EM1110-2-2901岩石隧洞和竖井(第9章)

美国陆军工程师团《岩石隧洞与竖井工程与设计》手册EM1110-2-2901第9章永久的衬砌设计1997年5月30日169第9章永久衬砌设计大多数岩石隧洞和竖井都要进行永久衬砌，最常见的永久衬砌方式包括：●素混凝土●钢筋混凝土●混凝土管片●钢衬回填混凝土或灌浆●混凝土管回填在许多方面，隧洞和竖井的衬砌设计准则都不同于标准的结构设计准则。进行隧洞和竖井设计时有必要了解岩石和衬砌材料间的相互作用。9.1永久衬砌选择衬砌设计的第一步就是根据以下标准选择合适的衬砌型式：●功能要求●地质和水文要求●可构造性要求●经济要求对于同一条隧洞的不同洞段，可能需要选择不同的衬砌方式。例如，对于覆盖层很薄或岩石很差的压力洞段可能需要钢衬，而对于其他洞段就有可能需要混凝土衬砌或不用衬砌。当穿越渗透性强的破碎带或带有碳酸钙或石膏地层时可能需要防水衬砌，而对于其余洞段，就可能不需要防水衬砌。然而，可构造性问题有时就会有利于全部选择同样的衬砌。例如，对于穿越不同质量岩石的TBM隧洞，可能需要在较差的洞段采用混凝土管片衬砌或其他的衬砌方式。而对其余洞段将会开挖成同样的洞径，而且在隧洞的整个长度内都采用管片衬砌，尤其是当衬砌用作TBM推进千斤顶的反作用力时。a.不衬砌隧洞在不衬砌隧洞中，水直接接触岩石，而且隧洞中将会出现水渗入或渗出。压力变化会导致水在裂隙中涌出或涌入，这样久而久之就会将细小颗粒冲出并导致失稳。例如对于典型的泄洪隧洞，当隧洞处于明满流交替时这种情况也会发生。这种地层支护的金属部件可能会遭到腐蚀，而且某些岩石类别也会因长时间侵在水中出现变质。不衬砌隧洞的粗糙表面会导致较高的曼宁数，并且也会比衬砌隧洞需要更大的横断面来满足水力学要求。对于可行的不衬砌隧洞而言，岩石必须在水中中和，没有大的充填裂隙或断层，能承受隧洞压力而不会产生水力劈裂或其他有害影响，而且必须足够致密以保证其渗漏率控制在可接受的范围内。挪威经验认为，典型的不衬砌隧洞的渗漏量应在0.5~5l/s/km（2.5~25gpm/1000ft）。在美国陆军工程师团《岩石隧洞与竖井工程与设计》手册EM1110-2-2901第9章永久的衬砌设计1997年5月30日170可接受地层中的不良岩石断面可以局部支护和封闭。可以预测会出现局部岩石掉落，而且需要在水电站厂房设置集石坑以防止碎石进入阀室或水轮机。不衬砌隧洞通常在底板上设有底部层面，由100~300mm（4~12in.）的素混凝土或常规钢筋混凝土组成以提供检修交通的适当表面并减小侵蚀。b.喷混凝土衬砌喷混凝土将会提供地层支护并能改善隧洞的渗漏和水力学特性。它还能保护岩石免受侵蚀以及水的不良作用。为保护对水比较敏感的地层，喷混凝土应为连续性的，不带裂缝并用钢筋网或织物进行加固。与不衬砌隧洞相比，喷混凝土衬砌的隧洞通常提供现浇混凝土基底。c.素混凝土衬砌素混凝土衬砌主要是用于保护岩石以免暴露并提供平顺的水力表面。不承受内压的大多数竖井都采用素混凝土衬砌。如果岩石在混凝土浇注前能保持平衡，这种衬砌方式是可以接受的，并且预期衬砌上的荷载均衡而且是环向的。如果沿小收缩温度裂缝的渗漏可接受的话，这种衬砌方式是可以接受的。如果地下水对混凝土具有侵蚀性，就需要采用比较致密的衬砌来防止渗流水的侵蚀。在土壤覆盖层或相当挤压的岩层中，通常都不能采用素混凝土衬砌，以免产生不均衡的位移荷载。d.钢筋混凝土衬砌衬砌中的单层钢筋应放置在靠近内表面以抵御温度应力和收缩。这种衬砌将保持在变形达0.5%（实测直径变化/直径）时基本不损坏，而且在产生更大变形时仍能保持其功能。在承受较大的内水压力或在挤压或膨胀地层中，可能需要设置多层钢筋来抵御可能的不均衡地层位移，而且变形最小。多层钢筋还可用于在带有空隙的岩石中可能会产生不均衡荷载的其他环境。例如，由于施工荷载和临近竖井地表的其它荷载也会产生不均衡荷载，因而竖井衬砌的上部通常需要两层钢筋。对于TBM施工的隧洞而言，通常采用混凝土管片衬砌。详见第5-3节和选择标准。e.隧洞管道这种方式适合于直径较小的管道。在隧洞掘进时进行一次支护，并安装直径较小的钢管或混凝土管。管子周围的空腔采用贫混凝土充填或用更为经济的蜂窝混凝土回填。该管道材料通常采用混凝土管，但压力管道则需要采用钢管，如塑料、纤维强化塑料、陶瓷或粘土管道等也常常被采用。f.钢衬当隧洞内压超过外部地层及地下水压力时，通常需要采用钢衬来防止岩石的水力劈裂。有压隧洞设计的重要问题是密封限制，充分的密封是指岩体承受不衬砌隧洞的内水压力能力。如果密封不充分，就会在缝隙处，如分缝和层理面的水压力超过作用于缝隙处的总正应力时产生水力劈裂。结果，裂隙孔口就会大大张开，增大水利可构造性，并因而增大渗漏量。有关充分密封限制的基本原则是由有压流道到地表垂直距离实测的岩体重量必须大于内水压力。虽然这一标准对于相对水平的地层隧洞掘进来说是合理的，但对于在山谷岩壁中的隧洞开挖就不保美国陆军工程师团《岩石隧洞与竖井工程与设计》手册EM1110-2-2901第9章永久的衬砌设计1997年5月30日171守，此处的内水压力可导致边墙的失事。在澳大利亚的雪山工程开发中就发生过边墙失稳事故。从图9-1中可以看出，雪山电力局认为，与垂直覆盖层相比，边墙的覆盖层的密封效果更差一些。图9-2显示了考虑了发生一系列边墙失稳事故后在挪威发展起来的准则，该准则考虑了相邻峡谷的坡度影响。根据电力研究院（EPRI）（1987）的研究结果，图9-1和9-2中所概括的澳大利亚和挪威准则通常都与实际的工程性能兼容。然而，必须审慎的应用，而且在计算限制时不应考虑不规则的地形变化和地面堆积物。应进行压水实验及其他应力测试来确保密封限制的充分性。g.衬砌渗漏必须认识到，尽管有了充分的密封，但通过透水的地质要素的渗漏依然存在，而且这种通过易冲蚀断层泥不连续体的渗漏会随时间而增加。在石膏、多孔石灰石以及含有多孔或片状方解石填充物中混凝土衬砌周围或穿过其中的渗漏会导致形成空洞和塌陷。有压水道中的渗漏会导致形成地表涌水、泥石流并导致滑坡。当隧洞中冲满水，地下水位高于原有的地下水位时，岩体透水，而且/或山谷侧面被较少渗透物质所覆盖时，这种情况就会发生。图9–1：雪山的限制标准（详见英文原稿第9-3页）图9–2：挪威的限制标准（详见英文原稿第9-4页）h.临时或永久排水没有必要或没有理由为外水压力设计衬砌。在运行期间，隧洞中的内水压力常常与原位地层水压没有多大区别，而且其渗漏量也是可以接受的。然而，在施工、检修和维修期内，就必须进行隧洞排水。可通过提供经过衬砌的排水来减小或几乎消除外水压力。可通过安装深入岩石的排水管或在衬砌外围设置通向排水管的滤水带来实现上述目标。深入岩石的滤水带和排水管通常无法维持，应在隧洞内设置排水井以便进行冲洗和清洁。如果施工期的地下涌水太大而不好处理，就可考虑采用灌浆来降低水流量。衬砌应该设计成能够承受外水压力的一定比例，因为排水无法将压力减小到零，而且排水管总是存在被堵塞的可能性。采用适当的排水措施后，设计水压力就可采用低于25%的全部压力或相当于三倍洞径的水柱高度。在施工条件下，可选择更低的设计压力。9.2岩石-衬砌相互作用的一般原则隧洞稳定的最重要材料就是岩体，它将通过洞口应力的重新分布来承受在隧洞开挖过程中产生的大多数或全部释放应力。岩石支护和衬砌主要是通过提供一种限制措施来完成。在开挖洞口内浇注的衬砌达到稳定后（进行或未进行一次支护）除自重应力外将不不再承受其他应力。另一方面，在弹性岩体隧洞衬砌中浇注的衬砌当发生了70%的潜在位移后，将会承受释放剩余30%位移的应力。实际的应力和位移都将依赖于岩体的模量和隧洞衬砌材料的模量。如果模量和原位应力是各向异性的，当衬砌材料在岩石松弛后变形时，衬砌就会扭曲变形。当衬砌材料挤压岩石时，岩石荷载就会增加。a.混凝土衬砌破坏形式常用的安全系数是导致结构物破坏或塌陷的荷载与实际或设计荷载（容量/美国陆军工程师团《岩石隧洞与竖井工程与设计》手册EM1110-2-2901第9章永久的衬砌设计1997年5月30日172荷载或强度/应力）间的比例。隧洞地层支护的岩石荷载依赖于岩石和支护间的相互作用，而且通常可通过提供更加可塑的岩石支护来消除过大的应力。这样就可通过造成破坏的应力与在特殊破坏机制下的实际诱发的应力之比来重新定义衬砌的安全系数。混凝土衬砌的破坏形式包括塌陷、严重渗漏和侵蚀加剧。钢筋或钢筋混凝土的受压屈服也是一种破坏形式；然而，混凝土的张拉裂缝通常不会导致无法接受的性能。b.隧洞和竖井的裂缝承受均衡的外部荷载的环向混凝土衬砌将会承受均衡的压应力（环向应力）。如果衬砌承受非均衡的荷载或扭曲变形，就会出现弯矩，导致衬砌外侧面的拉应力，内侧面某些点上的压应力和其他点上的拉力。当混凝土衬砌的弯矩过大以抵御衬砌中的环向压应力并且混凝土的抗拉强度过大时就会出现拉力。如果衬砌在均衡荷载条件下能自由移动，张力缝就会导致塌陷。然而，这种塌陷方式并不适用于岩石中的混凝土衬砌，岩石荷载并不是典型的后继（following）荷载，即当衬砌在荷载作用下发生位移时它的强度会减小；而且衬砌的扭曲变形增加了作用在衬砌上的荷载并朝周围的介质的变形。这些影响会降低高应力岩体中的岩石荷载并在应力低时增加岩体荷载。这样就会在衬砌具有可塑性时抵消假定的破坏作用。张力缝会增加可塑性并促使衬砌中的荷载更趋一致。如果混凝土衬砌中确实出现了张力缝，它们也不可能贯穿整个衬砌厚度，因为衬砌承受的是径向荷载而且其净荷载为压力荷载。如果在衬砌内侧出现张拉缝，横断面积将会减小并导致外侧出现更高的压应力，锁定裂缝。张拉裂缝不可能会产生松弛区域。所计算的衬砌外侧张拉裂缝可能就是假想出来的，因为衬砌外侧的岩石一般都处于受压状态，而且混凝土和岩石间的剪切粘接力也会防止混凝土中张拉裂缝的产生。在任何情况下，这种张拉裂缝都不会对衬砌稳定产生影响，因为裂缝本身不会构成破坏除非衬砌也被压坏。以上观念适合于环形衬砌，对于非环形孔口（如马蹄型）则要严得多，必须仔细检查张拉裂缝对潜在破坏形式的影响，尤其当裂缝由following荷载产生时更是如此。c.后继（following）荷载后继（Following）荷载是不受位移影响的荷载。典型例子就是由地层水产生的静水压力。幸运的是静水荷载是均衡的而且环形是抵御这种荷载的理想形式。其它后继荷载包括那些由膨胀或挤压岩石位移所产生的荷载，这些荷载通常是不均衡的而且还会在隧洞衬砌中产生严重的扭曲和弯曲破坏。9.3设计工况和设计荷载系数除非另有专门规定，混凝土隧洞的设计应满足EM1110-2-2104的要求。表9-1中指出了水利隧洞的选定荷载系数。这些荷载系数在某些方面不同于地表建筑物所采用的荷载系数，以考虑地下建筑物的特殊环境和性能。有时候也会出现某些表9-1中未列出的荷载，必须考虑采用其他的设计工况和荷载系数。表中没有显示的荷载组合可能会产生更为不利的条件。进行隧洞设计时，必须对荷载工况和系数进行仔细地评价。美国陆军工程师团《岩石隧洞与竖井工程与设计》手册EM1110-2-2901第9章永久的衬砌设计1997年5月30日1739.4永久的混凝土衬砌设计隧洞、竖井或其他地下建筑物的混凝土衬砌设计都必须满足防水、水力平顺、耐久性、强度、外观及内部荷载等功能要求。同时衬砌设计还必须考虑与周围岩体和岩石水文特性的相互影响，并考虑可构造性和经济性要求。表9-1引水隧洞的设计工况和荷载系数推荐值1荷载工况1234死荷载21.31.11.11.1岩石荷载31.41.21.41.2静水压力运行期41.4---静水压力过渡期5-1.1--动水压力外部6--1.41.4活荷载1.4注释：1.该表格适用于钢筋混凝土衬砌。2.衬砌自重加永久设备重量，如果有的话。活荷载，如隧洞中的交通工具重量的通常荷载系数为1.4。在引水隧洞中，在运行期的这种荷载通常是不存在的。3.岩石荷载是由岩石及结构间的相互作用产生的荷载和/或扭曲变形。4.正常运行工况下的最大内水压力减去最小外水压力。5.洞中因水锤产生的最大瞬时内压，减去最小外水压力。6.作用于