发电(或引水)无压隧洞设计大纲范本.doc

FJD34100 FJD水利水电工程 技术设计阶段发电(或引水)无压隧洞设计大纲范本水利水电勘测设计标准化信息网 1997年11月 水电站技术设计阶段发电(或引水)无压隧洞设 计 大 纲 主 编 单 位: 主编单位总工程师: 参 编 单 位: 主 要 编 写 人 员: 软 件 开 发 单 位: 软 件 编 写 人 员: 勘测设计研究院 年 月目 次1. 引 言 42. 设计依据文件和规范 43. 设计基本资料 54. 隧洞线路总体设计105. 隧洞总体水力设计126. 隧洞工程结构设计137. 隧洞运行期观测设计258. 技术专题研究259. 工程量计算2610. 应提供的设计成果261 引 言 工程位于 ，是以 为主，兼有 等综合利用的水利水电枢纽工程。电站总装机容量 MW，年发电量 kWh。发电(或引水)无压隧洞长 m，过水断面积 m2，引水流量 m3/s。 本工程初步设计报告于 年 月 日审查通过。2. 设计依据文件和规范2.1 有关本工程的文件 (1) 工程初步设计报告； (2) 工程初步设计报告审批文件； (3) 工程技术设计任务书； (4) 有关会议纪要或文件。 (5) 专题研究(试验)报告。2.2 主要设计规范 (1) SD134-84 水工隧洞设计规范(试行)； (2) SDJ10-78 水工建筑物抗震设计规范(试行)； (3) SDJ20-78 水工钢筋混凝土结构设计规范(试行)； (4) SDJ57-85 水利水电地下工程锚喷支护施工技术规范； (5) SDJ207-82 水工混凝土施工规范； (6) SDJ212-83 水工建筑物地下开挖工程施工技术规范； (7) SDJ217-87 水利水电枢纽工程等级划分及设计标准(平原、滨海部分) (试行)； (8) SL62-94 水工建筑物水泥灌浆施工技术规范； (9) SDJ12-78 水利水电枢纽工程等级划分及设计标准(山区、丘陵区部分) (试行)及补充规定； (10) SL47-94 水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范； (11) GBJ17-88 钢结构设计规范； (12) GBJ86-85 锚杆喷射混凝土支护技术规范； (13) 国家建委1977 黄土地下建筑技术条例； (14) GBJ25-90 湿陷性黄土地区建筑规范； (15) JGJ55-96 普通混凝土配合比设计规程； (16) GB50204-92 混凝土结构工程施工及验收规范； (17) JGJ18-96 钢筋焊接及验收规程； (18) SD120-84 浆砌石坝施工技术规定(试行)； (19) SDJ336-89 混凝土大坝安全监测技术规范(试行)； (20) SL36-92 水工金属结构焊接通用技术条件。2.3 主要参考资料 (1) 水力学计算手册(武汉水院编) 水利电力出版社 1983年； (2) 成都科大出版水力学上、下册 高等教育出版社 1979年； (3) 灌区水工建筑物丛书涵洞、隧洞水利电力出版社 1980年； (4) 水工设计手册 水利电力出版社 1980年； (5) 地下建筑物设计手册 四川科学技术出版1993年； (6) 铁路工程设计技术手册 中国铁道出版社 1975年； (7) 喷射混凝土 水利电力出版社 1990年； (8) 铁路隧道新奥法指南 中国铁道出版社 1988年。3. 设计基本资料3.1 工程等别与建筑物级别 (1) 工程等别为 等； (2) 建筑物级别为 级。3.2 地震烈度 (1) 基本地震烈度为 度； (2) 设计地震烈度为 度。提示：线路上各洞段地震烈度不同可分列。3.3 洪水标准提示：首部洪水和各洞口、沟谷、河等设计洪水标准可分列。 (1) 设计洪水重现期：Ts= a； (2) 校核洪水重现期：Tx= a；提示：隧洞进出口及各支洞进口处河道的施工期各频率洪水流量及相应水位也应列出。3.4 取水口水位流量及泥沙含量 (1) 取水口底板顶面高程 m；引水流量 m3/s； (2) 取水口泥沙含量 kg/m3。3.5 气温与水温 (1) 月平均气温，见表1。表1 月 平 均 气 温 单位：月份 123456789101112年平均水温 (2) 绝对最高气温 ； 绝对最低气温 ； (3) 气温上升率(供计算冰压力用) /h； 洞内最低气温 ；洞内最低水温 。(4) 月平均水温，见表2。表2 月 平 均 水 温 单位：月 份 123456789101112年平均水温3.6 风速、风向和吹程 (1) 多年平均风速 m/s； (2) 多年最大风速 m/s； (3) 风的吹程 km； (4) 风向：风向多为 风。3.7 冻土情况 线路各洞段、明洞段冻土深 m。3.8 年降雨量 年降雨量 mm左右；主要集中在 月。3.9 无压隧洞主要设计参数 无压隧洞主要设计参数，见表3。表3 隧 洞 主 要 设 计 参 数 表隧 洞分 段编 号引水流量m/s洞 型隧洞进口隧洞出口纵 坡桩 号宽高或直径m底板高程m水 深m底板高程m水 深m进 口出 口13.10 地质资料3.10.1 区域地质及水文地质资料。提示：(1)简述地形地貌、地层岩土性质、有无大的地质构造及断裂、板块划分、向斜、背斜、岩层产状、有无其它有害气体等； (2)简述含水层的类型、基岩裂隙、水的渗透性、地下水的补给与排泄、沿线地表水和地下水动态、地下水的化学性质等； (3)地质结论和其它尚需解决的特殊地质问题。3.10.2 隧洞沿线地下水位。提示：(1)提供隧洞沿线桩号洞段地下水位高程，有无相对隔水层、承压水情况； (2)有无大的构造及地下水的连通情况，如地表水、覆盖层潜水、基岩裂隙水的连通情况、岩土层的分层渗透系数、每延米洞段开挖后预测渗水量； (3)预测隧洞运行期地下水位的变幅； (4)地质可提供隧洞开挖后地下水的排、堵措施供设计参考； (5)提供地下水的水质情况，特别是对混凝土和钢筋、 钢材有无腐蚀及对引水水质的影响等。3.10.3 隧洞沿线岩土分类及岩土物理力学指标、地应力资料，见表4。表4 岩 土 物 理 力 学 指 标、地 应 力 表 地质时期岩性及代号水土围岩分类岩土体坚固系数天然容重kN/m3单轴饱和抗压强度MPa 抗拉强度MPa 弹性模量MPa变形模量MPa 泊松比弹抗系数MN/m3凝聚力MPa 内摩 擦角度渗透系数cm/s承载力MPa 岩体纵横波m/s地 应 力sxMPa syMPa 岩体IIIIIIIVV土体V1V2提示：(1)如隧洞埋藏深度大、地应力高，需提出埋藏深度、有无可能发生岩爆等具体指标； (2)如有膨胀岩、红粘土、湿陷性黄土需提出膨胀量、流变数值、粘土缩径指标、黄土的湿陷系数等指标； (3)提供最大地应力主应力的方向及量值，隧洞开挖最大危石重度； (4)较大断裂构造破碎带的各种力学指标。3.10.4 隧洞进出口地段岩土开挖边坡值： 岩体开挖边坡：永久 ，临时 ； 土体开挖边坡：永久 ，临时 。提示：(1)开挖边坡要注明水上、水下开挖边坡； (2)提出最大开挖坡高，马道宽度及综合边坡值。3.10.5 隧洞沿线地温及岩石热传导常数： (1) 各洞段洞身处岩体地温； 最高 ； 最低 。 (2) 岩体的热传导常数 ； (3) 岩体线膨胀系数 K-1。3.11 材料特性及安全系数3.11.1 喷混凝土 (1) 喷射混凝土设计指标： 标 号： ； 轴心抗压： MPa ； 弯曲抗压： MPa ； 抗 拉： MPa ； 弹 模： MPa ； 容 重： kN/m3； 粘 结 力： MPa 。 (2) 钢纤维喷射混凝土设计指标： 普通碳素钢纤维抗拉强度不低于 MPa； 钢纤维直径为 mm； 钢纤维长度为 mm； 钢纤维的掺量为混合料重的 %； 钢纤维喷射混凝土重度 kN/m3。提示：对于喷混凝土和钢纤维喷射混凝土、要提出：抗渗、抗冻、抗磨指标。3.11.2 混凝土(1) 混凝土设计强度指标，见表5。表5 混 凝 土 设 计 强 度 指 标 表 强 度 种 类混 凝 土 标 号轴心抗压，MPa弯曲抗压，Mpa抗 拉，MPa 抗 裂，MPa 弹 模，MPa 泊桑比混凝土重度，kN/m3提示: 根据工程的具体情况与需要确定： (1)混凝土的抗渗、抗冻指标、混凝土渗透系数； (2)线膨胀系数a、导热系数l、比热c。 (2) 强度安全系数、见表6。表6 安 全 系 数 结 构受 力 特 征荷载组合基本特殊混 凝 土按抗拉强度设计的受压、拉、弯构件钢筋混凝土轴心受压、偏心受压、局部承压、斜截面受剪、受扭构件轴心受拉、受弯、偏心受拉构件 (3) 钢筋混凝土轴心受拉、小偏心受拉构件抗裂安全系数： 。 (4) 钢筋混凝土结构构件允许最大裂缝宽度： mm。3.11.3 钢 筋 (1) 钢筋品种： ； (2) 钢筋设计强度与弹性模量，见表7。表7 钢 筋 设 计 强 度 与 弹 性 模 量 单位： MPa 钢筋种类直 径mm设 计 强 度弹性模量受 拉 钢 筋受 压 钢 筋 (3) 泊桑比： 。3.11.4 钢支撑型钢、钢板 (1) 钢材品种 ； (2) 强度： 钢 号 ； 钢板厚度 mm； 屈服强度 MPa； 极限强度 MPa 。 (3) 允许应力： 钢 号 ； 荷载组合 基本荷载 MPa； 特殊荷载 MPa 。 钢板厚 mm； 基本荷载组合 MPa ； 特殊荷载组合 MPa 。 (4) 型钢或钢板： 焊缝系数 ； 弹性模量 MPa ； 泊桑比 ； 线膨胀系数 K-1。 (5) 抗外压失稳安全系数 。3.12 衬砌糙率 (1) 喷混凝土综合糙率 ； (2) 模注混凝土综合糙率 ； (3) 预制板混凝土糙率 ； (4) 钢板衬砌糙率 ； (5) 浆砌条块石糙率 。3.13 隧洞开挖及衬砌施工方法提示：(1)开挖方法有：人工开挖、钻爆法开挖、掘进机开挖； (2)衬砌方法有：木模、钢模、喷混凝土衬砌、预制混凝土构件衬砌。必要时考虑防渗要求，采用钢衬。4. 隧洞线路总体设计4.1 洞线平、立面总体布置提示：(1)洞线系在初设方案上进行工作，各主要建筑物单独布置后，再考虑线路的局部修正； (2)结合地形、地质、水流、施工等条件，力求洞线顺直，尽量避开不利地质条件，减少土洞长度；洞顶以上有足够厚度，尽量避免出现偏压及沿洞口滑坡体等； (3)洞线水平转角j60，弯道半径不宜小于5倍洞径(或洞宽)(钻爆法施工)； 如采用掘进机施工要满足掘进机的转弯半径，一般R1500m，机头的转弯半径一般可控制在R200m；坚向弯道的竖曲线半径一般不小于5倍洞径(或洞宽)；曲线段的首尾应设置直线段，其长度不宜少于5倍洞径(或洞宽)；渐变段长度一般可取一个浇筑段长6m10m； (4)主支洞交叉段宜选择在较好岩体，并做好支洞口、主洞口施工期防洪加固措施； (5)主支洞交叉角不应小于454.2 洞线的总体分段提示：(1)根据输水隧洞不同洞段的地形地质条件，将沿线隧洞按自然洞口、结合标段、围岩预测类别结构型式划分为标准洞段，考虑转弯段、渐变段、统一设计坡降、洞底高程、设计水位，并考虑隧洞断面型式之间的衔接，为分段结构设计提出总体轮廓区划表8； (2)在初设阶段确定的线路基础上，标明隧洞进出口、主支洞交叉段、转弯段以及各输水建筑物控制点坐标，编制统一设计桩号，结合隧洞通风、检修、观测等要求确定各支洞的保留与封堵。洞线各控制点见坐标表9。表8 隧洞结构设计总体轮廓区划表序号 洞段名称长 度m纵 坡i地质条件地面高程m洞底高程m内水高程m地下水位高程m起止桩号断面型式1表9 工程洞线控制点坐标及主要建筑物表 序号坐 标，m方位角度距 离m偏转角度半 径m弧线长m切线长m总 长m备 注XY14.3 各洞线进、出口布置提示：(1)应尽量避免隧洞进出口在土洞段，确实避不开，应做地勘工作，查明岩土分界面是否存在顺坡滑动面和天然滑坡体、大的偏压土体，如存在，应改选洞口；选择土体自稳条件较好，汛期安全的地段作为土洞的进出口，同时避免挖方量大，并采用明洞、管棚等保护措施后进洞，同时应采取洞脸喷锚和浆砌块石护坡等加固措施，做好洞脸及地面排水、洞口防洪等设施； (2)岩洞进出口应选择在稳定和基本稳定、地质构造简单、岩石坚硬完整、风化覆盖浅、节理裂隙少的地段，尽量避开有构造切割、严重的顺坡节理和山崩危崖、滑坡体不稳定地段。分析山坡的稳定问题：对于高边坡，技术设计时要仔细分析开挖后边坡稳定性，确保洞口安全，可提前进洞。如找不到稳定的山体作为进出洞口：洞口选择在IV、V类岩体中；强迫进洞时应进行适当加固，如搭设明拱棚架、混凝土明拱、锚喷、挂网支护、洞脸边坡加固等措施后，方可进洞。5. 隧洞总体水力设计5.1 设计原则提示：根据隧洞进出口水位条件，决定隧洞为无压的工作状态并进行水力参数选择、局部水头和沿程水头损失计算，经济纵坡选定作为水力计算之前提，在设计湿周均为模筑混凝土时，糙率系数的取值，参照国内外工程经验取n=0.014。(引滦入津隧洞实测值n0.014)。为保持隧洞水流的无压状态，考虑在恒定流时水面以上的空间不宜小于总断面的15%，同时其净空高度不应小于40cm；而长隧洞或高速水流在掺气水面线以上的空间，一般为横断面面积的15%25%；同时还要进行设计、校核情况下过流能力及水面线衔接计算，并作出沿线水面连接图，图中标明洞底高程、各建筑物各段水位、原地面线等参数。5.2 计算公式 (1) 无压隧洞进口段过流能力可采用宽顶堰流公式进行计算： (1)式中：b矩形隧洞过水断面的宽度，当过水断面为非矩形时，b=Wk/hk； hk临界水深； Wk相应于hk时的过水断面面积； ss淹没系数； m流量系数； H0以隧洞进口断面底板高程起算的上游点水头。 (2) 无压隧洞洞身段过流能力，按明渠均匀流基本公式计算： (2)式中：C舍齐系数 ； ； A过水断面面积，m2； n糙率系数； R水力半径； i隧洞坡降。5.3 作图 作出发电或引水无压隧洞设计水面线图。6. 隧洞工程结构设计6.1 洞型选择及二次衬砌结构设计6.1.1 洞型及衬砌型式的选择提示：(1)I、II、III类围岩衬砌断面选取： 该洞段围岩较为完整、均一，裂隙不太发育，除对断裂处、裂隙较为发育地区、边墙缓倾角裂隙处、顶拱危石可能脱落处、顶拱层状围岩软硬岩互层处或薄层与厚层相间等洞段，局部设定点锚杆或系统锚杆加强一次支护外，二次衬砌断面可选为割圆拱直墙式城门洞型断面，顶拱及过水断面以上可采用锚喷衬砌；边墙底板可采用模筑混凝土即薄边墙衬砌型、但薄边墙必须进行稳定计算，以及洞室的稳定分析后方可采用。必要时采用锚喷混凝土作为二次支护衬砌型式，但必须经过经济比较计算后，确实优越于上述组合衬砌型式，方可采用。 (2)IV、V类围岩及土洞段衬砌断面选取： 该洞段一般采用标准马蹄型、半圆拱直墙型或三心圆拱直墙型，底板与直墙可采用圆弧连接型式断面，必要时可采用圆型断面；但要经过计算，结合围岩的稳定条件选择既安全、又经济的结构断面型式。 (3)特殊地质条件下隧洞衬砌型式的选取： 高外水、岩爆较为严重，湿陷性黄土洞段、膨胀岩、带有流变围岩、红粘土缩径洞段等，宜采用圆型衬砌断面。必要时通过计算可加强一次支护的承载力，降低二次衬砌厚度和配筋量。高外水洞段可采用灌浆堵水为主、排水为辅的办法进行二次衬砌厚度及配筋的设计。6.1.2 计算方法提示：(1)采用结构力学、弹塑性理论等方法的设计原则： 在进行计算时，内力计算所依据的混凝土刚度均采用混凝土未开裂刚度。一般岩洞视漏水危害性确定是否采用抗裂或限裂设计。但土洞衬砌应按抗裂设计。 (2)IV、V类围岩及土洞段计算方法： 本段隧洞混凝土衬砌结构设计时，岩洞衬砌限裂、土洞一般采用抗裂，考虑衬砌与围岩分开，以研究衬砌为主，其它对衬砌的影响为作用在衬砌上的外力，并考虑岩土的弹性抗力，用结构力学方法进行计算。必要时考虑锚喷支护或其它一次支护型式与二次衬砌联合作用，连同岩土体一起采用弹塑性理论计算。 (3)I、II、III类围岩计算方法： 本洞段一般采用有限元法或弹性力学方法进行计算，个别洞段裂隙较为发育的围岩宜采用结构力学方法进行计算。6.1.3 荷载计算及组合 (1) 基本荷载：提示：长期或经常作用在衬砌上的荷载，如设计条件下的内水压力，稳定渗流情况下的地下水压力、围岩松动压力、流变压力、形变压力、衬砌自重、松散岩体固结灌浆对衬砌产生的有效预压应力等。 (2) 特殊荷载：提示：出现机遇较少的不经常作用在衬砌上的荷载，如校核情况下的内水压力和相应的地下水压力、施工荷载、温度荷载、灌浆压力及地震荷载等。 (3) 围岩松动压力计算：提示：作用在衬砌上的围岩松动压力、形变压力、应根据围岩条件、埋设深度、断面形状和尺寸、施工方法、开挖 后的支撑条件、衬砌浇筑时间及施工中围岩应力重分布等因素分析决定，同时根据不同的围岩类别，采用不 同的荷载计算方法进行设计。 (1)对于I、II类围岩在设计衬砌时，考虑到局部已设定点锚喷支护，可不计围岩的松动压力，但要注意研究 围岩的地应力、深埋洞段的岩爆、危石的下落重量、边墙缓倾角裂隙等。 (2)对于III类围岩，在隧洞开挖前建议按下式估算围岩松动压力： q=0.2gB 式中 g岩石重度，kN/m3; B隧洞开挖宽度，m； q垂直围岩松动压力，kN/m2。 考虑一次锚喷支护的作用，二次混凝土薄边墙模筑可不计垂直和水平围岩压力，但在高外水洞段必须校核薄 边墙的稳定性。 (3)对于IV、V类围岩可按松动介质平衡理论估算围岩松动压力。 下面推荐几种常用公式，进行综合计算，共同分析研究后，提出最大可能发生的压力、均值、以及最小压 力，对可能出现不同侧压力系数值分别组合计算，选择最不利的内力值，作为选择配筋和衬砌厚度的依据， 建议IV、V类围岩按下式估算围岩松动压力： 1)普氏公式： q=0.7gH(顶拱为圆弧、埋深较浅时，q值为平衡拱下的岩石重量) 式中：H围岩可能的塌落高度，m； B洞室开挖宽度，m； h洞室开挖高度，m； e侧向平均水平荷载，kN/m2； f围岩的坚固系数； q围岩的垂直荷载，kN/m2； g围岩重度，kN/m3； jk换算摩擦角，()。 2)水工隧洞围压计算公式：q = g h = (0.1352n-2)Bge = aq 式中：h围岩塌落计算高度，m； n水工隧洞规范中围岩类别(n 2)； q垂直围岩压力，kN/m2； e水平围岩压力，kN/m2； g围岩的重度，kN/m3； a侧压力系数。 在IV类围岩中a取0.10.2；在V类围岩中，取a 0.3。 (4) 土洞围岩松动压力计算：提示：对于土洞段除按松动介质平衡理论估算围岩的松动压力外，还应计算垂直和水平土压力。 建议采用弹塑性理论估算公式和经验公式计算垂直和水平土压力，其计算公式如下： (1)经验公式：q = 44.16+1.86B - 0.62h - 25.48g 式中：q垂直土压力，kN/m2； B洞室开挖宽度，m ; h洞室开挖高度，m； g土体重度，kN/m3。 (2)弹塑性理论估算公式：e = q x 式中：q垂直土压力，kN/m2； e水平土压力，kN/m2； N分类系数；甲类黄土取1.1，乙类黄土取1.3；丙类黄土取2.0； b毛洞半跨，m； R毛洞当量半径， ； F毛洞断面面积，m2； g洞顶上覆土层的平均重度，kN/m3； K松动系数； P0gh(h洞顶覆盖层厚度)； C凝聚力，kN/m2； j内摩擦角，()； z侧荷载系数，甲类黄土取0.60.7；乙类黄土取0.70.8； 丙类黄土取0.80.9。 上述公式适用于洞室高跨比小于1.2，暗挖施工，埋深大于50m。跨度小于 9m，不产生显著偏压的黄土围岩。 (5) 内水压力计算： 内水压力作为面力作用于衬砌内缘表面。 (6) 外水压力计算(对洞线附近民用水、生态等不影响，可打排水孔)：提示：(1)如高外水采用打排水孔减压，可不计和少许外水压力，具体措施：可在洞周计2m径向均匀外水压力，或内水骤降时，衬砌外缘形成三角形水荷载，底部已采用纵向盲沟排水可不计或计矩形水荷载； (2)如采用渗流体积力计算，可参考水科院张有天、张武功合编的渗流场体积力程序进行计算； (3)如采用面力计算，可参照如下公式确定水荷载量值：PB = hgWHB 式中：HL外水全水头，m； H0内水水头，m； g1地下水面至洞中心距离，m； g2衬砌外半径，m； g3隧洞内半径，m； PB作用于衬砌上外水压力，kN/m2； gW水的重度，kN/m3； h作用面积系数，试验值0.651.0，裂隙岩体宜采用1.0； K1岩体渗透系数，cm/s； K2钢筋混凝土渗透系数(取110-6cm/s)。 (7) 衬砌自重计算：提示：衬砌自重荷载，由衬砌厚度和混凝土的重度而确定，应将超挖部分回填混凝土计算进去。 (8) 温度荷载计算：提示：先确定运行期衬砌内外表面的温差，考虑混凝土徐变对温度荷载的影响，处理措施：一般在洞口适当增加一些温度筋和缩短分缝间距。 (9) 灌浆荷载计算：提示：(1)固结灌浆荷载：其压力一般选0.2MPa 0.4MPa 。在衬砌计算时如固结灌浆压力与外水压力值相近,可不进行计算。如采用深浅孔交替灌浆孔, 浅孔在施工时可先灌浆,设计压力大于2倍的内水压力时一般取0.2MPa, 计算灌浆压力可选0.1MPa 0.2MPa ，考虑全断面各向均匀径向分布。 (2)回填灌浆荷载：其压力一般选0.2MPa ，计算灌浆荷载取0.1MPa ，顶拱一般在120范围，计算时按径向均匀分布于顶拱全垮，与山岩压力不叠加，由于回填灌浆均在全断面衬砌后进行，故在灌浆压力小于外水压力时可不予计算。 (10) 内水荷载计算：提示：无压洞水深确定后，运行期边墙计三角形分布荷载，底板计矩形荷载。 (11) 地震荷载计算：提示：设计洞身时可不计地震荷载，隧洞进出口如考虑大于或等于7度设计时，应按SDJ10-78的有关规定执行；同时进行如下荷载计算： (1)洞内水体振荡力PC (水平横向作用)； 式中：KC地震系数； g水重度，kN/m3； CP地震波传波速度； T地震周期。 (2)衬砌自重惯性力Pg，作用于衬砌重心，水平横向作用：Pg = KCG 式中：G衬砌自重。 (3)山岩压力的增减值Pr： 式中：mr、gr 分别为岩石泊松比和重度。 (12) 地层弹性抗力：提示：其抗力是一种被动性质的荷载，是衬砌压迫地层才产生的，衬砌向内变形不产生，向外变形时才产生，其量值为：P = Kd 式中：K地层弹性抗力系数，kN/m3； d向外变位值，m。 (13) 荷载组合：提示：应对隧洞进行分段，按衬砌结构的受力特性、地质、水文地质条件分段进行荷载组合，一般采用各自最不利的组合情况，并分别采用不同的安全系数值。 (1)有外水洞、并打排水孔减压洞段，荷载组合见下表。荷载组合垂直山压侧向山区衬砌自重内水压力外水均匀压力齐墙顶外水灌浆荷载温度荷载弹 抗运行期检修期 施工期 (2)无外水洞，荷载组合见下表。荷载组合垂直山压侧向山压衬砌自重内水压力温度荷载灌浆压力地 震弹 抗运行期检修期施工期6.1.4 结构计算方法提示：(1)隧洞规范推荐的结构力学计算方法，一般适用于IV、V类岩性较为均一 的围岩及土洞衬砌计算中，目前中南院已编制通用程序(略)；但这种方法 已有悠久的历史，证明使用这种方法计算隧洞是安全可靠的。但目前隧 洞施工中已采用了一次锚喷支护，围岩已趋稳定，再浇二次混凝土衬砌， 已不再可能形成较大的山岩压力，但围岩的形变压力可持续3a5a， 今后可通过大量的科学试验，原型观测等方法，搞清围岩与衬砌之间的 相互作用，再把这种形变压力或互相作用力简化到衬砌上的荷载进行计 算，那么结构力学方法仍然不失为较为松散围岩隧洞结构计算有效方法 之一； (2)弹性力学计算方法把衬砌与围岩视作共同承担结构，视围岩为各项均质 弹性体进行结构计算。但目前弹性力学方法对非均质岩体(如不同岩层、 各向异性等)的影响以及非轴对称荷载作用下的结构还不能求出理论解； (3)有限元电算可以模拟不同的施工程序、复杂岩体特性以及复杂荷载条件 下进行计算，是解决岩体与衬砌等复合衬砌的有效计算方法，一般采用 “先加荷、后开洞”进行计算，比较真实地反映了在各种工况下衬砌及 围岩中的应力状态，但对应力已不满足弹性阶段的洞段，应采用弹塑性 有限元程序进行隧洞设计； 目前在无外水的IV、V类围岩及土洞段，如进行一次支护后，围岩已趋 稳定，在考虑二次衬砌时，建议将围岩分类提高一级进行二次衬砌计算。 如有外水洞段，进行一次支护后，一般围岩分类不提高，可视施工监控 资料分析，将围岩荷载分级进行折减，而后进行二次衬砌结构计算； (4)另外，有些工程段地质构造复杂，围岩分类基本按断层破碎影响带定为 IV、V类，岩性很不均一以及层状岩体，围岩各向异性，因此也只能采用 有限元法计算； (5)工程类比法对于隧洞设计来说也是有效方法之一。6.2 毛洞的稳定分析6.2.1 平面非线性有限元计算 (1) 计算目的：分析毛洞稳定性，初拟一、二次支护参数。 (2) 计算断面及计算范围：对不同断层，不同岩土性质，不同埋深洞段应分别进行计算。 (3) 地应力：在无实测资料的情况下，按自重应力场计算。 sy = Sgh sx = lsy (3) (4) 式中：sy垂直地应力，MPa ； sx水平地应力MPa ； h上覆埋深，m； g上覆岩土体重度，kN/m3； m泊桑比； l侧压力系数。 (4) 计算组次；按不同荷载、不同地段、不同埋深分别列出计算组次。6.2.2 空间非线性有限元计算 (1) 计算目的：对岩土洞开挖时掌子面的时空效应进行分析，初拟支护与施工作业面的距离，确定对地层预加固的手段和施工开挖方式及工艺等。 (2) 计算断面及计算范围：确定开挖断面后，分析未支护段，一次支护、二次支护离掌子面距离、一、二次支护实施时间、初拟衬砌参数进行稳定分析。 (3) 支护型式计算组次、地应力场、计算力学指标同平面非线性有限元。 (4) 计算要求：有地应力场作用下开洞、距掌子面不同距离、不同循环进尺、不同支护型式、了解岩土体及喷层、衬砌的应力、位移、塑性区范围等。 (5) 与平面非线性有限元成果对比，分析开挖掌子面的时空效应，评价岩土体洞室的稳定性。 (6) 确定计算程序。提示：一般选用总参BM90程序，如现场采用施工监控，又进行位移反分析计算，可选用上海同济大学地下工程系杨林德教授主编的施工监控程序进行计算。工程类比法也是分析毛洞稳定性的有效方法之一。6.3 隧洞一次支护设计6.3.1 喷混凝土厚度设计提示：(1)喷层厚度和其它要求按GBJ86-85有关规定执行，同时应考虑最小喷层不应小于5cm，最大不宜超过25cm；含水层喷混凝土厚度不应小于8cm，抗渗强度不应小于0.8MPa ； (2)喷混凝土设计强度不应低于C25； (3)与岩面粘结力：IIII类围岩不应低于0.8MPa ；IV、V类围岩不应低于0.3MPa ；土洞段控制在0.1MPa 左右。6.3.2 锚杆设计6.3.2.1 系统锚杆布置原则： (1) 在隧洞横断面上，锚杆与岩体主结构面成较大角度布置，当主结构面不明显时，可与隧洞周边轮廓线垂直布置，施工中根据地质展视图再进行修正； (2) 边坡及洞脸锚杆布置，应与岩土体的主结构面、黄土的斜向、垂直裂隙成较大角度布置，当上述特征不明显时，宜与边坡或第一滑裂面、圆弧滑动面成垂直布置。6.3.2.2 定点局部锚杆设计时。 (1) 拱腰以上水泥砂浆锚杆对危石的抗力可按下式验算： KGnASfst (5)式中：G锚杆承受危石重力，N； AS单根锚杆截面积，cm2； n锚杆根数； fst水泥砂浆锚杆钢筋设计抗拉强度，MPa ； K安全系数，取2。 (2) 边墙水泥砂浆锚杆按下式计算： KG1 fG2 + nAsfsv + CA (6)式中：G1、G2分别为不稳定岩块平行作用于滑动面和垂直作用于滑动面 上的分力、N； As、n、K字母意义及取值同(5)式； A岩石滑动面的面积，cm2； C岩石滑动面上的粘结力，N/cm2； fst水泥砂浆锚杆钢筋设计抗剪强度，MPa ； f岩石滑动面的摩擦系数。 (3) 拱腰以上定点锚杆的布置方向应有利于锚杆受拉，拱腰以下及边墙的局部锚杆应尽量与不稳定块体滑动方向逆向布置。6.3.3 钢丝网设计提示：(1)当采用锚喷挂网喷射混凝土不能满足抗拉、抗剪要求时，并在喷层表面出现龟裂、脱落时建议采用钢纤维喷射混凝土。 (2)钢纤维混凝土应达到下列设计要求： 纤维抗拉不低于380MPa； 纤维直径为0.3mm0.5mm； 纤维长度为20mm25mm； 纤维掺量为混合料重量的3%6%； 纤维混凝土重度为23 kN/m324N/m3。 6.3.4 钢架、钢拱架、钢支撑设计 (1) 原则：岩土体自稳时间短，锚喷支护作用前，就要求工作面稳定； (2) 作用：提高一次支护强度和刚度，需作超前锚杆、小钢管、小导管支承构件； (3) 选材：提示：可选用I型钢或钢轨、H型钢、U型钢、钢管、槽钢、钢筋格栅等轻型钢。当选用U型钢、钢管时应在上设孔注浆，提高强度。 (4) 设计：把外荷载简化到每榀支撑上，按静力平衡计算出内力，校核钢材的应力是否小于允许应力，以及进行抗扭弯计算。6.3.5 其它支护设计提示：如浅埋段地面预加固，高外水洞段围岩破碎处，采用预注浆及锚索加固支护措施等。 6.4 隧洞施工监控设计6.4.1 设计原则提示：(1)目前采用新奥法设计和施工的隧道，应将现场监测项目列入设计文件。 (2)现场监测的手段主要通过开挖导洞、试验洞和主洞的量测，包括拱顶沉降、洞周收敛变形、地层中部变位与支护围岩压力的互相作用力等，以及这些实际量测值作反演分析,用来监控围岩和支护动态的稳定与安全，根据及时获得的量测信息修正预设计，指导下一洞段的施工； (3)现场监测设计应根据隧洞的地质条件、支护类型和参数、施工方法和其它有关条件制定。该设计内容包括：量测项目及方法、量测仪器的选定、测点布置、数据处理及量测人员组织等。6.4.2 监测内容与方法提示：进行现场监测主要结合围岩地质条件，突出重点、确保洞室开挖后人员与设备的安全。除设计原则中必须进行的监测项目外，还应做好地质和支护状况观察、地表下沉、地表设点、围岩内部位移观察(浅埋隧洞)、围岩压力及两层支护间压力观察、钢支撑内力及外力观察、支护、衬砌内应力、表面应力及裂缝量测、锚杆抗拔力测试、围岩弹性波测试等内容；测试方法主要通过观察和仪器量测。6.4.3 监测结果分析及反馈设计提示：从监测结果分析，如位移时间曲线服从一定变化规律，没有突然加速和跳跃，说明设计计划执行正常，所采用的支护措施是较为合理的。如量测曲线变化幅度加大，变形或发散速率加剧，表明隧洞掌子面附近地质情况恶化、预设计支护参数措施已不适应，包括施工方案及时调整，现场设代人员应采取下列措施； (1)减小支护与掌子面的距离，减少毛洞暴露时间； (2)增加喷层厚度12级(5cm6 cm一级)； (3)加密网筋网格，加粗环向网筋直径； (4)加密、加长锚杆； (5)采用钢拱架、钢支撑、管栅等支护； (6)浅埋段可加设地面锚杆或洞内超前锚杆等措施。 根据掌子面附近观测提供的位移信息，就可对该处地应力和岩体力学参数进行反演分析；再根据得到的地应力及岩土力学参数，采用正演计算，就能得到新的支护设计参数，修正原一、二次支护设计、制定新的施工、支护方案。并可指导下洞段相应