隧洞衬砌上的荷载及其组合

知识点：隧洞衬砌

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作用在衬砌上的荷载，按其作用的情况，分为基本荷载和特殊荷载两类。基本荷载有：围岩压力、衬砌自重、设计水位洞内的静水压力、稳定渗流情况下的地下水压力等长期的经常作用的荷载；特殊荷载有：校核水位时的内水压力和相应的地下水压力、施工荷载、温度应力、灌浆压力及地震荷载等出现机会较少的不经常作用的荷载。

所有荷载中，衬砌自重和内水压力可以较精确地计算。地下水压力（亦称外水压力）、温度及干缩力、灌浆压力、地震力等，则常假定一些基本数据，然后作近似的计算。至于岩石和衬砌之间的作用力（围岩压力和岩层对衬砌的弹性抗力），则因地质条件、衬砌形式和施工条件的不同而不同，目前还不能十分精确的计算。

计算荷载应根据上述两类荷载同时存在的可能性进行组合，分别组合为基本组合和特殊组合。在衬砌计算中应采用最不利的组合情况，并分别采用不同的安全系数。

1.山岩压力（围岩压力）

隧洞的开挖破坏了岩体本来的平衡状态，从而引起围岩的应力重分布，并随之产生相应的变形。隧洞开挖后因围岩变形或塌落作用在支护上的压力称为山岩压力。

影响山岩压力的因素很多，如岩体的强度，岩层的产状，裂缝的组合，风化程度，地下水状况，隧洞断面形状和尺寸，采用的施工方法，支护或衬砌的方式及时间等。因此，这是一个错综复杂的问题，很难用一个简单的理论公式予以概括。对于重要的、地质条件复杂的工程，应尽可能通过现场试验和观测确定山岩压力。

2. 围岩的弹性抗力

在荷载的作用下，衬砌向外变形时受到围岩的抵抗，这种围岩抵抗衬砌变形的作用力，称为围岩的弹性抗力。围岩压力是作用在衬砌上的主动力，而弹性抗力则是被动力，并且是有条件的。围岩考虑弹性抗力的重要条件是岩石本身的承载能力，而充分发挥弹性抗力作用的主要条件是围岩与衬砌的接触程度。弹性抗力的作用表明围岩能与衬砌共同承受荷载，从而使衬砌的内力得以减小，所以对衬砌的工作状态是有利的。因此充分地估计岩石抗力，对减少衬砌工程量有很大的作用，但如果对弹性抗力估计过高，则将导致不适当地减弱衬砌设计。因此，对围岩弹性抗力的大小必须认真研究，并采取适当措施，保证衬砌与围岩紧密结合。

3. 内外水压力

内水压力是有压隧洞衬砌上的主要荷载。当围岩坚硬完整，洞径小于6m时，可只按内水压力进行衬砌的结构设计。内水压力可根据隧洞压力线或洞内水面线确定。在有压隧洞的衬砌计算中，常将内水压力分为均匀水压力和无水头洞内满水压力两部分，分别进行计算。对于发电的有压引水隧洞，还应考虑水击引起的水压力。对于无压隧洞的内水压力则由洞内的水面线来计算。

外水压力也是水工隧洞的基本荷载之一，其数值取决于水库蓄水后形成的地下水位线，而这个水位线又与地形、地质、水文地质条件以及防渗、排水等措施有关，因此很难准确计算。一般来说，位于水库下面的隧洞，在防渗帷幕上游部分，地下水位线与水库正常挡水位一致；在防渗帷幕下游，如衬砌不漏水或排水正常工作，则地下水头约为（0.3～0.5）H；在隧洞出口处为零；中间按直线变化。如衬砌漏水或排水失效，则地下水水头约等于内水压力水头。如天然地下水位高于上述数值，则应按天然地下水位线来计算外水压力。无压隧洞一般采用排水措施消除外水压力。考虑到地下水渗流过程的水头损失，外水压力的数值应等于地下水的水头乘以折减系数β。

工程设计中，当与内水压力组合时，外水压力常用偏小值；当隧洞放空时，采用偏大值。

4.灌浆压力

隧洞衬砌施工时，由于岩石和模板的变形及混凝土干缩，顶部衬砌与围岩间常存在空隙，需进行回填灌浆，故回填灌浆孔主要布置在隧洞的顶拱部分。而围岩的固结灌浆孔则常沿洞周均匀对称地布置。灌浆压力的大小，与地质条件和施工方法关系很大，需要根据灌浆试验确定。

根据一般经验，回填灌浆压力一般为0.2～0.5MPa，分布在隧洞顶部中心角为90°～120°范围内，计算中常将其简化为作用范围为90°的均匀压力。固结灌浆压力可达0.3～1.0MPa，对高水头压力隧洞还应适当加大。固结灌浆对衬砌的作用与外水压力相似，使衬砌受压。因其浆液凝固后，作用于衬砌上的灌浆压力逐渐消失，所以灌浆荷载为施工临时荷载，一般运用情况均不组合固结灌浆压力。

5.温度荷载和地震荷载

隧洞衬砌一般较薄，散热条件好，因此混凝土的水化热很容易散发，一般可不考虑温度荷载的作用，而主要通过衬砌分缝、养护、保温等构造措施和施工措施予以处理。只是在当按其他荷载计算后不需配筋或配筋较少，而温度变化又较大时，可以适当加置温度钢筋。

隧洞衬砌因埋置在地下，受地震影响很小，设计中一般可不考虑地震作用。如1976年唐山大地震时，地面建筑物破坏严重，而开滦煤矿井巷混凝土棚架和喷锚支护的完好率达95%～100%。但隧洞线路应尽量避开晚、近期活动性断裂带，在设计烈度为8、9度的地区，不宜在风化和裂隙发育的傍山岩体中修建大跨度的隧洞。对于进出口建筑物应考虑地震的影响。此外，还应注意洞口附近较陡边坡在地震时有无发生滑坍的可能，必要时应采取适宜的加固措施。

6.荷载组合

衬砌计算时，应根据荷载特点及同时作用的可能性，按不同情况进行组合。

（1）正常运用情况：围岩压力+衬砌自重+宣泄设计洪水时的内水压力+外水压力。

（2）施工、检修情况：围岩压力+衬砌自重+可能最大外水压力。

（3）非常运用情况：围岩压力+衬砌自重+宣泄校核洪水时的内水压力+外水压力。

正常运用情况和非常运用情况均可能有几种不同组合，在设计计算中可根据具体情况分析确定。正常运用情况属于基本组合，用以设计衬砌的厚度、材料标号和配筋量，其他情况用作校核。

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