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摘 要：地下隧洞设计是一项复杂的工作，在具体施工过程中会出现各种不同类型的问题。因此，在具体设计过程中，应当对水工隧洞的类型进行介绍的基础上，对围岩压力、衬砌自重、围岩弹性抗力、回填灌浆压力和内外水压力等隧洞荷载类型，隧洞中钢筋混凝土衬砌、伸缩缝间距设计与环向裂缝宽度等各项内容进行分析，从而确保最终设计结构的合理性，提高工程的设计质量。
关键词：隧洞结构；工程质量；设计问题
中图分类号：TV672+.1 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）17-0114-02
水工隧洞是现代水利水电工程建设中的一项重要建筑物结构，其设计水平高度会对工程的整体质量造成直接影响。水工隧洞因为荷载与结构的本身的特殊性，计算方法与设计理论都不完善，存在一些需要改进的地方，因此，做好相应的分析工作是必要的。
1 水工隧洞的类型
水工隧洞的类型按用途可分为泄洪隧洞、引水洞、排沙洞、放空洞和导流洞；按洞内水流状态可分为有压洞和无压洞；在设计水工隧洞时，尽量考虑一洞多用，以降低工程造价，如面板坝中导流、取水、放空三洞合一等，本文以面板坝中的导流洞进行分析。
1.1 独立导流洞
独立导流洞主要作用为施工期导流，导流洞作为水利枢纽中的关键导流建筑时，面板坝通常采用隧洞导流，很多情况下采用低围堰截流，高强度填筑大坝临时断面挡水的方式度过第一个汛期，导流洞在导流过程中洞内流态为无压流、明满流交替和有压流的过程。
1.2 一洞多用
一洞多用导流洞除了考虑其主要作用施工期导流外，还要考虑隧洞的其它功能，如放空和取水等功能要求导流洞作为永久隧洞来进行设计。施工期主要作用是施工导流，施工期结束后作为永久建筑物使用。
2 内外水荷载的合理处理
在岩层中开挖隧洞后，引起洞孔附近应力重新分布，岩体产生新的变形，围岩不仅是形成围岩压力的主体，而且也是承受压力的承载结构主体。隧洞衬砌在地下水位以下，其在应用过程中受到外水压力，以及相应渗流形成的渗透体积，在围岩与衬砌进行密切接触时，对具体工作条件应进行联合分析，此时，衬砌外缘也会承受作为边界荷载的外水压力。
在具体分析过程中，因为渗流场分析计算工作量相对较大，这也增加了相应模型的选取，同时在参数计算过程中也存在一定困难，因此渗流场分析法并不合适在一般隧洞工程中的应用，因此，通常会选择“外水压力折减系数”法，完成相应的估算操作[2]。在具体设计过程中，在取值时，需要充分考虑渗流水头损失造成的影响，排水设施卸压，以及无外水压力作用造成的影响，从而完成相应的分析工作。
例如，贵州某水库调压井与隧洞衬砌的质量相对较差，工程出现了较为严重的内水外渗现象，这也就会导致调压井与衬砌外表面受到较大的外水压力，衬砌由于受到不均匀力的影响，从而会受到破坏，在该情况下，需要通过对钢衬进行应用，从而完成相应的加固处理。
3 隧洞中钢筋混凝土的衬砌的合理设计
3.1 裂缝的合理控制
通过大量的工程实例可以发现，水工隧洞在施工中，采用混凝土和钢筋混凝土衬砌，势必会出现一些裂缝，这些裂缝的出现主要是因为混凝土在应用过程中的抗拉强度远不如其抗压性。通过试验可以确定，隧洞混凝土衬砌在具体应用过程中，其能够承受的温度变化只有7～10℃，由此可见，受荷载和降温两项因素的共同作用，将会引起拉力裂缝。混凝土结构在应用过程中出现裂缝，此时，钢筋与衬砌混凝土变形发生了一定程度变形协调，整个结构都保持低应力状态，因此钢筋对混凝土结构的抗裂性能几乎没有任何贡献。
混凝土结构在具体应用过程中，如果发生了开裂情况，内水将会通过裂缝向外部渗透，此时隧洞洞室的内壁承受的水压力荷载与内水压力荷载相近，这一现象表明，此时无论隧洞围岩是否可以承担内水压力，都必须由其承担，如果在具体设计过程中，要想让隧道衬砌高内水压力进行承担，则需要采用钢衬，也就说，只能依据限制裂缝的具体宽度，完成对钢筋混凝土衬砌的合理设计。
3.2 衬砌裂缝宽度分析
水工压力隧洞衬砌在具体应用过程中出现的裂缝的规律，与一般钢筋混凝土结构在应用中出现的裂缝的规律的差异十分明显，造成该现象的主要原因是隧洞结构特点，衬砌开裂后的应力状态情况有着密切联系。从实际情况来看，如果洞段围岩的一些薄弱处的衬砌出现了裂缝，要立即消除裂缝处的拉应力，并且要重新调整近处衬砌、围岩的具体应力情况。压力水进入后，会逐渐向裂缝两侧挤压，从而使裂缝附近衬砌拉应力得到合理释放，同时在该过程中，裂缝会在压力作用下，发生快速扩展。由此可见，裂缝近侧，随着压应力的变大，造成的影响范围也将会进一步扩大，随着混凝土裂缝的扩大，此时结构中的钢筋应力也将会进一步加大，并且能够起到限制裂缝的具体宽度，以及改善混凝土应力情况的效果。
4 伸缩缝间距设计与环向裂缝宽度分析
一般来说，针对隧洞中出现的接缝，可以采取凿毛、设置水结构、布设钢筋等方式进行处理。如果在水工压力隧洞工程中，如果存在防止内水外渗对围岩结构造成不良影响，此时对于施工缝的具体处理，只能通过设置止水结构的方式进行，并且在该过程中需要相关工作人员注意，为了避免结构造成破坏，对工程的整体质量造成影响，结构中的纵向钢筋不得穿过缝面。具体来说，如果水工压力隧洞在具体施工过程中，具有限防渗要求，环向施工缝的具体布置，应当在与伸缩缝间设计进行相互协调的基础上完成，从而保证设计的合理性。
现阶段，无论国内外，有关隧洞设计的规范，以及相应的计算方法，通常都只对隧洞衬砌横断面结构的具体内力大小，以及相应的配筋情况进行考虑，并不会对隧洞衬砌中的轴向受力情况进行考虑。但是，隧洞衬砌在应用过程中会出现环向裂缝，这一情况表明，忽视隧洞结构的轴线受力分析，是具体设计中的一项重要缺陷。目前，水工压力隧洞衬砌伸缩缝间距设计有设计工程师依据自身的工作经验进行评估，这也造成该结果经常会出现问题，无法确保结构自身运行的安全性与合理性。针对该问题，应当依据隧洞结构所处位置环境问题的具体变化、约束衬砌的具体条件、围岩的平整情况，通过对岩体提出的隧洞衬砌与围岩接触面上的剪应力与剪应力方向位移成线性关系的理论进行合理应用，提高最终钢结构设计的合理性。
5 结束语
衬砌与围岩两者相互协调工作是水工压力隧洞设计的核心，同时围岩也是承载的主要主体。在隧洞中，为了确保衬砌与围岩两者能够相互联合工作，应当做好相应的回填灌浆作业，同时要确保衬砌与围岩相互紧密接触是必要的，只有这样的结构设计才是合理的。否则，如果在隧洞中，衬砌与围岩两者出现脱离情况，将会导致隧洞衬砌结构的具体工作条件与设计计算模型出现违背的情况，衬砌则需要独立承受内水压力，以及一定范围内的渗流体积，这将会对衬砌结构的安全性造成较为严重的影响。
由此可见，为了保证水工高压隧洞运行的安全性，在具体设计过程中，应当从实际出发，做好具体设计过程中各项关键问题的分析工作。同时，在隧洞具体施工过程中，要做好相应的回填灌浆作业。
参考文献
[1]周 伟，喇 路，王 健.水工压力隧洞结构配筋計算分析[J].地下水，2016，38（05）：155～157.
[2]孙建仁.水工压力隧洞混凝土浇筑技术措施和质量控制[J].中国水运（下半月），2014，14（05）：342～343.
[3]刘 波，李 宁.圆形压力隧洞衬砌与围岩荷载分担比研究[J].西安理工大学学报，2012，28（04）：379～384.
收稿日期：2018-5-15
关键词：隧洞结构；工程质量；设计问题
中图分类号：TV672+.1 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）17-0114-02
水工隧洞是现代水利水电工程建设中的一项重要建筑物结构，其设计水平高度会对工程的整体质量造成直接影响。水工隧洞因为荷载与结构的本身的特殊性，计算方法与设计理论都不完善，存在一些需要改进的地方，因此，做好相应的分析工作是必要的。
1 水工隧洞的类型
水工隧洞的类型按用途可分为泄洪隧洞、引水洞、排沙洞、放空洞和导流洞；按洞内水流状态可分为有压洞和无压洞；在设计水工隧洞时，尽量考虑一洞多用，以降低工程造价，如面板坝中导流、取水、放空三洞合一等，本文以面板坝中的导流洞进行分析。
1.1 独立导流洞
独立导流洞主要作用为施工期导流，导流洞作为水利枢纽中的关键导流建筑时，面板坝通常采用隧洞导流，很多情况下采用低围堰截流，高强度填筑大坝临时断面挡水的方式度过第一个汛期，导流洞在导流过程中洞内流态为无压流、明满流交替和有压流的过程。
1.2 一洞多用
一洞多用导流洞除了考虑其主要作用施工期导流外，还要考虑隧洞的其它功能，如放空和取水等功能要求导流洞作为永久隧洞来进行设计。施工期主要作用是施工导流，施工期结束后作为永久建筑物使用。
2 内外水荷载的合理处理
在岩层中开挖隧洞后，引起洞孔附近应力重新分布，岩体产生新的变形，围岩不仅是形成围岩压力的主体，而且也是承受压力的承载结构主体。隧洞衬砌在地下水位以下，其在应用过程中受到外水压力，以及相应渗流形成的渗透体积，在围岩与衬砌进行密切接触时，对具体工作条件应进行联合分析，此时，衬砌外缘也会承受作为边界荷载的外水压力。
在具体分析过程中，因为渗流场分析计算工作量相对较大，这也增加了相应模型的选取，同时在参数计算过程中也存在一定困难，因此渗流场分析法并不合适在一般隧洞工程中的应用，因此，通常会选择“外水压力折减系数”法，完成相应的估算操作[2]。在具体设计过程中，在取值时，需要充分考虑渗流水头损失造成的影响，排水设施卸压，以及无外水压力作用造成的影响，从而完成相应的分析工作。
例如，贵州某水库调压井与隧洞衬砌的质量相对较差，工程出现了较为严重的内水外渗现象，这也就会导致调压井与衬砌外表面受到较大的外水压力，衬砌由于受到不均匀力的影响，从而会受到破坏，在该情况下，需要通过对钢衬进行应用，从而完成相应的加固处理。
3 隧洞中钢筋混凝土的衬砌的合理设计
3.1 裂缝的合理控制
通过大量的工程实例可以发现，水工隧洞在施工中，采用混凝土和钢筋混凝土衬砌，势必会出现一些裂缝，这些裂缝的出现主要是因为混凝土在应用过程中的抗拉强度远不如其抗压性。通过试验可以确定，隧洞混凝土衬砌在具体应用过程中，其能够承受的温度变化只有7～10℃，由此可见，受荷载和降温两项因素的共同作用，将会引起拉力裂缝。混凝土结构在应用过程中出现裂缝，此时，钢筋与衬砌混凝土变形发生了一定程度变形协调，整个结构都保持低应力状态，因此钢筋对混凝土结构的抗裂性能几乎没有任何贡献。
混凝土结构在具体应用过程中，如果发生了开裂情况，内水将会通过裂缝向外部渗透，此时隧洞洞室的内壁承受的水压力荷载与内水压力荷载相近，这一现象表明，此时无论隧洞围岩是否可以承担内水压力，都必须由其承担，如果在具体设计过程中，要想让隧道衬砌高内水压力进行承担，则需要采用钢衬，也就说，只能依据限制裂缝的具体宽度，完成对钢筋混凝土衬砌的合理设计。
3.2 衬砌裂缝宽度分析
水工压力隧洞衬砌在具体应用过程中出现的裂缝的规律，与一般钢筋混凝土结构在应用中出现的裂缝的规律的差异十分明显，造成该现象的主要原因是隧洞结构特点，衬砌开裂后的应力状态情况有着密切联系。从实际情况来看，如果洞段围岩的一些薄弱处的衬砌出现了裂缝，要立即消除裂缝处的拉应力，并且要重新调整近处衬砌、围岩的具体应力情况。压力水进入后，会逐渐向裂缝两侧挤压，从而使裂缝附近衬砌拉应力得到合理释放，同时在该过程中，裂缝会在压力作用下，发生快速扩展。由此可见，裂缝近侧，随着压应力的变大，造成的影响范围也将会进一步扩大，随着混凝土裂缝的扩大，此时结构中的钢筋应力也将会进一步加大，并且能够起到限制裂缝的具体宽度，以及改善混凝土应力情况的效果。
4 伸缩缝间距设计与环向裂缝宽度分析
一般来说，针对隧洞中出现的接缝，可以采取凿毛、设置水结构、布设钢筋等方式进行处理。如果在水工压力隧洞工程中，如果存在防止内水外渗对围岩结构造成不良影响，此时对于施工缝的具体处理，只能通过设置止水结构的方式进行，并且在该过程中需要相关工作人员注意，为了避免结构造成破坏，对工程的整体质量造成影响，结构中的纵向钢筋不得穿过缝面。具体来说，如果水工压力隧洞在具体施工过程中，具有限防渗要求，环向施工缝的具体布置，应当在与伸缩缝间设计进行相互协调的基础上完成，从而保证设计的合理性。
现阶段，无论国内外，有关隧洞设计的规范，以及相应的计算方法，通常都只对隧洞衬砌横断面结构的具体内力大小，以及相应的配筋情况进行考虑，并不会对隧洞衬砌中的轴向受力情况进行考虑。但是，隧洞衬砌在应用过程中会出现环向裂缝，这一情况表明，忽视隧洞结构的轴线受力分析，是具体设计中的一项重要缺陷。目前，水工压力隧洞衬砌伸缩缝间距设计有设计工程师依据自身的工作经验进行评估，这也造成该结果经常会出现问题，无法确保结构自身运行的安全性与合理性。针对该问题，应当依据隧洞结构所处位置环境问题的具体变化、约束衬砌的具体条件、围岩的平整情况，通过对岩体提出的隧洞衬砌与围岩接触面上的剪应力与剪应力方向位移成线性关系的理论进行合理应用，提高最终钢结构设计的合理性。
5 结束语
衬砌与围岩两者相互协调工作是水工压力隧洞设计的核心，同时围岩也是承载的主要主体。在隧洞中，为了确保衬砌与围岩两者能够相互联合工作，应当做好相应的回填灌浆作业，同时要确保衬砌与围岩相互紧密接触是必要的，只有这样的结构设计才是合理的。否则，如果在隧洞中，衬砌与围岩两者出现脱离情况，将会导致隧洞衬砌结构的具体工作条件与设计计算模型出现违背的情况，衬砌则需要独立承受内水压力，以及一定范围内的渗流体积，这将会对衬砌结构的安全性造成较为严重的影响。
由此可见，为了保证水工高压隧洞运行的安全性，在具体设计过程中，应当从实际出发，做好具体设计过程中各项关键问题的分析工作。同时，在隧洞具体施工过程中，要做好相应的回填灌浆作业。
参考文献
[1]周 伟，喇 路，王 健.水工压力隧洞结构配筋計算分析[J].地下水，2016，38（05）：155～157.
[2]孙建仁.水工压力隧洞混凝土浇筑技术措施和质量控制[J].中国水运（下半月），2014，14（05）：342～343.
[3]刘 波，李 宁.圆形压力隧洞衬砌与围岩荷载分担比研究[J].西安理工大学学报，2012，28（04）：379～384.
收稿日期：2018-5-15