黑龙江农垦科技职业学院
摘要:随着社会主义市场经济的高速运转，各类新型技术的广泛应用，带动了我国水利工程事业的深入发展。压力隧洞施工作为水利工程建设的重要环节，其安装位置的合理与否直接关乎到整体设施功能性的高低。若其安装的位置出现了偏差，则会严重影响施工的进度及成本。本文意在，以压力隧洞在水利工程建设中的应用情况作为研究对象进行系统化分析。
关键词:水利工程；压力隧洞；应用；分析
21世纪我国生产力与生产水平大幅度提升，社会经济稳步提升，我国大兴水利建设，在一定程度上推动了社会民生的发展建设。但值得注意的是，我国当前水利事业的压力隧洞建设环节的难度相对较大，内容较为复杂。因此，逐步提升压力隧洞的施工水平降低施工成本是我国水利建设部门的首要任务。
一、压力隧洞施工的首要原则
我国作为世界上最大的发展中国家，幅员辽阔，资源丰富，气候类型与地理条件复杂多样，这也为水利事业的压力隧洞施工带来了困难。压力隧洞的施工首要原则，即最大限度将水流作用带来的水平负荷力向周围山体扩散，减少隧洞受到的水平作用力与负荷力的影响，保障整体工程的安全性与稳定性。除此以外，我国不同地区的地理环境及山岩性质的差异较大，在进行施工过程中需针对不同地形环境进行勘测，所采取的施工技术手段也不尽相同，这也为隧洞施工工作增加了难度。隧洞施工环节最为常用的类型为衬砌式，对山体表面岩石较为松散的区域以钢材、水泥等进行加固处理，防止隧洞内部因施工或外力作用发生陷落、坍塌现象，降低水流冲击带来的负荷力，使其整体结构安全稳定。这一施工技术的工作原理在于，以隧洞施工地区的地理因素与山岩特点作为前提，钢筋、水泥构筑的基础设施的稳固作用较强，但其对于水平作用力的承受能力较差，当水平作用力集中于局部位置时，其表面会产生孔洞缝隙，使水流的水平传导力扩散至附近的山岩中；一方面，用于稳固的设施可以有效减少水流对整体隧洞的冲击，最大限度减少隧洞渗水开裂现象发生；另一方面，在隧洞内无水流作用或外力冲击时，砌体稳固设施表面的孔洞缝隙会逐渐封闭，此时稳固设施能够发挥出承担山体岩石水平压力的作用。在前期隧洞规划环节进行充分的预测，对山体、岩洞进行全面的勘测与数据调查分析，根据当地的实际情况规划设计隧洞的内部结构。
在实际隧洞使用过程中难以保证所有的水流作用力都能够有效的分散传播，部分地区的山体及地势相对特殊，此时则应根据实际需求转变施工模式，选择承载力较强的设施堆砌于山体岩石的松散位置。其工作原理在于，以增强称重设施的整体性能提升其承受山岩水平重力与水流作用力的能力，既有效减少了隧洞内的压力，又充分保障了水平作用的有效分散，以达隧洞整体稳定性的目的。上述施工方式，在保障工程进展的基础上，降低了人力劳动强度。除此以外，有效减少了施工材料的使用量，减少了整体隧洞施工的材料成本。
二、无衬砌压力隧洞的最小埋深计算分析
下面以某埋深不大的压力隧洞附近山岩岩体应力———变形状态的分析成果，作为具体实例进行研究。该压力隧洞内径9.5m，水头为160m(P=1.6MPa)，穿越一段地形低洼地段。隧洞在地形低洼地段的最小埋深(至隧洞的顶拱)为36m。该洼地是一个山谷隘口，两侧与水平面的坡度分别为26°和46°。山岩岩体由弱泥质密实的层状石灰岩组成，层厚0.4m～0.8m。岩层隧洞轴线对水平面的倾角为6°，在垂直于隧洞纵轴的平面内，岩层对水平面的倾角为65°。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆顺层理的岩体变形模量采用E11=7000MPa:垂直于层理的岩体变形模量E⊥=3600MPa，泊桑比V=0.2，由于是空间结构，故利用计算机应用程序以有限元法求解。
计算区域的尺寸(考虑采用的对称条件)选择是沿隧洞轴线400m，水平方向距隧洞轴线200m，高400m(考虑地形情况)。对于有限元法标准的限制条件———各节点的水平位移限制在其下部的水平面内，计算区域包括936个等参数单元和1972个节点。在开挖轮廓附近，利用二次单元随后转移到一次单元。所采用的计算区域的对称性假定，不可能考虑岩体的实际结构。因此，对与对称条件不矛盾的两种极限———岩石具有垂直和水平层理的情况进行了分析。为了进行比较，对变形模量平均值E=5300MPa的各向同性岩体也进行了分析研究。
在岩体力学性能各相同性的情况下，埋深最小的隧洞其未来衬砌顶拱点处没有受到损坏的岩体的计算应力状态为，σmin=-2.1MPa，σmax=-0.97MPa；在岩体各向异性情况下，未来衬砌顶拱点处未损坏岩体的计算应力状态为:岩层呈垂直状时，σmin=-2.25MPa，σmax=-1.35MPa；岩层呈水平状时，σmin=-2.17MPa，σmax=-1.5MPa。岩体中的上述应力值表明，考虑地形的影响十分重要。要知道，对于平面问题来说，相应的最小应力值σmin=-0.94MPa。以上所求得的岩体中的自然应力值，是设计阶段用来决定能否在无衬砌条件下保留该隧洞作为压力隧洞的充分依据(σmin=-2.1MPa，其绝对值大于P=1.6MPa)。
研究过程中的一个主要部分就是深入的思考如何让隧洞衬砌不会受到过大的水压力荷载，从而将绝大部分的水压荷载力都传递到岩体之上。在这一过程中，并不需要对隧洞衬砌附近所存在的灌浆区进行考，其岩石灌浆区完全可以视作安全余量的存在。各种不同计算情况之下的塑性变形区范围的数值研究成果都充分的表明了，在隧洞的水压荷载力作用之下，岩石所可能出现的破坏区大小，都是由岩体自身的应力状态来决定的，这个数值与岩石自身的强度高度基本没有任何关系。当然，也有理由针对次进行推测，与计算的实际情况相比较而言，从物理的定性上来讲，岩石灌浆的程度多少都会直接影响到破坏区自身的范围。而要增加隧洞的深埋程度，势必会使得塑性变形区的范围极大的缩小，从而使得其尺寸的稳定性都是处在开挖轮廓线的1.3m~1.5m这一范围之内。
在如此的情况之下，必须要对隧洞中所具有的厚度达到80cm以及含筋率1%的钢筋混凝土衬砌进行考虑。衬砌中所存在的颈向裂缝打开，有极大一部分都是由钢筋自身来进行承担，而另外一部分则是直接将所有的力量都传递给岩体，岩石自身的塑性变形区最大发展范围能够达到7m。如果在这一过程中不对衬砌进行考虑，那么所有的计算结果都证明了，塑性变形区有可能在垂直方向扩展到距开挖轮廓线达10m的范围。在此情况下，破坏区将停止发展，在比这更大的水压力作用下，达到平衡状态，这可以由弹性问题求解。因为在埋深相对不大的深处，岩体的应力状态在很大程度上取决于地形条件和岩体的结构，在设计时考虑此因素极其重要。水利压力式隧洞与地表相距的距离数值的主要决定因素，就在于水利枢纽的整体布置中各个建筑体之间的距离、地势低洼地段隧洞自身的横断面尺寸以及一些其他的复杂因素所影响，而如何最大限度的减少隧道建筑工程则成为了极其重要的部分。
三、结语
根据上文分析与阐述，在隧洞的实际施工环节，对于隧洞设置的位置及选用的衬砌加固手段应根据实际情况，按照水利工程施工的标准严格执行。在进行隧洞施工的勘测环节，应充分考虑到可能对隧洞整体稳定性与安全性产生影响的因素，并采取行之有效的设计施工手法避免隧洞坍塌、陷落事故发生。以勘测后进行统计的信息数据作为施工前提，对数据进行系统化的分析后方可进行后期的隧洞施工。在保障隧洞施工安全的基础上，最大限度减少施工材料浪费，降低施工成本，以保障我国水利工程的经济效益与社会效益。
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论文作者:鞠丽秀
论文发表刊物:《防护工程》2017年第28期
论文发表时间:2018/2/6
标签：隧洞论文; 压力论文; 水平论文; 应力论文; 岩石论文; 山体论文; 水流论文; 《防护工程》2017年第28期论文;