為保證人身安全和結構正常運行，對不穩定的圍岩需作襯砌；有時，雖然圍岩穩定，但如果泄水或輸水需要減小洞壁糙率，也需要襯砌。襯砌結構計算的目的在於核算在設計規定的荷載組合下襯砌強度能否滿足設計要求。計算之前可先按(1/8～1/12)的洞徑或用工程類比法初擬襯砌厚度，經過計算再行修正。在進行水工隧洞襯砌計算之前，需首先確定作用在隧洞襯砌上的荷載，並根據荷載特性，按不同的工作情況分別計算出襯砌中的內力。
基本介紹
- 中文名：有壓隧洞襯砌計算
- 外文名：pressure tunnel lining calculation
荷載及其組合,內力應力計算,
荷載及其組合
襯砌上的作用力有：圍岩壓力、內水壓力、外水壓力、襯砌自重、灌漿壓力、溫度作用和地震力等。其中，內水壓力、襯砌自重容易確定，而其他荷載通常需在一些假定的前提下作近似計算。
1.圍岩壓力
圍岩壓力主要有鉛直圍岩壓力和側向圍岩壓力。一般岩體中，作用於襯砌上的主要是鉛直向下的圍岩壓力，側向圍岩壓力只在鬆軟破碎或水平地應力較大的岩層中才需要考慮。2．內水壓力及外水壓力
內水壓力是有壓隧洞的重要荷載，其數值可由水力計算確定。對於有壓的發電引水隧洞，其壓力的控制值將是作用在襯砌上的全水頭與水擊壓力增值之和。對於無壓隧洞只要算出洞內水即可確定內水壓力。外水壓力是和水工有壓隧洞中內水壓力相對而言的
3．襯砌自重
襯砌自重是最容易計算而又較為精確的荷載，這裡只需說明一下，在用結構力學方法計算襯砌的內力時，為安全考慮，在計算所用到的襯砌厚度應包括0.1～0.3m的超挖回填在內，而在計算襯砌的內力時，只用襯砌的設計厚度(不包括超挖回填)。
4．灌漿壓力
在襯砌施工時，其頂部與圍岩間難以填滿而存在空隙，需要回填灌漿。回填灌漿分布在頂拱中心角90度～120度範圍內，灌漿壓力一般為0.2~0.3MPa。進行內力計算時，可按90度範圍均布的徑向壓力考慮。回填灌漿壓力可能使襯砌頂部內緣產生拉應力，但它屬施工情況的臨時荷載，可在灌漿時採取措施，故在設計中一般不予考慮。同結灌漿均勻分布於隧洞斷面周圍，一般灌漿壓力為0．3～1．0MPa，對於高水頭的有壓隧洞，還應根據內水壓力確定。固結灌漿對襯砌的作用相當於外水壓力，使襯砌受壓，只是在壓力很大時才有必要驗算襯砌強度。
5．溫度和地震作用
隧洞襯砌施工時，混凝土的硬化、乾縮以及運行期的水溫、氣溫變化可在襯砌內產生溫度應力。對於溫度作用，一般是通過選擇適宜的水泥、控制水灰比，降低澆築溫度，加強養護，做好分縫，適當配置溫度鋼筋等措施來解決，一般不必計算。當在寒冷地區有必要進行核算時，以往有一種方法是計算在溫度變化下圍岩和襯砌的徑向變位，根據變形相容條件按彈性理論的厚壁管公式折算為等效內水壓力。但溫度場及其引起襯砌和圍岩的變形是很複雜的，尤其是在寒流襲擊、初次流過低溫水等表面溫度驟降的情況下，襯砌內與表面距離不同的各點的溫度變化及溫度應力是相差很大的，上述計算方法並未考慮這一因素；另外，襯砌的溫度變形受到圍岩的強烈約束，把襯砌當成與圍岩約束條件無關的厚壁管來計算溫度應力，與實際情況相差很大。較為精確的方法應該是有限單元法，它可以模仿計算施工及運行全過程的溫度場和溫度應力的變化以及溫度應力的累計值，它還考慮到圍岩構造、彈模和約束等條件的不均勻性和徐變性能。
6．荷載組合作用
在隧洞襯砌上的荷載有長期或經常作用的基本荷載和機遇較少不經常作用的特殊荷載。襯砌計算時應根據荷載特點及同時作用的可能性，按不同情況講行組合。
內力應力計算
採用的襯砌計算方法，大致分為兩大類。
第一大類是將襯砌與圍岩分開，襯砌上承受各項有關荷載，考慮圍岩的抗力作用，假定抗力分布後按結構力學中的超靜定結構解算襯砌內力；也有採用襯砌常微分方程邊值問題數值解法，其電算程式可用於計算多種洞形，抗力分布不作假定而是在計算中經疊代求出，較前者合理。
另一類方法是將襯砌與圍岩作為整體進行計算，主要是有限元法。有限元法可模擬複雜的圍岩地質構造及襯砌和岩體的彈塑性特性以及蠕變特性。。
如果岩體的原始地應力很大，或者具有很強的蠕變性能，則應在開挖後等到洞周邊的向心位移趨於穩定才能襯砌；如果岩體相當完整或僅有少量密閉裂隙，而且地應力和蠕變性能都很小，一般在全洞開挖後再按開挖順序立模襯砌，圍岩的變形也已趨於穩定，對襯砌的壓力已很小，可不考慮其影響。
