楚雄欣源水利电力勘察设计有限责任公司
摘要：本文结合目前水利工程建筑中水压隧洞的载荷结构特点，介绍了在进行水工压力隧洞结构设计时需要重点考虑的问题，同时也讨论了关于解决隧洞最小覆盖厚度、最小覆盖厚度、主应力大小顺序、外水荷载、钢筋混凝土衬 砌轴向裂缝与限裂设计、衬砌伸缩缝间距设计与环向裂缝开展等疑难问题的方法，重点强调了隧洞载荷方面的施工技术方法。
关键词：水工压力隧洞；围岩；衬砌；内水压力；外水荷载
前 言：由于水利水电工程的特点，在建设水利水电项目时不可避免会进行开山挖洞建设隧洞，水工压力隧洞就是这样建设的长形隧道，由于使用环境和功能特点，水工隧洞需要具有较高的载荷能力，而现代大型水利水电项目如雨后竹笋，水工压力隧洞在前期结构载荷设计方面的问题需要完善。比如隧洞的最小覆盖问题、载荷与应力问题、钢筋混泥土的抗裂和限裂设计问题等，这些问题都关乎着水工压力隧洞的结构设计是否合理和最终的使用问题。本文介绍了对以上问题的解决方法。
一、水工压力隧洞最小覆盖厚度
1.1 抗抬准则
前期的结构设计是最重要的，结构设计是对前期实地考察数据资料的分析，然后研究规划隧洞与岩土连接紧固共同承载水压问题。不衬砌水工压力隧道的围岩需要承担内水的压力，所以覆盖的岩土不能小于最小的岩土覆盖厚度，保证围岩的抗水压能力。衬砌压力隧洞应计算内水压力消减，计算最小围岩覆盖。
1.2 水力劈裂准则与最小主应力准则
在进行隧洞施工时，隧洞内部周边的岩石与岩石间存在缝隙，随着水压力的存在的原因，这些压力作用可以变成对岩石的拉力，使岩石与岩石间的缝隙变大，这就是岩石的水力劈裂。为了避免水力劈裂对最终隧洞结构和安全性的影响，隧洞上围岩的最小覆盖厚度应保证内水压力拉力小于初始法向应力，避免水劈裂。在进行分析水压力对围岩劈裂的影响时，有准确的计算方法，然而，围岩内部状况多样复杂随机且不稳定，要准确的计算隧洞周围每个裂缝的初始法向应力比较困难，随着对力学研究的深入，目前越来越多更合理的解决办法被提出和使用。比如在隧洞内先充水运动，然后计算最小应力。在实际水利项目中应用表明，隧洞内部的透水排水机构可能使隧洞渗水，这种渗水对隧洞本身和周边的建筑都有影响。所以必须采取必要的措施防止隧洞内部积水向外渗透，减少水力劈裂。
二、水工压力隧洞外水荷载
2.1 外水荷载
水工压力隧洞多是建设在大型岩体中，所以必须要考虑地下水对建筑物的影响，在进行隧道结构设计时要充分考虑这一因素对隧道结构的载荷影响。行业对这一问题关注研讨已久，但还没有理想解决办法。
在水利水电隧洞施工中，必须要考虑围岩的载荷，我们知道，而围岩压力来源于岩体本身，同时它又承载这一压力，所以在目前施工过程中主要采取衬砌的方法来对隧洞岩体进行加固，把围岩连接起来，加强他们的共同承载能力。而在低于地下水位，外力对衬砌主要是浮力和渗透体积力，此时山体压力对衬砌没有压力。
目前我国《水工隧洞设计规范》中使用外水压力折减系数对围岩的载荷进行计算，这种计算方法是将围岩和衬砌分离开，建立数学模型，用作用在衬砌外缘的边界水压力代替作用于衬砌的渗流体积力，通过模型来计算相应参数，当隧洞含水是，隧洞围岩所受到的载荷是一种外界力特殊形式，通过折减系数计算载荷只能达到大约的范围数值，不能明确的显现出隧洞载荷的所有本质。而我们的项目建设人员应该明确的了解这一点。
计算隧洞的外水载荷需要考虑很多外界环境因素的影响，比如隧洞所处的山体地形，土质岩层的结构和排水条件。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆但是如果对这些因素进行的准确计算有很大的难度，模型与参数的设计和选用也需要考虑实际状况，所以，在实际运用时主要用折减系数进行估算。
《规范》中引用外水压力折减系数来估算隧洞的外水载荷，水力学对外水压力折减系数的定义为衬砌外缘所受水压力与隧洞轴线处地下水静水压力之比，在使用时，必须要考虑多方面的因素，比如渗流中水头损失、无外水压力作用面积的折减和排水设施的卸压等的影响。同时内水外渗对渗流场和隧洞结构的影响也需要认真考虑，避免出现质量问题。
2.2 《规范》外水荷载近似处理的理论缺陷
然而按照《规范》中的模型理论计算外水载荷存在很多不足。规定在计算设计载荷时是在理想状况下，假定隧洞的水力学模型衬砌不存在透水问题，而规定中使用的计算模型却认为衬砌已经开裂并且存在相当的裂缝。这样用于计算处理的两种模型互相矛盾，存在不合理。
三、钢筋混凝土衬砌的水工隧洞轴向裂缝与限裂设计
3.1 钢筋混凝土衬砌轴向裂缝与限裂
我们知道，混凝土结构在凝固过程中存在缩减，并且内部结构也不好控制结合材料特性，出现裂缝不可避免，如果隧洞衬砌出现裂纹导致导致混凝土结构变形，混凝土中的钢筋结构对这种裂纹出现的作用很小。衬砌将无法承担内外部水载荷，此时我们多用钢砌来进行支撑紧固。
3.2 钢筋混凝土衬砌裂缝宽度验算的断裂力学法
通过进行模拟实验，我们比较了水工压力隧洞衬砌出现裂缝的规律和一般钢筋混凝土结构出现裂缝情况，发现这两种结构有很大不同，这是衬砌出现裂缝后，应力会随着缝宽的变化而不同，可能消失也可能重新调整。随着裂缝的扩大钢筋需要承担的应力也会变大。
目前，在应用金属材料方面随着力学研究的深入有了很大的进步，相关问题的解决有了打的进展，并且得到了相应的实践和应用。而作为需要方方面面考虑力学结构性能的水利水电工程更应加大对金属材料的研究和应用。
四、钢筋混凝土衬砌伸缩缝间距设计与环向裂缝开展宽度
通常情况下，穿缝钢筋、设置水结构和凿毛是隧洞衬砌接缝处理的常见方法。如果设置止水、纵向钢筋不能穿过缝面是作为是施工缝的接缝处理措施，那么对水工压力隧洞的要求就是内水外渗对围岩结构不产生影响。换句话说，环向施工缝和伸缩缝之间要相互合作，协调工作。
就现在来讲，许多地方的隧洞设计考虑不够全面，他们不考虑隧洞衬砌的轴向受力，仅仅关注于隧洞衬砌的配筋计算和横断面的构造内力，导致隧洞衬砌出现裂缝，这就看来，在设计隧洞结构时出现了考虑不全面之处。现在，许多设计师都是凭借自身经验和社会要求来估计各项工程的设计，水工压力隧洞衬砌伸缩缝就是如此，这些大致的评估通常都是不合理的，不能保证项目的安全性。
针对这一系列问题，文章结合各项知识对隧洞的围岩平整度和各项约束性条件及温度变化进行分析，得出相应的结论，给以后的建设提供一个较好的参考。
结束语：目前，我国的水工压力隧洞结构设计仍处于发展状态，对于许多问题都没有很好的解决方法，文章中针对水工压力隧洞结构计划遇到的各种问题进行分析探讨。衬砌和围岩齐心协力，联合工作作为现在水工压力隧洞结构设计的核心，而且围岩对承载起主导作用。在工作中，有必要使衬砌和围岩多多接触，可以让衬砌和围岩合作，把回填灌浆贯彻到实处。如果出现衬砌与围岩不接触脱离的情况，则设计计算的模型就起不到作用了，会造成隧洞衬砌结构的真实工作条件与之不符。那么，衬砌会自己承受渗流体积力和内水压力，这种操作会对衬砌造成伤害，对其结构安全造成不利影响，所以在工作中应当尽量避免这种情况发生。在工作中往往会通过固结灌浆加固围岩的方式来增强洞内围岩稳定和结构强度，进而保证围岩的变形模量、承载能力和完整性。所以，在生活中灌浆对工程的作用使不容忽视的。
参考文献
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论文作者:孟金凯
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第31期
论文发表时间:2018/4/2
标签：隧洞论文; 围岩论文; 水工论文; 载荷论文; 压力论文; 外水论文; 水压论文; 《建筑学研究前沿》2017年第31期论文;