H乘以折減系數(shù)β表示。即γHβ。5、襯砌自重：襯砌容重乘以其厚度。

6、灌漿壓力7、地震及溫度作用二、荷載組合

正常運(yùn)用情況為基本組合，用以設(shè)計襯砌厚、材料標(biāo)號和配筋量。其他情況作為校核。

8.9水工隧洞襯砌計算與支護(hù)設(shè)計

各種襯砌的厚度計算公式見P418－－－。

※※新奧法和噴錨支護(hù)P437

一、新奧法

即新奧地利隧道施工方法的簡稱，原文是NewAustrianTunnellingMethod，簡稱NATM。

它是以既有隧道工程經(jīng)驗和巖體力學(xué)的理論為基礎(chǔ)，將錨桿和噴射混凝土組合在一起作為主要支護(hù)手段的一種施工方法。

※※新奧法和噴錨支護(hù)P437

二、噴錨支護(hù)是利用錨桿和噴混凝土進(jìn)行圍巖加固的總稱。兩者可單獨(dú)使用，也可聯(lián)合使用，還可附加鋼筋網(wǎng)。噴錨支護(hù)是配合新奧法發(fā)展起來的一項新型支護(hù)。

三、噴錨襯砌的工作原理

隧洞開挖→巖層平衡狀態(tài)破壞，洞壁一定塑性區(qū)范圍內(nèi)形成了一個承重圈。此時山巖壓力繼續(xù)增加→巖體將產(chǎn)生裂縫、滑移、掉塊以至大面積坍塌，從而失去穩(wěn)定。在巖體變形過程中，噴錨襯砌能及時將圍巖予以封閉加固，給予其一定的反力，阻止其變形的發(fā)展，可以發(fā)揮圍巖的自承能力，保持圍巖的穩(wěn)定。噴錨襯砌與圍巖緊密聯(lián)合，它具有一定的柔性，襯砌承受的載荷僅為抑制圍巖繼續(xù)變形所產(chǎn)生的壓力，這種變形壓力與松散壓力相比要小得多。

四、噴錨支護(hù)的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用

優(yōu)點(diǎn)：適用各種巖層條件，使用靈活，施工速度快，噴砼厚度也遠(yuǎn)<常規(guī)砼襯砌厚度，可大大節(jié)省工程量，降低造價，縮短工期，與常用襯砌比較有支護(hù)快、頂部緊帖、柔性大等特點(diǎn)。

缺點(diǎn)：表面不夠光滑，糙率大，尤其當(dāng)開挖施工中超、欠挖較大時更難由混凝土填平。

應(yīng)用：

a.施工期臨時支護(hù)及導(dǎo)流隧洞等臨時工程。

b.永久性工程：無壓隧洞的頂部部分、有壓隧洞的低水頭、低流速部分。

五、噴錨支護(hù)的類型

1、噴混凝土支護(hù)噴混凝土支護(hù)與圍巖共同工作，改善支護(hù)工作條件，也加固了圍巖。噴混凝土能緊跟掘進(jìn)工作面施工，縮短了圍巖的暴露時間，使圍巖的風(fēng)化、潮解和應(yīng)力松馳等不致有大的發(fā)展，堵塞滲水通道。

噴砼的作用為：

●充填巖體表面張開的裂隙，使圍巖結(jié)成整體。

●填補(bǔ)不平整表面，緩和應(yīng)力集中。

●保護(hù)巖體表面，堵塞滲水通道，阻止巖塊松動和被侵蝕。

2、錨桿支護(hù)(節(jié)理發(fā)育的圍巖常采用)錨桿支護(hù)是有特定形式的錨桿錨固于巖石內(nèi)部，把原來不夠完整的圍巖固結(jié)起來，從而增加圍巖的整體性和穩(wěn)定性。

錨桿作用：懸吊作用、組合(銷釘)作用、固結(jié)(承拱)作用。錨桿三種作用機(jī)制是綜合發(fā)生的。

3、噴混凝土+錨桿支護(hù)用于強(qiáng)度不高或完整性很差的巖層。

4、噴混凝土+錨桿+鋼筋網(wǎng)支護(hù)對于軟弱的不良地質(zhì)巖層的噴錨支護(hù)中，一般加設(shè)鋼筋網(wǎng)以承受拉應(yīng)力，提高噴混凝土層的強(qiáng)度，并減少溫度裂縫。

六、噴錨支護(hù)的設(shè)計

工程經(jīng)驗類比法更常用，見表8－10。

(一)噴砼的厚度d計算設(shè)計理論較多，教材公式為：r1Rmax彈性區(qū)塑性區(qū)洞室

α－剪切面與隧洞斷面垂直中心線的夾角，一般20~30°。

Pi－支護(hù)上的徑向壓力，見P423式8--14。

引入一：按粘結(jié)破壞（撕開）（噴砼情況）

R粘－噴砼計算粘結(jié)強(qiáng)度；l－危石邊長Kr－危石彈性抗力系數(shù)，由圍巖彈模及泊松比計算得出，見P424；E－噴混砼的彈模；G——危石重量；引入二：按“沖切”破壞（噴錨情況）τB－噴砼抗剪強(qiáng)度K－安全系數(shù)，一般取1.5

(二)噴砼的施工

撬除危石，清洗巖面，然后噴一層厚約1cm的小水灰比的水泥漿或厚約2-3cm的富水泥砼。噴