压力隧洞衬砌计算方法

中小型水工压力隧洞衬砌结构设计初探蔡芳芳1窦媛2(1．广西电力工业勘察设计研究院，广西南宁530023；2．河南省南阳市水利建筑勘测设计院，河南南阳473000)协i要】以某中小型水工压力隧洞工程为例，采用结构力学方法进行隧嗣衬砌结构设计，并根据工程实际要求，通过对比分析计算结果，对隧洞断面及衬砌结构进行优化，为今后的设计提供参考。

傍镥}词】水工压力隧洞；衬砌结构；优化设计1工程概况该电站采用有压隧洞弓l水方式，由岸塔式进水口、低压段、高压段组成，隧洞全长约62k m。

进水口段长23．12m，低压段长5363．96m，高压段长913．79m。

其中进水口至调压井段隧洞底高程为V444m～V400m，埋深26m一160m，长约5A km，调压井至隧洞出口底高程为V400m～267．5m，埋深28m～116m，长约0．99ki n。

低压段洞径5．0m，高压段涧径4．5m o设计引用流量为62．0m‰根据地质情况，引水隧洞洞体均埋藏于弱一微风化细砂岩夹泥岩、泥质粉砂岩岩体内，仅有部分洞段围岩为较为坚硬的中细砂岩。

其中，m类圈岩占90％以上为，其余为l V类围岩。

岩石泊松比为0．22～025，变形模量为8．0～10．0G pa，弹性模量为120—15．0G pa。

l U类围岩单位弹性抗力系数K O为40M Pa／crT}，岩石坚固系数为50；IV类围岩单位弹性抗力系数K O为20M Pa／Cm，岩石坚固系数为3．O。

2计算原则与假定有压水工隧洞～般采用圆形断面。

这是因为：在相同面积的过水断面中圆形断面的湿周最小，水头损失最小；圆形结构具有对称性，受力条件较好。

本文初步采用圆形断面，根据<水工隧洞设计规范>(D U T5195—2004)(以下简称“规范”)附录G提供的方法进行隧洞衬砌结构设计。

规范考虑山岩压力、内水压力、外水压力、衬砌自重等荷载，假定各荷载均作为外力作用在衬砌上，当围岩厚度大于3倍开挖洞径，无不利的滑动面，围岩与衬砌紧密结合，围岩对衬砌产生一定的弹性抗力，在荷载及抗力共同作用下求出衬砌各断面的弯矩、轴力，然后计算配筋量，验算衬砌是否开裂以及计算开裂宽度。

1.内力计算r i r e r100130115说明：砼采用C20，钢筋采用二级，截面按双筋计算。

截面Ar i——-衬砌后的隧洞内径，单位cm；ψ=0(洞顶）0.1628 r e——-衬砌后的隧洞外径，单位cm；ψ=π/2-0.125 r——-衬砌后的隧洞平均半径，单位cm；ψ=π(洞底）0.0872 k0(N/cm3)——围岩单位弹性抗力系数；h——衬砌厚度,单位cm；截面Dq(KN/m)----垂直围岩压力，按q=0.1×γ1×B计算，ψ=0(洞顶）0.2122此处γ1为山岩容重，B为考虑0.2m超挖的隧洞直径；ψ=π/20 P(Kpa)——隧洞内水压力；ψ=π(洞底）-0.2122 a——钢筋保护层厚度；〔σg〕(KN/cm2)=R g/k,一级为160MPa,二级为258MPa;截面A1A g----根据计算结果选定的每层钢筋面积。

ψ=0(洞顶）0.34477作者：bluepan ψ=π/2-0.392722004.3.4ψ=π(洞底）0.44059A0.927393截面A2ψ=0(洞顶）0.17239ψ=π/2-0.19636ψ=π(洞底）0.2203ψ=0垂直山岩力 2.064189自重 2.357966非均匀内水压力0.803815总计 5.225972.配筋计算（1）按砼未出现裂缝情况计算a h0426A gi A ge洞顶配筋面积 4.475129883 2.636055洞底配筋面积 4.701285105 1.7432洞侧配筋面积 2.011452455 3.829226（2）按砼出现裂缝情况计算A gi A ge洞顶配筋面积0.744046768-1.26561洞底配筋面积0.192345615-1.98788洞侧配筋面积-1.719630660.0981433.抗裂校核(须满足σi<〔σgh〕,K f>1.2)A g A040.3064有压隧洞结构计算k0(N/cm3)h a I K n1000300.869565225000666.66679.212994188山岩压力作用下弯矩计算Aa B C Cn Cn(1+a)Aa+B+Cn(1+a)0.1415652170.08721-0.00699-0.0644-0.12040.108377406-0.108695652-0.125010.008240.0759150.141928-0.0917774740.0758260870.16277-0.00837-0.07711-0.144170.094428751山岩压力作用下轴向力计算Da F G Gn Gn(1+a)Da+F+Gn(1+a)0.184521739-0.212220.020980.1932890.3613660.333667416010.005750.0529750.09904 1.099039688 -0.1845217390.712220.022370.2060950.3853070.913005706衬砌自重作用下的内力计算B1B1n A1+B1n M(KN·m)C1D1-0.02194-0.202130.142637 2.357966-0.166690.06590.025890.238524-0.1542-2.54905 1.57080.01807-0.02629-0.242210.19838 3.279476 1.73740.07024 N P(KN)192.7701403非均匀内水压力作用下的内力计算B2B2n A2+B2n M(KN·m)C2D2-0.01097-0.101070.0713230.803815-0.588340.032950.012950.119308-0.07705-0.86837-0.21460.00903-0.01315-0.121150.099149 1.117411-0.631260.03513内力组合表M(KN·m)N(KN)ψ=π/2ψ=πψ=0ψ=π/2ψ=π-1.748021301 1.798518 5.526218.202315.1212-2.54904569 3.279476 6.33141624.9733834.27749-0.868372944 1.117411-2.79072-1.28779-3.01455-5.165439934 6.1954059.06690141.8878946.38413〔σg〕(KN/cm2)A min(cm2)25.833 3.9A7.1111849096.4444846465.84067849A-0.521558488-1.795537959-1.621487742I0W0σi〔σgh〕K f2327440.015516192.69261333.333 2.700007q(KN/m)g(自重KN/m)P(Kpa)t12.7412.5220 1.3M(KN·m)2.064188587-1.7480213011.798518311N(KN)5.5261997518.202295315.1212005D1n C1+D1n N(KN)0.6071363170.44044632 6.3314160.166478805 1.737278824.973380.647120712 2.3845207134.27749D2n C2+D2n N(KN)0.303568158-0.2847668-2.790720.083193338-0.1314067-1.287790.323652486-0.3076075-3.01455。

压力水工隧洞衬砌最小配筋率研究下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。

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表3-3
γ岩24开挖宽B 5.5开挖高H 5.5二）计
算：
13.2
6内摩擦角
ψ75γ岩
24
0.579015
9.7274480.16862.456474
1.312537
9.768
1.32
2.考虑岩石弹性抗力：垂直山岩压力+岩石弹性抗力+岩石弹性抗力产生的摩擦力+衬砌自重
一、山岩压力：
围岩分类表： 设 计 荷 载
设计组合如下：
1.不考虑岩石弹性抗力：垂直山岩压力+侧向水平山岩压力+衬砌自重
一）基本数据：（围岩为比较新鲜的、节理缝隙少
岩）
岩石坚硬系数及其他力学指标q=0.074γ岩B 1.按SD134-84《水工隧洞设计规范》计算：根据地质条件为Ⅱ类围岩，不计侧向水平山岩压力。

在洞底面处 e 2=(0.7h+H)γ岩tg 2（45-ψe=（e 1+e 2）/2根据表3-3，当岩石坚硬系数f=6，相应q 、e 系数为0.074、0.010
垂直山岩压力强度q=（0.1~0.2）γ岩B 2.按普氏公式计
根据表3-2，选用岩石坚硬系数f 侧向水平压力强度:在洞顶面处e 1=0.7γ岩htg 2（45-ψ/2）e=0.01γ岩H 1）按公式计算：
塌落拱高度h=（B+2Htg （45-ψ/2））/垂直山岩压力强度q=0.7γ岩h 2）按简化公式计
摩擦力+衬砌自重
缝隙少的砂岩）
水平山岩压力。

一）基本资料：洞身净宽B 5洞身净高H 5.275拱顶内半径r` 2.5直立墙高y h 0.5540（C15砼）弹性模量E 22000000砼容重γ砼24二）计算：计算矢高与顶拱计算半径的比值m=f/r25.55 5.55Ac0.805508C=Ac*r2.235284A 112.570796A 221.0214857.13396A 1q -0.8927A 2q-0.25696-763.05213.2A 1g-1-282.074A 1e-1.34476A 2e-0.92194-287.3664)载常数总和：-1332.49-1392.44186.781563.79026qr 2308.025gr 2101.6483er 277.00625y-C各截面M 计算表：各截面弯矩值：M=M P +X 1+X 2（y-C ）（利用表4-45及4-47）6.各截面弯矩值计算：圆顶段各截面：y-C=r-rcos α-C 直墙段各截面：△1p =数据/（EJ）△2p =数据/（EJ）5.多余未知力X 1及X 2计算：X 1=-△1p /δ11X 2=-△2p /δ223)矩形水平压力作用：（根据m=2，查表4-42得）△1p =A 1e er 3/（EJ)=数据/（EJ ）△2p =A 2e er 4/（EJ)=数据/（EJ ）2)衬砌自重作用：衬砌自重g=γ砼d△1p =A 1g gr 3/（EJ)=数据/（EJ ）△2p =A 2g gr 4/（EJ)=数据/（EJ ）均布侧向水平山岩压力强度e （m=q/e ）3.衬砌材料：2.设计荷载：均布垂直山岩压力强度为q 计算跨度L=B+d计算矢高f=H+d/2顶拱计算半径r=r+d/21）垂直山岩压力：隧 洞 衬 砌 计 算（不考虑岩石弹性抗力作用）一、查表法计算圆拱直墙式衬砌断面（不考虑岩石弹性抗力作用）1.洞身衬砌截面形式及尺寸：衬砌厚度初拟d （底板采用与顶拱及侧墙相同）1.计算基本结构：（根据m=2，查表4-40得）2.钢臂长度C ：（根据m=2，查表4-39得）3.形常数计算：（根据m=2，查表4-39得）△1p =A 1q qr 3/（EJ)=数据/（EJ ）△2p =A 2q qr 4/（EJ)=数据/（EJ ）δ11=A 11r/（EJ ）=数据/（EJ ）δ22=A 22r3/（EJ ）=数据/（EJ ）4.载常数计算：qr111gr36.63er27.75N=NP+X2cosα(利用表4-46及4-48）各截面N计算表：0.7264930.69375校核:0.007766结论:0.55终拟衬砌砼厚d △s 1=s 1/4=y h /4（0.007766/（EJ ）略为0）9.拱顶内缘出现拉应力值最大为760.556,而C15砼允许拉应力767,因此衬砌厚度刚好.拟订为0.55.拱顶截面转角总和应为0:△s 0=s 0/6=pi*r/122.775102.77521.82836-609.497A 2g-0.30179-236.23-546.71m=2，查表4-42得）（根据m=2，查表4-41得）半径r=r+d/2m=2，查表4-40得）6/（EJ）略为0）厚度刚好.拟订为0.55.。

抽水蓄能电站高压隧洞衬砌型式分析摘要：由于抽水蓄能电站的水头、管线普遍较高、较长，所以选用不同的衬砌方式对工程的安全性和成本会产生较大的影响。

在抽水蓄能电站的高压隧道中，通常采用两种衬砌方式：钢筋砼衬砌和钢板衬砌。

本文综合考虑了抽水蓄能电站的水文地质情况，借鉴了以往的成功经验，经过技术和经济比较，最后选择了钢筋砼衬砌方案。

关键词：隧洞；抽水蓄能；高压；电站；衬砌型式随着“碳中和、碳达峰”战略的实施和我国能源结构的转变，我国新能源的并网规模逐步扩大，但由于其时断时续、波动性、逆变等特点，使得电力系统的运行面临许多问题。

抽水蓄电站其容量大、清洁、“调峰填谷”等特点，在电网系统中得到了广泛应用，提高了电网的安全、稳定运行。

抽水蓄能电站高压管道（包括高岔）采用钢筋砼衬砌，是充分利用围岩承载能力，由围岩承担高内水压力，从而减小衬砌厚度、缩短工期、节省投资：在高内水压力作用下围岩不发生水力劈裂，是高压隧洞采用钢筋砼衬砌的必要条件。

一、引言大容量抽水蓄能电站的高压管线通常具埋深大、管身尺寸大、管身形状复杂等特点，如果采用钢板衬砌，在外部水压的影响下，需要用厚钢板，而且制作和安装都很困难。

若使用钢筋砼衬砌，可减少衬砌厚度，缩短工期，节约投资。

例如，广州抽水蓄能电站（下文简称广蓄）一期高压分支管，“是我国第一次成功地采用钢筋混凝土结构，在高水压作用下岔管工作正常和渗水量微小，是高压输水道工程的一项重大突破”，“经过两年多的测试和两年多的检验，证明了支管的布置、支路分析和结构设计是成功的。

已跻身世界一流行列。

这对我国地下工程的开发和应用具有重要意义，为今后在工程设计中的应用提供了宝贵的经验。

该技术在同类情况下具有较好的推广前景，并在广蓄二期、天荒坪水库等项目中得到了推广，具有很好的社会效益”。

这是广蓄电站技术成果的专家鉴定，由潘家铮主持。

再比如，惠州抽水蓄能电站和深圳蓄能电站（以下简称惠蓄、深蓄）都是深埋在比较完整的花岗岩体中，是一种广泛的应用领域。

有压隧洞围岩应计算————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：有压隧洞围岩的应力计算1.前言在水利、水电建设中经常遇到一些洞室工程问题，其中最常遇到的作为引水建筑物之一的是水工隧洞。

水工隧洞可分为无压隧洞及有压隧洞两大类。

无压隧洞的断面大部分做成马蹄形或其它形状，有压隧洞则多做成圆形。

无压隧洞衬砌所承受的荷载主要是山岩压力、外水压力。

有压隧洞除了承受这些压力之外，特别重要的是承受内水压力。

这种内水压力有时是很大的，不仅衬砌受到压力，围岩也要承受这部分内水压力。

围岩受到这种压力之后必然要引起一些力学现象和变形、稳定等问题。

因此，准确地计算围岩的各项应力对工程有特别的意义，主要包括有围岩的初始应力、围岩的重分布应力以及围岩的附加应力计算等。

2．围岩的初始应力计算习惯上常将工程施工前就存在于岩体中的地应力，称之为初始应力或天然应力（如构造应力和自重应力）。

初始应力的大小主要取决于上覆岩层的重量、构造作用的类型、强度和持续时期的长短等。

目前，对于岩体中初始应力的大小及其分布规律的研究，还缺乏完整的系统的理论。

当岩体的形状比较规律、表面平整、产状平缓、岩体本身又没有经受构造作用与呈现显著的不均匀性时，此时可认为岩体中的垂直应力与上覆岩体的重量成正比，水平应力可按垂直应力乘以侧压力系数而计算。

2．1 岩体中自重应力的计算根据大量应力的实测资料已经证实，对于没有经受构造作用、产状较为平缓的岩层，它们的应力状态十分接近于由弹性理论所确定的应力状态。

由土力学可知，对于以坐标面xy 为表面，z 轴垂直向下的半无限体，在深度为z 处的垂直应力z σ，可按下式计算：z z σγ=式中 γ——岩体的容量（KN/m 3）。

半无限体中的任一微分单元体中的任一单元体上的正应力x σ、y σ、z σ显然都是主应力；而且水平方向的两个应力与应变彼此相等，亦即：x y σσ=，x y εε=如果考虑到半无限体中的任一单元体都不可能产生侧向变形，亦即0x y εε==由此可得：()0xy z E Eσμσσ-+=式中 E 、μ——岩石的弹性模量与泊松比。