壓力隧洞

壓力隧洞是埋藏於岩體的地下結構， 由於岩體和賦存環境的多樣性以及襯砌與圍岩聯合工作機理的複雜性和不確定性， 其設計和結構計算難度遠大於地面結構。

基本介紹

• 中文名：壓力隧洞
• 外文名：pressure tunnel
• 定義：埋藏於岩體的地下結構
• 發展方向：洞線長、洞徑大、埋藏深
• 設計準則：挪威準則、雪山準則等
• 結構計算理論：剛性結構階段、彈性結構階段等

簡介

壓力隧洞是埋藏於岩體的地下結構， 由於岩體和賦存環境的多樣性以及襯砌與圍岩聯合工作機理的複雜性和不確定性， 其設計和結構計算難度遠大於地面結構， 加之抽水蓄能電站的大量興建， 壓力隧洞正往“洞線長、洞徑大、埋藏深” 的方向發展，更增加了其設計和結構計算的難度。目前， 我國壓力隧洞主要按照DL/T 5195—2004 《水工隧洞設計規範》進行設計， 襯砌形式選擇和結構設計多依據定性分析和規範中的經驗公式， 隨意性大， 存在一些問題。如： 採用限制混凝土襯砌開裂寬度的方法設計， 把內水壓力作為作用在襯砌內側的面力處理，對穿越斷層帶的高壓隧洞用有限元法進行計算， 由此得出的配筋量偏大， 從埋設在壓力隧洞中的監測儀器實測數據來看， 鋼筋和混凝土的應力都遠小於計算值。

設計準則

挪威是最早進行壓力隧洞研究的國家， 並總結出了一些便於運用的設計準則。我國研究者根據以挪威為代表的國外壓力隧洞設計經驗， 歸納總結了如下4 個常用的壓力隧洞設計準則。

挪威準則

挪威準則要求不襯砌隧洞最小上覆岩體重力不小於洞內水壓力， 同時要有1.3～1.5 的安全係數， 以保證圍岩在最大內水壓力作用下不發生上抬， 適用於坡腳緩於60°的硬岩地區。

挪威準則屬經驗準則， 雖經多次修正， 但分析表明， 壓力隧洞在滿足挪威準則設計後， 並不能保證不發生水力劈裂和滲透失穩。

雪山準則

雪山準則是1969 年澳大利亞雪山工程壓力隧洞設計時， 對陡峭地形提出的側向覆蓋準則對於比較陡峭且隧洞高程的水平向存在臨空面的地形， 水平側向覆蓋厚度常常起控制作用， 這時需採用雪山準則作為補充判斷， 其計算結果與挪威準則相當吻合。雪山準則反應了地形對覆蓋厚度的影響， 當有山谷、邊坡影響時更合理。但雪山準則與挪威準則一樣， 同屬經驗準則。

最小地應力準則

最小地應力準則認為岩體中存在預應力， 要求壓力隧洞沿洞線任一點最小主應力σ3大於該點洞內靜水壓力， 並有1.2～1.3 的安全係數， 以有效防止水力劈裂。使用該準則應選用結構面的最小地應力作為控制應力， 才能反映結構面對岩體強度的削弱作用。對於壓力隧洞， 在運用挪威準則、雪山準則確定覆蓋厚度後， 仍需要按最小地應力準則進行覆核判斷。

最小地應力準則意義明確， 但只滿足初始地應力條件， 而沒有考慮開挖後形成二次應力場的情況，偏不安全。實際工程中也無法準確確定隧洞沿線的初始地應力分布， 特別是當圍岩中存在軟弱結構面時， 結構面的開裂強度更是難以確定， 因而很難將這一準則可靠地套用於實際工程中。同時它假設圍岩發生張拉破壞， 也與眾多工程實踐中圍岩發生壓剪破壞現象不符。

圍岩滲透準則

滲透準則要求圍岩和結構面滿足滲透穩定性。考慮到圍岩結構面內普遍夾雜泥或碎屑物等， 在高壓滲透水壓力作用下容易發生水力擊穿現象， 此時結構面並沒有抬動張開， 但滲水量卻持續或急劇增加， 影響隧洞的安全運行， 因此在最小地應力準則的基礎上還需補充滲透準則， 以保證壓力隧洞的長期安全性。滲透準則包括兩方面內容： 一是根據規範規定， 在設計內水壓力作用下圍岩的透水率或灌漿後的圍岩透水率q≤1 Lu； 二是根據以往工程經驗， Ⅱ～Ⅲ類硬質圍岩長期穩定的滲透坡降不大於10～15。法國還根據壓水試驗透水率q 建立了襯砌形式選擇準則： 當q2 Lu 時， 必須用鋼襯；當q=0.5～2 Lu 時， 可採用鋼筋混凝土襯砌和高壓固結灌漿處理， 若經過高壓灌漿處理後滲流量仍不減小， 則用鋼襯。圍岩滲透準則同樣屬於經驗準則，沒有嚴格的理論依據， 採用多大的容許滲透率作為判斷標準還存在爭議， 文獻認為使用該準則時以天然而不是灌漿後的岩體透水率進行判斷為宜。

必須指出的是前三種設計準則都是根據不襯砌壓力隧洞提出的， 最後一種則是對最小地應力準則的補充完善， 在進行壓力隧洞設計時， 必須統一考慮這四種準則。用挪威準則或雪山準則確定洞線，再用最小地應力準則和滲透準則進行覆核及襯砌形式選擇。

結構計算理論

早期的壓力隧洞建設完全依據經驗， 19 世紀初才形成自己的計算理論， 早期主要是仿照地面結構的計算方法進行壓力隧洞的結構計算， 直到20 世紀中葉， 電子計算技術的出現才使計算理論得到快速發展。其發展過程大致可分為剛性結構階段、彈性結構階段、假定抗力階段、彈性地基梁階段、連續介質階段、數值方法階段。

剛性結構法主要適用於分析砌石構造的地下結構； 彈性結構法則無法考慮地層對襯砌的抗力； 假定抗力法、彈性地基梁法（結構力學法） 與連續介質法（彈性力學法） 雖理論簡單、易於掌握， 但適用範圍較窄， 計算結果與實際壓力隧洞監測結果也有較大差別。上述方法已很難解決目前洞線長、洞徑大、埋藏深的壓力隧洞計算問題。《水工隧洞設計規範》規定， 對於大型或者1 級隧洞建議採用有限元法計算。

有限元法是傳承彈性力學的原理藉助電子計算機計算結構的應力， 有限元法能解決結構力學法和彈性力學法不能解決的問題， 如計算壓力隧洞圍岩的應力場、滲流-應力-損傷等多場耦合分析等， 但由於受到壓力隧洞圍岩介質和賦存環境多樣性的影響而使其套用受到限制， 只能在各種假定的前提下根據不同的本構關係和強度準則進行簡化計算。常見的簡化模型的有限元法有等效多孔介質模型的有限元法、離散裂隙網路模型的有限元法、斷裂力學模型和損傷力學模型的有限元法。斷裂力學模型和損傷力學模型的有限元法這兩種模型都是從考慮岩體在耦合作用下發生損傷破裂行為方面切入， 著重於岩體結構內部發生質的改變帶來的更加複雜的耦合效應， 稱之為滲流-損傷-斷裂耦合模型。損傷對滲流的影響最初是通過三軸壓縮和剪下試驗研究岩石峰值前後的滲透率變化規律得到的。

雖然有限元法發展很快並在壓力隧洞結構計算分析中得到廣泛套用， 但仍存在不少問題。需要在以下幾方面加強研究： ①加強對岩體本構關係和強度準則的試驗研究， 以找到更符合實際岩體的計算模型。②在計算模型中嘗試在圍岩的不同受力區採用不同的屈服準則， 並與單種屈服準則進行對比分析。③在模型計算參數的確定上， 可考慮進行參數的敏感性分析， 將重點放在對計算結果影響較大的參數確定上。④將壓力隧洞分為施工期、運行期、檢修期三個工況進行模擬， 選取控制工況。⑤進一步研究滲流-應力-損傷（斷裂） 耦合機理，改進其耦合算法。

襯砌與圍岩聯合工作機理

充水前， 襯砌與圍岩的連線狀態受到多種因素的影響， 如襯砌類型、圍岩質量、施工措施及施工質量等， 襯砌與圍岩之間存在初始裂縫或是兩者之間有一定的粘結力， 這兩種情況下襯砌和圍岩的聯合作用機理是不同的。

襯砌和圍岩屬兩種不同的材料， 圍岩開挖後的應力一部分釋放到襯砌上， 加上施工中一般會在襯砌和圍岩間採用灌漿措施， 因此襯砌和圍岩之間有一定的粘結力， 此粘結力要求襯砌與圍岩的接觸面在較低水頭作用時滿足位移連續條件； 但這種粘結力比較小， 在襯砌開裂後， 水壓力主要作用在圍岩上， 使圍岩的徑向變形大於襯砌的徑向變形， 不一致的變形使接觸面上產生拉應力， 當拉應力大於粘結力時， 圍岩便與襯砌分開， 兩者不再聯合承載， 襯砌和圍岩單獨承受自身範圍內的水壓力， 在邊界上不再滿足位移連續條件， 而滿足水力連續條件。

由於混凝土和灌漿漿液乾縮， 大多數隧洞在充水運行前襯砌和圍岩之間存在初始縫隙， 初始裂縫包括兩部分： 即混凝土和灌漿漿液乾縮及施工不良引起的施工縫隙以及運行期圍岩的冷縮縫隙， 初始縫隙對襯砌與圍岩在內水壓力作用下的聯合作用影響很大： 在初始裂縫閉合之前， 內水壓力由襯砌單獨承載， 裂縫閉合後， 襯砌和圍岩聯合承受內水壓力。初始縫隙的大小是影響襯砌和圍岩承載能力的關鍵： 初始縫隙大， 襯砌容易開裂， 襯砌受力反而變小， 內水壓力主要由圍岩承擔， 使之受力變形相對大； 初始縫隙小， 襯砌與圍岩聯合作用效果相對較好， 襯砌不易開裂或裂縫微小， 內水壓力雖然仍主要由圍岩承擔， 但襯砌受力相對較大。因此在計算分析中不能忽略縫隙的影響， 準確模擬兩者之間的縫隙能提高計算的精度。研究者採用節理單元模擬圍岩和襯砌結合處單元， 即在襯砌頂拱外側沿環向劃分一層較薄的單元， 在裂縫閉合之前， 認為單元是空氣， 在閉合後， 空氣由實體代替並修改總剛度， 這種處理能較好地模擬襯砌與圍岩有條件的聯合承載。總之， 如何準確模擬襯砌和圍岩的聯合承載還有待進一步的研究。

存在的問題

①根據已建成壓力隧洞的監測數據檢驗經驗性的設計準則， 並對其進行修正； ②進一步加強對岩體本構關係和強度準則的研究以及計算參數的確定和計算模型的最佳化； ③加強水力學、斷裂力學、損傷力學與岩石力學的結合， 進一步研究壓力隧洞滲流-應力-損傷（斷裂） 耦合機理； ④加強現場試驗和監測， 如高壓水力劈裂試驗， GPS 監測變形，CT 掃描裂隙分布， 評估施工對圍岩穩定造成的影響等； ⑤對襯砌和圍岩有條件聯合承載的準確模擬。