隧洞結(jié)構(gòu)分析及施工解析（51頁清楚明了）

1、 第八章 水工隧洞 1 概 述 一、水工隧洞的類型 二、水工隧洞的工作特點 三、水工隧洞的組成一、水工隧洞的類型： 分類方法：按功用分、按受力狀態(tài)分。（一）按功用分： 泄洪 引水：發(fā)電、灌溉、供水；航運輸水。 排沙 放空水庫 施工導(dǎo)流（二）按受壓狀態(tài)分： （1）有壓： 水力計算 、管流計算 在工程布置上受力情況差別較大 （2）無壓： 明渠流計算 運行條件上（同一條洞前段有壓，后段無壓） 禁忌：明滿流交替 危害：（1）易引起振動、空蝕。 （2）影響泄流能力。 具體到一個工程，究竟采用有壓或無壓，應(yīng)通過技術(shù)、經(jīng)濟比較后確定。二、水工隧洞的工作特點（1）水力特點： 深式泄水孔： A 泄水能力與H1/

2、2成正比。 B 進(jìn)口位置低，能預(yù)泄。 C 承受得水頭較高，易引起空化、空蝕。 D 水流脈動會引起閘門等振動。 E 出口單寬流量大，能量集中會造成下游 沖刷。（2）結(jié)構(gòu)特點： A 洞室開挖后，引起應(yīng)力重分布，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。 B 承受較大內(nèi)水壓力的隧洞，要求圍巖具有足夠的厚度和必要的襯砌。（3）施工特點： 隧洞一般斷面小，洞線長，工序多， 干擾大，施工條件差，工期較長。三、水工隧洞的組成 進(jìn)口段 洞身段 出口段 2 水工隧洞的布置 及線路選擇一、總體布置及線路選擇二、閘門在隧洞中的布置三、多用途隧洞的布置一、總體布置及線路選擇 （1）應(yīng)根據(jù)樞紐的任務(wù)，對泄水

3、建筑物進(jìn)行總體 規(guī)劃。 （2）在合理定洞線的基礎(chǔ)上，根據(jù)地形、地質(zhì)、 水流條件，選定進(jìn)口的位置及進(jìn)口結(jié)構(gòu)形成， 確定閘門在洞口中的位置。 （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 的相互關(guān)系，選定出口的位置，底板高程及 消能方式。 選線是設(shè)計中一個至關(guān)重要的問題，它關(guān)系到工程造價、施工難易、工期長短和運行可靠性等方面。選洞線的一般原則和要求為：（1）隧洞的線路應(yīng)盡量避開不利的地質(zhì)構(gòu)造，圍巖可能不穩(wěn)定及地下水位高、滲流量豐富的地段，以減少作用于襯砌上的圍巖壓力和外水壓力。（2）洞線在平面上應(yīng)力求短直，這樣既可以減少工程費用，減少水頭損失，便于施工。

4、必須轉(zhuǎn)彎時，其直線半徑不宜小于5倍洞徑或洞寬，轉(zhuǎn)角不宜大于60o，彎道兩端的直線段不宜小于5倍洞徑（或洞寬）。（3）隧洞應(yīng)有一定的埋藏深度。（4）隧洞的縱坡，應(yīng)根據(jù)水利條件運用要求、 用途、上下游銜接、施工和檢修等因素 綜合分析比較后確定。（5）對于長隧洞，選擇洞線時還應(yīng)注意利用地形、 地質(zhì)條件、布置一些施工支洞、斜井、豎井， 以增加工作面，加快施工進(jìn)度。（6）要考慮進(jìn)出口與其它建筑物的關(guān)系： 如果水庫所建的壩是土石壩，則進(jìn)口應(yīng)距離 壩坡50M以上，出口應(yīng)距離壩坡100M以上，以免 水流沖刷壩坡。 排沙洞： 為了保證電站進(jìn)水口免受泥沙淤積威脅，故 排沙洞進(jìn)口布置在靠近電站進(jìn)口的上游側(cè)，高程 比

5、電站進(jìn)水口低，以使電站進(jìn)口在其拉沙漏斗 范圍內(nèi)。 泄水隧洞： 出口方向要與下游的河道銜接順暢，減輕對岸邊的沖刷。 每一個初步方案均應(yīng)用平面圖和縱剖圖來表示。 平面圖表示出： 地形、隧洞和其它建筑物的關(guān)系， 進(jìn)口位置、閘門位置、施工旁洞、 豎井、堆渣地點等。 縱剖面圖表示出： 地質(zhì)構(gòu)造、斷層破碎帶以及其它地質(zhì)特點， 進(jìn)出口及閘門置、底坡的坡率、洞底高程。二、閘門在隧洞中的布置 泄水隧洞中一般布置工作閘門，檢修閘門（或事故閘門） 可以布置在進(jìn)口、出口或隧洞中某一 適宜位置。（1）布置在進(jìn)口： 一般為無壓洞 也可以是有壓洞。（平時利用閘門擋水， 保持洞內(nèi)無水）（2）布置在出口： 有壓洞。（3）布置在

6、洞身某一位置 A 由于地形、地質(zhì)、施工和樞紐布置上的原因，隧洞線路需要轉(zhuǎn)彎，閘門室易布置在轉(zhuǎn)彎段后的直線段上。 B 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，可以利用巖體承受閘門傳輸?shù)乃畡恿?。三、多用途隧洞的布置?一洞多用，或臨時任務(wù)與永久任務(wù)相結(jié)合。 這樣可減小工程量，降低造價，也可解決樞紐 中單項工程過多造成布置上的困難。（一）泄洪洞與導(dǎo)流洞合一布置 常作成“龍?zhí)ь^”式，在進(jìn)口之后用拋物線段、斜坡段、反弧段與較低的洞身相連接。 “龍?zhí)ь^”式泄洪洞，一般水頭高，流速大，反弧及下游易遭空蝕破壞。為了避免空蝕，應(yīng)做好體形設(shè)計，控制施工質(zhì)量。限制不平跨度，并選用適當(dāng)?shù)膿綒鉁p蝕措施。 （二

7、）泄洪洞與發(fā)電洞合一布置 布置型式： 存在問題： 1、岔尖處的水流流態(tài)復(fù)雜，容易產(chǎn)生 不利負(fù)壓和空蝕。 2、泄洪時對發(fā)電不利。泄洪發(fā)電泄洪（支洞）發(fā)電(支洞)岔尖 （三）泄洪洞與排沙洞合一布置 排沙洞進(jìn)口高程低，在施工期可做導(dǎo)流洞用。 1、閘門壓力大，啟閉困難。 （洪水期開啟，水頭高。） 2、泥沙堆積，閘門不易開啟。 3 進(jìn) 口 段 一、形式及計算要點 二、進(jìn)口段的組成部分 （一）進(jìn)水喇叭口 （二）通氣孔 （三）攔污柵 （四）漸變段、閘門室及平壓管一、形式及計算要點 按布置與結(jié)構(gòu)形式分為： 豎井式、塔式、岸塔式、斜式。 適用條件 優(yōu)缺點計算要點豎井式： 地質(zhì)條件好 地形適宜 干井弧門 濕井平門

8、 優(yōu)：結(jié)構(gòu)簡單、不受風(fēng)浪、水的影響，抗震及穩(wěn)定好，地形條件適宜時，工程量較小。缺：豎井前的一段隧洞檢修不便。 沿井的不同高度，截取斷面，按單位高度的封閉或框架進(jìn)行分析。適用條件 優(yōu)缺點計算要點塔式： 岸坡低緩，巖石破碎或覆蓋層較厚。優(yōu)：對于取水用的封閉塔，可在不同高程設(shè)置取水口，取用上層溫度較高的清水。缺：受風(fēng)浪、地震、冰的影響大，穩(wěn)定性相對較差，需要工作橋與庫岸相連。 塔身是直立的懸臂結(jié)構(gòu)，需計算塔身的抗傾、抗滑穩(wěn)定。按封閉框架計算單位的高度的橫斷面的水平應(yīng)力，按懸臂計算鉛直應(yīng)力（將立體框架簡化成平面問題計算）適用條件 優(yōu)缺點計算要點岸塔式： 岸坡較陡，巖石比較堅固穩(wěn)定。優(yōu)：穩(wěn)定性比塔式好，

9、 施工、安裝比較方 便，無須接岸橋梁.缺：受風(fēng)浪、冰、地震 有一定影響。 基本方法同塔式，另外應(yīng)考慮塔背是否作用有巖石壓力。斜坡式：完整的巖坡，地形適宜，閘門及攔污柵的軌道直接安裝在斜坡的護(hù)砌上。優(yōu)：結(jié)構(gòu)簡單，施工、 安裝方便，穩(wěn)定性 好，工程量小。缺：閘門面積加大，關(guān)門時不易靠自垂下降.二、進(jìn)口段的組成部分 進(jìn)口段包括： 進(jìn)水喇叭口、閘門室、通氣孔、平壓管、漸變段。（一）進(jìn)水喇叭口 位置：在隧洞的首部 要求：其體形與孔口水流的形態(tài)相適應(yīng)，使水流平順 通過，而不致脫壁。 避免產(chǎn)生不利的負(fù)壓合空隙破壞。 減少局部水頭損失，以提高泄流能力。 體型：常采用矩形斷面，頂板和邊墻順?biāo)鞣较蛉媸湛s 平底

10、。喇叭口的頂板和邊墻常采用橢圓曲線，其方程為：式中：a 長半軸 頂板約等于閘門處的孔口高度（H） 邊墻約等于閘門處的孔口寬度（B） b 短半軸 頂板：H/3 邊墻：（1/31/5）B 對于重要的工程，進(jìn)口曲線應(yīng)通過水工模型試驗確定。無壓隧洞的壓力進(jìn)口頂板，在檢修閘門上游通常是一段傾斜的橢圓曲線，以便與檢修閘門和工作門之間的頂板銜接，此頂板以1：4 1：6的坡度向下游縮，以增加進(jìn)口段的壓力，防止發(fā)生空蝕。 檢修門槽前的入口段長度可控制在（0.8 1.0）倍工作閘門處的孔口高度范圍內(nèi)。檢修門槽與工作閘門之間的頂板也應(yīng)布置成壓坡段（目的：收縮斷面進(jìn)一步改善進(jìn)口的壓力分布和水流流態(tài)）。（二）通氣孔位置

11、：設(shè)在泄水隧洞進(jìn)口或中部的工作閘門之后。 設(shè)在檢修門和工作門之間。作用：工作閘門在各級開度情況下補氣 檢修時補氣。 檢修完畢，工作閘門和檢修門之間充分輸水直至平 壓，此時排氣。布置上注意點： 通氣孔的進(jìn)口必須與閘門啟閉機室分開，因為進(jìn)口處氣流速度大，以免在補氣、排氣時，影響工作人員的安全。Va40 45m/s 孔管應(yīng)力求減少轉(zhuǎn)彎，突變，以減少阻力。通氣量的計算及通氣孔設(shè)計： 通氣孔應(yīng)按正常的泄流情況設(shè)計，其斷面多為圓形，其大小決定于通氣量和允許風(fēng)速。 通氣量與泄水流量及下游洞內(nèi)流態(tài)有關(guān)。 目前多采用一些經(jīng)驗公式或半經(jīng)驗公式。 對于泄水隧洞中的工作閘門和事故閘門的通氣孔： 對于高水頭大型工程中重

12、要閘門后的通氣孔（無壓隧洞或管道）計算時先假定a，求得Qa后，再以 驗算Va，確定其是否超過允許風(fēng)速（Va Va =40 45m/s）。 否則，重復(fù)上述計算，直到滿足為止。 檢修門后的通氣孔面積，一般以大于或等于充水平壓閥的面積為宜。（三）攔污柵（四）漸變段、閘門室及平壓管 4 洞 身 段 一、洞身斷面形式 二、洞身斷面尺寸 三、洞身襯砌一、洞身斷面形式 洞身斷面形式，取決于水流條件（有、無壓），施工條件，地質(zhì)條件及適用要求。（一）無壓隧洞的斷面形式 1、城門洞形（圓拱直墻形） 優(yōu)點：施工（開挖、立模、襯砌）簡單，為渠道上的隧洞，其進(jìn)出口與渠道連接也簡單。 適用：垂直山巖壓力較大，而無側(cè)向山巖

13、壓力或側(cè)向山巖壓力很小的情況。為減小或消除側(cè)向山巖壓力，可把邊墻作成傾斜的。 2、馬蹄形： 適用：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： 圍巖條件較差，且外水壓力較大，掘進(jìn)機施工。（二）有壓隧洞的斷面型式 斷面一般采用圓形，其原因： 水流條件和受力條件均有利。 在面積一定的條件下，圓形過流能力最大。 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。二、洞身斷面尺寸 洞身斷面尺寸，可根據(jù)給定的泄流量，作用水頭 及縱斷面布置，通過必要的水力計算及水工模型實驗確定。 導(dǎo)流洞尺寸與圍堰高度有關(guān)，涉及到經(jīng)濟因素。 水力計算內(nèi)容： 1、有

14、壓隧洞 任務(wù)：核算泄流能力及沿程壓坡線 泄水能力按管流計算 : 式中： 考慮沿程和局部阻力的系數(shù)。 隧洞出口斷面面積（約為洞身面積8090%）。 H上下游水位差（作用水頭）。 為了保證洞內(nèi)水流處于有壓狀態(tài)，一般要求洞頂應(yīng)有2M以上的壓力余幅，流速大壓力余幅也大。 采用縮小出口斷面面積增大壓力，減免負(fù)壓和空蝕。 2、無壓隧洞 計算泄水能力， 表孔式進(jìn)口，按堰流計算。 深式短管式進(jìn)口，泄水能力決定于進(jìn)口壓力段，仍用有壓管流計算，但系數(shù)隨進(jìn)口段局部水頭損失而定。（一般在0.9左右，不考慮沿程損失，因為距離短），為工作閘門處的孔口面積。 工作閘門之后的陡坡段，可用能量方程分段求出其水面線，為了保證洞內(nèi)

15、為明流（穩(wěn)定的）狀態(tài)，水面線上應(yīng)有一定凈空。 流速低，通氣良好： 凈空面積不小于隧洞斷面面積的15%，高度40cm。 流速高： 要考慮摻氣和沖擊波的影響，在摻氣水面以上的凈空約為洞身面積的1525%。 對于城門洞形斷面，沖擊波峰還應(yīng)限制在直墻范圍內(nèi)。3、還應(yīng)考慮到施工和檢查維修等方面的需要 非圓形不小于 1.5m1.8m（高） 圓形內(nèi)徑不小于 1.8m 三、洞身襯砌（一）功用 1、阻止圍巖變形的發(fā)展，保證圍巖穩(wěn)定。 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等。（二）類型 1、護(hù)面：平整（或抹平）

16、襯砌 采用砼、噴漿、砌石等護(hù)面，不承受荷載。 作用：減小糙率、防止漏水。 適用：巖石較好，水頭較低的情況。 適用：巖石較好，水頭較低的情況。 優(yōu)點：造價低，施工方便。 2、單層襯砌 適用：中等地質(zhì)條件，斷面較大，水頭較高，流速 較大的情況。 采用：混凝土、鋼筋混凝土、漿砌石。 3、組合襯砌 內(nèi)層為：鋼板、鋼絲網(wǎng)噴漿 外層為：混凝土、鋼筋混凝土 頂拱為混凝土，邊墻為漿砌石（圍巖好， 邊墻護(hù)面） 頂拱噴錨支護(hù)，邊墻底板為混凝土或鋼 筋混凝土（無壓洞） 先噴錨支護(hù)，再做混凝土或鋼筋混凝土 襯砌。 4、預(yù)應(yīng)力襯砌（以隔河巖為例子發(fā)電引水洞） 適用：高水頭有壓隧洞 襯砌型式的選擇，應(yīng)根據(jù)隧洞能擔(dān)負(fù)的任務(wù)

17、，地質(zhì)條件， 斷面尺寸，受力狀態(tài)，施工條件等因素，通過綜合比較 后確定。（三）襯砌分縫 分縫原因：混凝土或鋼筋混凝土襯砌在施工和運用期 1、由于混凝土的干縮和溫度應(yīng)力可能產(chǎn)生裂縫 2、當(dāng)隧洞穿過地質(zhì)條件變化顯著地區(qū)（通過斷層、破碎帶及其它軟弱地帶）可能由于不均勻沉降而產(chǎn)生裂縫。 3、施工只能是分塊分段澆筑。施工縫（臨時） 橫向（垂直軸線）：間距由澆筑能力定（一般與伸縮縫、沉降縫合在一起） 縱向（平行軸線）：根據(jù)澆筑能力，縫設(shè)在頂拱，邊墻及底板分界處或是內(nèi)力較小部位。 施工縫需進(jìn)行鑿毛處理或設(shè)插筋以加強其整體性。沉降縫（永久） 設(shè)置部位： 1、通過斷層破碎帶或軟弱帶：襯砌加厚，厚度 突變處。 2

18、、洞身與進(jìn)口漸變段等接頭處，可能產(chǎn)生較大位 移的地段。 縫中設(shè)止水，填瀝青油氈或其他填料。 伸縮縫(永久) 防止混凝土干縮和溫度應(yīng)力而產(chǎn)生的裂縫。 縫的間距約為6 12m，縫中設(shè)止水。 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（回填、固結(jié)） 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。 做法：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)。 壓力：23kg/cm2（過去會破壞襯砌結(jié)構(gòu)） 孔距、排距：一般為26cm（深入巖體幾厘米） 2、固結(jié)灌漿 目的：在于加

19、固圍巖，提高圍巖的整體性，減小山巖壓力，保證巖石的彈性抗力，減小地下水對襯砌的壓力。 范圍：整個斷面。 壓力：為1.52.0倍內(nèi)水壓力。（410 kg/cm2） 一般深入圍巖25m，對于圍巖條件差的地段或直徑較大的隧洞達(dá)610m。 排距：24m，每排不宜少于6孔，作對稱布置。 灌漿時應(yīng)加強觀測，防止洞壁產(chǎn)生變形或破壞。 當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件良好，圍巖單位吸水率0.01L/min.m，可不進(jìn)行灌漿。 回填灌漿孔、固節(jié)灌漿孔通常分排間隔排列。（五）排水 作用：降低作用在襯砌上的外水壓力。 1、有壓洞：外水壓力一般不控制襯砌設(shè)計 加強固節(jié)灌漿（防滲） 必須時在底部的襯砌下面設(shè)縱向排水。 2、無壓洞： 外水壓力

20、較大時，設(shè)置排水（徑向、縱向） 徑向：在洞內(nèi)水面線上通過襯砌設(shè)置排水孔 排水孔距、排距一般為24m 深入巖體24m，將地下水引入洞內(nèi)。 在洞內(nèi)水面下也有設(shè)置排水孔，（如劉家峽電站導(dǎo)流洞），因為隧洞放空后，底板及側(cè)墻難以滿足抗浮穩(wěn)定。 縱向排水設(shè)在襯砌底部。 總之，一般說來，有壓洞的外水壓力能抵消一部分內(nèi)水壓力，除外水壓力起控制作用的特殊情況外，不需設(shè)排水，特別是有壓洞覆蓋層厚的進(jìn)口附近，地質(zhì)較差的地段，特別是圍巖內(nèi)存在易溶填充物，不宜設(shè)排水，而是加強固節(jié)灌漿。 5 出口段及消能設(shè)施 一、出口段的結(jié)構(gòu)布置 二、消能方式一、出口段的結(jié)構(gòu)布置 無壓洞： 出口僅設(shè)有門框（以防洞臉及上部巖石崩塌）。 有

21、壓洞： 出口常設(shè)工作閘門，啟閉機室。 閘門前有漸變段（洞圓門方），出門之后為 消能設(shè)施，為避免負(fù)壓，常采用斷面收縮的方法。二、消能方式 常用：挑流、底流、洞內(nèi)突擴消能。 特點：隧洞出口寬度小，單寬流量大，能量集中， 所以出口設(shè)置擴散段以擴散水流，減小單寬流量。挑流消能（常用擴散式）適用：出口高程高于或接近于下游水位，且地質(zhì) 條件允許時。 優(yōu)點：經(jīng)濟合理。 注意：盡量不要沖刷對岸。 形式：斜切式挑流鼻坎（洞軸線與河道交角?。?橫向擴散挑坎、收縮式窄縫挑坎。底流消能 優(yōu)點：消能比較充分平穩(wěn)。 缺點：開挖量大，施工時間長，造價高。洞中突擴消能（孔板消能） 舉例：小浪底工程沖沙洞（泄洪洞）7 洞室開

22、挖時的圍巖穩(wěn)定性 一、巖體初始應(yīng)力（地應(yīng)力） 二、圍巖的應(yīng)力集中 三、圍巖穩(wěn)定分析一、巖體初始應(yīng)力（地應(yīng)力）定義： 巖體處于天然產(chǎn)狀所具有的內(nèi)應(yīng)力叫做巖體的初始 應(yīng)力(天然巖體內(nèi)應(yīng)力)，在地學(xué)領(lǐng)域中，通常叫地應(yīng)力。 巖石有 構(gòu)造應(yīng)力（地應(yīng)力） 自重應(yīng)力形成巖體初始應(yīng)力的因素： 上覆巖體的重力 地殼構(gòu)造運動 成巖過程中的物理、溫度作用、 地形影響 地下水及地震作用 由于。如何測得地應(yīng)力? 目前常用的方法：應(yīng)力解除法、應(yīng)力恢復(fù)法應(yīng)力解除法：通過切槽或鉆孔解除應(yīng)力而測得 巖石的應(yīng)變以推求其初始應(yīng)力。應(yīng)力恢復(fù)法： 巖體中的應(yīng)力解除后，不是通過巖體的變形特性來推求巖體中的應(yīng)力值，而是通過施加壓力，使巖體恢復(fù)到原來的狀態(tài)，以求得巖體在應(yīng)力解除前的應(yīng)力值。 以上測得的是巖體中一點的應(yīng)力，至于整個巖體中初始應(yīng)力的分布情況，目前還不能根據(jù)有限的測點的結(jié)果來加以確定。對巖體初始應(yīng)力的初步認(rèn)識 上覆巖石的重量是形成巖體初始應(yīng)力的基本