EM1110-2-2901岩石隧洞和竖井(第9章).doc

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。:●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。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,~5l/s/km(~25gpm/1000ft)。在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。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。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。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。%(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。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。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