无压隧洞的衬砌计算

隧洞设计方法黑龙江农垦林业职业技术学院隧洞设计方法一、概述在水利枢纽中为满足泄洪、灌溉、发电等任务而设置的隧洞称为水工隧洞。

水工隧洞按洞内水流状态分为有压洞和无压洞。

一般隧洞可设成有压，也可设成无压，或设成前段有压而后段无压。

但在同一洞段内，应避免出现时而有压时而无压的明满流交替现象，以防止不利流态。

在设计水工隧洞时，应根据枢纽的规划任务，尽量一洞多用，以降低工程造价。

如导流洞与永久隧洞相结合，泄洪、排沙、放空隧洞的结合等。

二、水工隧洞的线路选择隧洞选线关系到工程造价、施工难易、工程进度、运行可靠性等。

影响因素多，如地质、地形、施工条件等。

因此，应综合考虑，进行技术比较后加以选定。

1.地质条件隧洞路线应选在地质构造简单、岩体完整坚硬的地区，尽量避开不利地质构造，尽量避开地下水位高、渗水严重地段，以减少隧洞衬砌上的外水压力。

洞线要与岩层、构造断裂面及主要软弱带走向有较大的交角。

在高地应力地区，洞线应与最大水平地应力方向尽量一致，以减少隧洞的侧向围岩压力。

隧洞应有足够的覆盖厚度，对于有压隧洞，当考虑弹性抗力时，围岩的最小覆盖厚度不小于3倍洞径。

根据以往工程经验，对于围岩坚硬完整无不利构造的岩体，有压隧洞的最小覆盖厚度不小于（H为压力水头），如不加衬砌，则应不小于。

在隧洞进、出口处，围岩厚度往往较薄，应根据地质、施工、结构等因素综合分析确定，一般情况下，进、出口顶部的岩体厚度不宜小于1倍的洞径或洞宽。

2.地形条件洞线应尽量短直，如因地形、地质、等原因需要转弯时，对于低流速的隧洞弯道曲率半径不应小于5倍洞径或洞宽，转弯转角不宜大于60°，弯道两端的直线段长度也不宜小于5倍的洞径或洞宽。

高流速的隧洞设弯道时，最好通过试验确定。

3.水流条件隧洞进口应力求水流顺畅，出口水流应与下游河道平顺衔接，与土石坝下游坝脚及其建筑物保持足够距离，防止出现冲刷。

4.施工条件洞线选择应考虑施工出渣通道及施工场地布置问题。

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。

隧洞设计方法黑龙江农垦林业职业技术学院隧洞设计方法一、概述在水利枢纽中为满足泄洪、灌溉、发电等任务而设置的隧洞称为水工隧洞。

水工隧洞按洞内水流状态分为有压洞和无压洞。

一般隧洞可设成有压，也可设成无压，或设成前段有压而后段无压。

但在同一洞段内，应避免出现时而有压时而无压的明满流交替现象，以防止不利流态。

在设计水工隧洞时，应根据枢纽的规划任务，尽量一洞多用，以降低工程造价。

如导流洞与永久隧洞相结合，泄洪、排沙、放空隧洞的结合等。

二、水工隧洞的线路选择隧洞选线关系到工程造价、施工难易、工程进度、运行可靠性等。

影响因素多，如地质、地形、施工条件等。

因此，应综合考虑，进行技术比较后加以选定。

1.地质条件隧洞路线应选在地质构造简单、岩体完整坚硬的地区，尽量避开不利地质构造，尽量避开地下水位高、渗水严重地段，以减少隧洞衬砌上的外水压力。

洞线要与岩层、构造断裂面及主要软弱带走向有较大的交角。

在高地应力地区，洞线应与最大水平地应力方向尽量一致，以减少隧洞的侧向围岩压力。

隧洞应有足够的覆盖厚度，对于有压隧洞，当考虑弹性抗力时，围岩的最小覆盖厚度不小于3倍洞径。

根据以往工程经验，对于围岩坚硬完整无不利构造的岩体，有压隧洞的最小覆盖厚度不小于0.4H（H为压力水头），如不加衬砌，则应不小于1.0H。

在隧洞进、出口处，围岩厚度往往较薄，应根据地质、施工、结构等因素综合分析确定，一般情况下，进、出口顶部的岩体厚度不宜小于1倍的洞径或洞宽。

2.地形条件洞线应尽量短直，如因地形、地质、等原因需要转弯时，对于低流速的隧洞弯道曲率半径不应小于5倍洞径或洞宽，转弯转角不宜大于60°，弯道两端的直线段长度也不宜小于5倍的洞径或洞宽。

高流速的隧洞设弯道时，最好通过试验确定。

3.水流条件隧洞进口应力求水流顺畅，出口水流应与下游河道平顺衔接，与土石坝下游坝脚及其建筑物保持足够距离，防止出现冲刷。

4.施工条件洞线选择应考虑施工出渣通道及施工场地布置问题。

的
应力。可通过工程措施予以解决，如控制水灰比、加强保养、
结
配筋等。只在非常寒冷的地区才予考虑。
构 （8）地震荷载
计
埋深30米的隧洞在地震时所受地震力只有地面的1／10，所以
算
衬砌设计中地震影响可不考虑。
9度或8度（I级结构）：验算隧洞和围岩的抗震强度和稳定性
大于7度：隧洞进出口位置，验证抗震稳定性
（9）荷载组合
§5-5 隧洞衬砌的结构计算
目的：验算在设计规定的荷载组合下衬砌的强度，
隧
使之满足规范规定的要求。
洞 一、荷载及其组合
衬
内水压力
砌
自 重 可准确计算
的
外水压力
结
灌浆压力
构
可近似计算 温度荷载
计
地震荷载
算
围岩压力
弹性抗力 难以准确计算
（1）自重
自重应包括平均超挖回填部分，约 0.1 ~0.3 m。
隧
( ) G自＝g × pR2－pr2
洞 衬
衬砌厚度：
R－r
=
(1 8
-
1 12
)D洞
砌 （2）内水压力（有压隧洞主要荷载） 的 （1）发电引水隧洞：内水压力为全水头加 水击压力；
结 （2）有压洞：内水压力为均匀内水压力和 无水头洞内满水压力两部分； 构 （3）无压洞：内水压力为水面线以下的静水压力； 计
v基本荷载：
隧
衬砌自重、围岩压力、预应力、设计条件下的
洞
衬
内水压力及地下水压力；
砌
v特殊荷载：
的
校核水位下的内水压力及地下水压力、施工荷
结
载、温度荷载、灌浆压力、地震荷载
构
计

1006-8139(2000)06-0033-02《隧洞衬砌内力及配筋计算通用程序G—12》应用中的几个问题侯建强1　孛永平2(1山西省水利厅 2水利部山西水利水电勘测设计研究院)文摘:本文讨论了隧洞衬砌内力及配筋计算G-12程序应用中的几个问题。

关键词:隧洞衬砌;　程序;　应用引言随着计算机应用的日益普及,在水工隧洞设计中,繁锁的隧洞衬砌内力和配筋计算,使用程序计算取代手工计算已是顺理成章的事情。

计算隧洞衬砌内力及配筋的程序很多,我们常用到的有通用程序G—12、分洞形的隧洞衬砌静力计算程序、结构力学方法计算程序、平面有限元计算程序等多种,其中通用程序G—12以适应面广、计算方法合理、程序简单、容易掌握和运用等特点成为我们设计工作中最适用的方法。

本文就该程序在使用中的几个问题从程序原理、山岩压力的计算、灌浆压力的计算、围岩弹抗系数的确定、荷载组合方式等几个方面作一剖析,望得到同行和有识之士的批评和帮助。

1.　程序说明通用程序G—12采用屠规彰等提出的衬砌结构的非线性常微分方程组及其初参数值法,结合水工隧洞的洞型和荷载特点,解处隧洞衬砌在水压力、山岩压力、灌浆压力、外水压力及衬砌自重等荷载作用下的弹性抗力分布,算出衬砌的变位和内力,并按水工钢筋混凝土设计规范进行配筋计算。

该程序应用面广,可对圆形、城门洞形、马蹄形、方形、拱形和渐变段等十三种对称结构和对称荷载的隧洞断面衬砌进行静力计算。

应用该程序进行计算所需要的原始数据,依断面的不同形式可分为四部分:(1)衬砌断面的几何尺寸;(2)作用于衬砌上的主动荷载,包括内水压力、山岩压力、灌浆压力、外水压力;(3)围岩的弹性抗力;(4)衬砌自身的荷载,包括衬砌材料的容重、弹性模量等参数。

在以上四部分数据中,第一、四部分为计算中已知的,只有二、三部分的数据是需要分析和计算确定的。

2　程序应用中几个原始数据的确定2.1　山岩压力山岩压力的大小是隧洞临时性支护和长期衬砌的主要依据,因而正确估计山岩压力值是一项很重要的工作。

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.。

第三章 隧洞
3.水流条件 隧洞的进口应力求水流顺畅，减少水头损失。水流应
与下游河道平顺衔接，与土石坝下游坝脚及其建筑物保持 足够距离，防止出现冲刷。 4.施工条件 ➢ 洞线选择应考虑施工出渣通道及施工场地布置问题。对于 长隧洞，还应注意利用地形、地质条件布置施工支洞、斜 洞、竖井，增加总工作面，加快施工进度。 ➢ 洞线选择应满足枢纽总体布置和运行要求，避免在隧洞施 工和运行中对其它建筑物产生干扰。
为了减小工程量，降低工程造价，往往考虑一洞多用 或临时任务与永久任务相结合的布置方式。 发电与灌溉隧洞合一布置，水轮机尾水后接灌溉渠道，利 用发电尾水进行灌溉。由于发电是经常性的，而灌溉用水 是季节性的，所以应在发电尾水的后面设置一弃水设施。
第三章 隧洞
二、水工隧洞的布置和构造 （一）进口段的形式和构造 1．进口建筑物的形式 （1） 竖井式
• 组合式构造布置图
第三章 隧洞
第三章 隧洞
（二）洞身段的形式与构造
1．洞身断面形式及尺寸 (1)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。如围岩条件 较差还可以采用马蹄形断面。 ➢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。 ➢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%-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。
程进度、运行可靠性等方面。影响隧洞线路选择的因 素很多，如地质、地形、施工条件等。隧洞的线路选 择主要考虑以下几个方面的因素：
地质条件
水流条件
地形条件
施工条件
第三章 隧洞
1．地质条件 ➢ 隧洞路线应选在地质构造简单、岩体完整稳定、岩石坚

金 向华 （ 东阳 市水利 水 电勘 测设 计所 ，浙江 东阳 ３ ２ ２ １ ０ ０ ）
摘
要 ：隧洞喷抹衬砌相对常规 的混凝土衬砌具有 速度快 、施 工方便 的特 点 ，但 在浙 江省实际应 用规模较
小 。通过对某水 电站隧洞采用喷抹衬砌 的过程 和施工效果 的分 析 ，总结 了喷抹衬砌设 计施工 的体 会和工程 经验 ，
土采 用干法喷射 ，掺速凝 剂 ４ ． ５％ ，底 板 混凝 土采 用公 路
混凝 土路面 的施工方 法 ，用平 板振 捣器振 捣 ，再 用滚筒 滚
２ 喷抹衬砌方案
在隧洞开挖过 程 中，施 工单位 编制 混凝 土衬砌 施工 组
压 ，最后人工抹 光 ，所 以底板 混凝 土 的厚 度 、强度 、光 洁
厚３ ０ ｃ ｍ，其余 ２ ７ ９ ０ ｍ湿周 用混凝 土衬砌 ，即侧墙 １ ５ ｃ ｍ厚
Ｃ １ ５素混凝土衬砌 ，底板为 １ ０ ｃ ｍ厚 Ｃ １ ５混凝土 找平 ，设计 开挖 断 面 宽 度 ４ ． ６ ３ ｍ，直 墙 高 ４ ． １ ０ ｍ，拱 顶 园 弧 半 径 ３ ． ４ ９ ｍ，中心角 ８ ９ 。 ５ ５ ，洞高 ５ ． １ ２ ｎ ｌ ，纵坡 １ ／ ２ ５ ０ ０ ，衬砌后 洞高 ５ ． ２ ０ ｎ ｌ ，洞宽 ４ ． ３ ３ ｍ，水深 ４ ． ３ ３ ｍ，过水 断面积 １ ８ ． ７ ５ ｍ ２ ，洞顶净空高 ０ ． ６ ９ ｍ，｝ 昆凝 土糙 率 系数 取 ｎ＝０ ． ０ １ ４ ５ ，
工程于 ２ ０ ０ ４年 ３ 月 动工 ，开挖 采用预 留光爆层 的导 坑
先行光爆紧跟 的爆破 技术 。开挖过 程 中，发 生拱顶 坍方 一
处长约 １ ０ ｍ，采用钢拱架 临时支 护 ；一处 冒水停 工抽水 数 日复工 ；有 ２处地 质较 差 ，超 挖过 多 ，用 浆砌 石护砌 ，拱

影响因素很多且错综复杂，难精确计算。
4
一、荷载及荷载组合
目前，确定围岩压力的方法：
★ 松散介质理论（塌落拱法）
此方法视岩体为具有一定的凝聚力的松散介质，在 洞室开挖后，由于岩体失去平衡形成“塔落拱”，拱处 的围岩仍保持平衡，拱内岩块重量就是作用再衬砌上的 荷载——山岩压力。
普氏用“坚固系数f”k （亦称拟摩擦系数），代替岩
其中内水压力、自重比较明确，而其余的力 只能在一些简化和假定的前提下进行近似计算。
3
一、荷载及荷载组合
（一）围岩压力（山岩压力） 隧洞开挖后围岩变形或塌落作用在支护上的
压力。 影响山岩压力大小的因素：围岩的地质条件
和力学特征（强度和变形性能节理，裂隙的分布 和发育情况）；初始应力，地下水，隧洞的走向， 埋深和几何形状；开挖方法；衬护时间，衬护形 式。
的，难以反映实际情况。 岩体的工程地质，水文地质条件错综复杂，山岩压力
显然不能用一个简单的公式予以概括。
13
一、荷载及荷载组合
（二）围岩的弹性抗力
当衬砌承受荷载向围岩方向变形时，将受到围岩的抵抗， 这个抵抗力叫弹性抗力。
弹性抗力的大小和性质与工程地质条件有密切的关系， 坚固完整的岩石，弹性抗力大；围岩软弱破碎，弹性抗力小， 甚至不能利用。
有压、无压隧洞衬砌计算及数值解 法
一、荷载及荷载组合 二、圆形有压隧洞的衬砌计算 三、无压隧洞的衬砌计算 四、渐变段衬砌计算简介 五、衬砌的边值问题及数值解法
1
前言
目的：核算在设计规定的荷载组合条件下衬砌的强度，使之 满足规范要求。
计算方法： ★一类：1、将围岩与衬砌分开，按文克尔假定考虑围岩的弹
性抗力，衬砌上承受各项有关荷载，然后按超静定 结构解算衬砌内力。

8.3 水工隧洞进口段
➢短管式进水口：深式无压隧洞前的一短压力段。 ➢无压隧洞的压力进口顶板，在检修闸门上游通常是一段倾
斜的椭圆曲线，以1:4~1:6的坡度向下游收缩,以便与检修 闸门和工作门之间的顶板衔接，增加进口段的压力，防止 发生空蚀。 ➢检修门槽前的入口段长度可控制在(0.8~1.0）倍工作闸门 处的孔口高度范围内。检修门槽与工作闸门之间的顶板也 应布置成压坡段，目的在于收缩断面，进一步改善进口的 压力分布和水流流态。 ➢双孔进水口：进水短管中间布置中隔墩，现很少用。
2 水工隧洞的布置
一、总体布置和线路选择
1 总体布置
❖应根据枢纽的任务，对泄水建筑物进行总体规划。 ❖在合理选定洞线的基础上，根据地形、地质、水流条件，
选定进口位置及进口结构形式，确定闸门在洞口中的位置。 ❖确定洞身纵坡及洞身断面形状及尺寸。 ❖根据地形、地质、尾水位等条件及建筑物之间的相互关系，
①干井(弧形闸门)：外水压力、侧向围岩压力、温度和地震作用 ②湿井(平板闸门)：外水压力、侧向围岩压力、温度和地震作用、内水 压力
8.3 水工隧洞进口段
8.3 水工隧洞进口段
2 塔式进水口
❖布置：塔底设闸门，操纵室多设在塔顶，水平截面多为矩 形(Fig8-2a)。
❖缺点：受风浪、地震、冰的影响大，稳定性相对较差，需 工作桥与库岸相连。
❖优点：稳定性比塔式好，施工、安 装比较方便，无须接岸桥梁。
❖缺点：受风浪、冰、地震影响。 ❖适用条件：岸坡较陡、岩石比较坚
固稳定的情况
8.3 水工隧洞进口段
8.3 水工隧洞进口段
8.3 水工隧洞进口段
4 斜坡式
❖优点：结构简单，施工、安装方便，稳定性好，工程量小。 ❖缺点：闸槽倾斜，闸门面积加大，关门时不易靠自重下降。 ❖适用条件：岩坡完整，地形适宜，斜坡的护砌上可直接安装

无压水工隧洞设计如何考虑隧洞的外水压力作者：陈华松单位：云南省水利水电勘测设计研究院邮编：650021摘要云南水工无压隧洞基本上都位于地下水位以下，水工无压隧洞外水压力问题特别突出，水利版《水工隧洞设计规范》中采用水压力折减系数的方法计算外水压力，然在实际设计过程中，折减系数要根据洞壁的渗水量和围岩情况取值，而这种设计状况只有在隧洞开挖完成后，选取的折减系数才比较可靠。

而施工前的隧洞设计，对选取合适的折减系数成为工程设计人员面临的难题。

本文在云南省水电勘测设计研究院的隧洞设计项目中，对具有代表性的水工隧洞的地质水文情况进行研究，试图通过统计隧洞穿越几种有代表性的洞段时的岩壁渗水情况，来指导隧洞外水压力折减系数的选取。

并提出隧洞设计的建议。

关键词：水工无压隧洞；外水压力；折减系数；强风化底界；断层；环境；结构配筋Hydraulic free-flow tunnel design how to consider the external water pressureThe author:Chen HuasongWork unit: Water conservancy and hydropower survey design institute in yunnan province Zip cord:650021SummaryThe Free-flow tunnel in Yunnan province is below the underground water level under normal conditions,and hydraulic free-flow tunnel problem is especially prominent the external water pressure, water conservancy version specification for design of hydraulic tunnel water pressure reduction factor method is adopted in the external water pressure calculation, but in the actual design process, the reduction factor according to the width of the leakage of water value and surrounding rock conditions, the design status only in the tunnel excavation is completed, selecting the reduction factor is more reliable. And before construction of the tunnel design, selection of appropriate reduction factor into the challenges faced by the engineering designers.Tunnel of hydropower survey design institute in yunnan province is presented in this paper, geological and hydrological condition of the typical hydraulic tunnel are studied, through statistics of several representative hole section of tunnel through the rock seepage situation, to guide the selection of external water pressure reduction factor. And put forward Suggestions for tunnel design.Key words: hydraulic free-flow tunnel; the external water pressure; Reduction factor; Strongly weathered bottom; Fault; The environment; Structure reinforcement1无压水工隧洞的外水压力问题云南省水工隧洞基本上都位于地下水位以下，水工无压隧洞外水压力问题特别突出，由于隧洞工程地质情况复杂，围岩情况及工程水文地质情况有很大的不确定性。

隧道衬砌抗拉强度计算公式隧道是地下工程中常见的一种结构形式，其衬砌是隧道内部的一种重要构造，用于支撑和保护隧道的内壁。

在设计隧道衬砌时，抗拉强度是一个重要的参数，它影响着衬砌的稳定性和安全性。

因此，对于隧道衬砌抗拉强度的计算公式的研究具有重要的理论和实际意义。

隧道衬砌抗拉强度的计算公式可以通过材料力学和结构力学的理论推导得到，其基本原理是根据材料的物理性质和结构的力学特性来确定。

一般来说，隧道衬砌材料的抗拉强度可以通过以下公式计算：σ = F/A。

其中，σ表示材料的应力，单位为N/m²或Pa；F表示受力，单位为N；A表示受力面积，单位为m²。

在实际工程中，隧道衬砌的抗拉强度计算公式可以根据具体的材料和结构形式进行修正和补充。

例如，对于混凝土材料的隧道衬砌，其抗拉强度计算公式可以根据混凝土的抗拉强度和衬砌的结构形式来确定。

一般来说，混凝土的抗拉强度可以通过以下公式计算：f_t = F/A。

其中，f_t表示混凝土的抗拉强度，单位为N/m²或Pa；F表示受力，单位为N；A表示受力面积，单位为m²。

隧道衬砌的抗拉强度计算公式还可以考虑到材料的弹性模量和应力-应变关系，以更准确地描述材料的力学性能。

在考虑材料的弹性模量和应力-应变关系时，抗拉强度计算公式可以表示为：σ = Eε。

其中，σ表示材料的应力，单位为N/m²或Pa；E表示材料的弹性模量，单位为N/m²或Pa；ε表示材料的应变，无量纲。

在实际工程中，隧道衬砌的抗拉强度计算公式还需要考虑到结构的几何形状和受力情况。

例如，对于圆形隧道衬砌，其抗拉强度计算公式可以根据圆形截面的受力情况进行修正。

一般来说，圆形隧道衬砌的抗拉强度可以通过以下公式计算：σ = M/S。

其中，σ表示材料的应力，单位为N/m²或Pa；M表示受力矩，单位为N·m；S表示受力臂，单位为m。

综上所述，隧道衬砌抗拉强度的计算公式是根据材料力学和结构力学的理论推导得到的，其基本原理是根据材料的物理性质和结构的力学特性来确定。

( ) G自＝g × pR2－pr2
洞 衬
衬砌厚度：
R－r
=
(1 8
-
1 12
)D洞
砌 （2）内水压力（有压隧洞主要荷载） 的 （1）发电引水隧洞：内水压力为全水头加 水击压力；
结 （2）有压洞：内水压力为均匀内水压力和 无水头洞内满水压力两部分； 构 （3）无压洞：内水压力为水面线以下的静水压力； 计
衬
v弹塑性力学模型
砌
v黏弹塑性力学模型
的
结
v模拟隧洞形成和承受过程
构
v渗流­应力耦合分析
计动面
v隧洞埋深大于3倍洞径
（6）灌浆压力弹性抗力
v回填灌浆：小范围、低压力、浅孔灌浆。 临时荷载，可不考
虑 v固。结灌浆：大范围、高压力、深孔灌浆。 相当于外水压力，位
隧
置较深，大部分 作用于围岩上，小部分使衬砌受压， 临时荷载，
洞
可不考虑。
衬 （7）温度荷载
砌
混凝土的水化热和运行时水温、气温的变化引起的衬砌的温度
室开挖后，上部的部分岩石失去支承，而形成塌落拱，拱外岩体
洞
未受影响，拱内岩体自重即为山岩压力。
衬
砌
以顶拱上任意截面弯矩为零，得出顶拱抛物线方程，计算抛物线
的
以下的岩体自重。
结
平衡拱理论：
构
h = b / fk, fk为围岩牢固系数
洞顶以上覆盖
计
铅直围岩压力：
岩层厚度大于
算
平衡拱高度2倍
平顶：q = g 1h，g 1为岩石重度
v基本荷载：
隧
衬砌自重、围岩压力、预应力、设计条件下的
洞
衬
内水压力及地下水压力；

隧洞衬砌结构计算书项目名称_____________日期_____________设计者_____________校对者_____________一、示意图：二、基本资料：1．依据规范及参考书目：《水工隧洞设计规范》（DL/T 5195-2004，以下简称《规范》）《水工混凝土结构设计规范》(SL 191-2008)，以下简称《砼规》《隧洞》（中国水利水电出版社，熊启钧编著）《水工隧洞和调压室水工隧洞部分》（水利电力出版社，潘家铮编著）2．几何参数：半跨宽度L1＝2.000 m；顶拱半中心角α＝60.00°拱顶厚度D1＝0.400 m；拱脚厚度D2＝0.600 m侧墙厚度D3＝0.600 m；侧墙高度H2＝4.000 m隧洞衬砌断面形式：圆拱直墙形底板厚度D4＝0.600 m3．荷载信息：内水压力水头H i＝0.00 m外水压力水头Ho ＝6.00 m；外水压力折减系数β＝0.40顶部山岩压力端部值Q1＝70.00kN/m；顶部山岩压力中间值Q2＝70.00kN/m侧向山岩压力上侧值Q3＝40.00kN/m；侧向山岩压力下侧值Q4＝50.00kN/m底部山岩压力端部值Q5＝0.00kN/m；底部山岩压力中间值Q6＝0.00kN/m顶拱围岩弹抗系数K1＝500.0 MN/m3侧墙围岩弹抗系数K2＝500.0 MN/m3底板围岩弹抗系数K3＝500.0 MN/m3顶拱灌浆压力P d＝0.00 kPa；P d作用半中心角αp＝0.00°其他部位灌浆压力P e＝0.00 kPa4．分项系数：建筑物级别：1级；荷载效应组合：基本组合；钢筋混凝土构件的承载力安全系数K ＝1.35衬砌自重分项系数γQ1＝1.10；山岩压力分项系数γQ2＝1.00内水压力分项系数γQ4＝1.00；外水压力分项系数γQ5＝1.00灌浆压力分项系数γQ3＝1.005．材料信息：混凝土强度等级：C25轴心抗压强度标准值f ck＝16.70 N/mm2；轴心抗拉强度标准值f tk＝1.78 N/mm2轴心抗压强度设计值f c＝11.90 N/mm2；轴心抗拉强度设计值f t＝1.27 N/mm2混凝土弹性模量E c＝2.80×104 N/mm2纵向受力钢筋种类：Ⅱ级钢筋强度设计值f y＝300 N/mm2；弹性模量E s＝2.00×105 N/mm2钢筋合力点到衬砌内、外边缘的距离a ＝0.050 m三、内力计算：N --衬砌计算截面的轴向力，kN，以拉为正；Q --衬砌计算截面的剪力，kN，以逆时针转动为正；M --衬砌计算截面的弯矩，kN·m，以内边受拉为正u --衬砌计算截面的切向位移，mm；v --衬砌计算截面的法向位移，mm；ψ--衬砌计算截面的转角位移，度；k --衬砌计算截面的围岩抗力，kPa计算节点编号顺序为：底板或底拱、底圆按照从左到右编号；顶板板或顶拱、顶圆按照从右到左编号；其余部位按照从下到上编号；1．承载能力极限状态下的内力计算：经过3次迭代运算后,各点设定抗力条件和法向位移一致。

查表法计算城门形衬砌断面一、基本资料1.洞身衬砌断面型式及尺寸2.设计荷载3.衬砌材料洞身净宽B 2.4均布垂直山岩压力强度q=kn/m 226.775混凝土衬砌洞身净高H 3抗力系数kn/m 3侧面500000混凝土弹性模量：kn/m 顶拱内半径r'1.2kn/m 3拱座500000混凝土单位重：kn/m 3直墙高y h 1.8g=γd 隧洞开挖高度 4.1围岩容重隧洞开挖宽度3.5二.计算方法计算原理与蛋形衬砌断面基本相同，对于顶拱为等厚度半圆形圆拱直墙式衬砌断面，各种变为值及各截面弯矩、轴向力的计算公三、计算用表（略）四、计算1、计算简图及基本结构基本尺寸计算如下：①计算矢高：②计算拱跨：H(m)d(m)f Bdl30.25 3.125 2.40.25 2.65③顶拱的计算半径：④计算矢高与顶拱计算半径的比值为：d r'r m f r 0.251.21.3252.35853.1251.3252、刚臂长度c计算①刚臂长度按下式计算c(m)Acr 1.2900.9736505251.325说明：r为顶拱半径（下同）；Ac为计算系数，3、形常数计算各形常数值按下列各式计算δ11＝A 11×r/EJδ22＝A 22×r 3/EJδh1＝A h1×r2/EJ①计算说明：采用内差法计算以下四个参数的值！其中的给出值为参照计算说明中给出值，在此属于已知值A 11、A 22、A h1、A h2为：A 11A 22A h1A h22.929286866 1.6208267260.923962264②抗弯刚度计算：EJ bd E33203.12510.25③形常数计算结果：δ11 1.169E-04(kN·m）-1δh1 4.88548E-05δ221.136E-04(m/KN)δh26.0376E-054、载常数计算各载常数按不同荷载分别作用叠加求得！⑴垂直山岩压力作用Δ1p=A1q×qr3/EJΔ2p=A2q×qr4/EJΔhp=A hq×qr4/EJ式中，q为均布垂直山岩压力强度，A1q、A2q、A hq为计算系数，m＝2.358，由表4－40查得。