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无压隧洞多采用圆拱直墙形（城门洞）断面[图8-7（d）、（i）]。由于这种断面的顶部为圆拱形，适宜于承受垂直围岩压力，并且在施工时便于开挖和衬砌。顶拱中心角一般在90°～180°，当垂直围岩压力较小时，可采用较小的中心角。一般情况下，较大跨度泄水隧洞的中心角常采用120°左右。断面的高宽比一般为1～1.5，水深变化大时，采用较大值。在侧向围岩压力较大时，为了减小或消除作用在边墙上的侧向围岩压力，也可把边墙做成向内倾斜状[图8-7（e）]。如围岩条件较差还可以采用马蹄形断面[图8-7（f）]，马蹄形断面由上部半圆和下部三心圆或多心圆构成，以尽量减小隧洞衬砌截面弯矩。当围岩条件差，而且又有较大的地下水压力时，可以考虑采用圆形断面。

无压隧洞的断面尺寸主要根据其泄流能力要求及洞内水面线来确定。

对于表孔溢流式进口，泄流能力按堰流计算。对于深式进口，泄流能力取决于进口压力短管段，可按管流计算。

为了保证洞内无压流状态的稳定，水面以上应有足够的净空。当洞内的水流流速大于15～20m/s时，应考虑由高速水流引起的掺气和冲击波的影响。流速较低、通气良好的隧洞，要求水面以上净空不小于洞身断面面积的15%，其高度不小于40cm；流速较高的隧洞，考虑掺气和冲击波的影响，在掺气升高的水面以上的净空面积一般为洞身断面面积的15%～25%，冲击波波峰高不应超过城门洞形断面的直墙范围。

在确定隧洞断面尺寸时，还应考虑到洞内施工和检查维修等对最小尺寸的要求，圆形断面内径一般不小于1.8m，非圆形断面尺寸不小于1.5m×1.8m（宽×高）。

2.有压隧洞的断面形式

有压隧洞由于内水压力较大，从水流条件（过水断面湿周最小）及受力条件（受力方向对称）考虑，一般均采用圆形断面[图8-7（a）、（b）、（c）、（g）]。当围岩条件较好，洞径和内水压力都不大时，为了施工方便，也可采用上述无压隧洞常用的断面形式。

在隧洞出口处应设置压坡段，减小隧洞出口段面积，以保证洞内水流始终处于有压状态，并要求在最不利运行的条件下，洞顶应有2m以上的压力水头。洞内水流流速越大，要求压力水头越大，对于高流速的有压泄水隧洞，压力水头可高达10m左右。

（二）洞身衬砌的类型及构造

衬砌是指沿开挖洞壁而做的人工护壁，主要作用是：①阻止围岩变形的发展，保证围岩的稳定；②根据需要，承受围岩压力、内水压力和其他荷载；③防止渗漏；④保护围岩免受水流、空气、温度、干湿变化等的冲蚀破坏作用；⑤平整围岩，减小表面糙率，增大过流能力；⑥满足环境保护的要求。

隧洞衬砌主要可分为以下几种类型：

（1）平整衬砌（也称护面）。用混凝土、喷混凝土和浆砌石（图8-8）做成的护面，它不承受荷载，仅起到平整隧洞表面、减小糙率、防止渗漏、保护岩石不受风化的作用。平整衬砌适用于围岩坚固、完整，能自行保持稳定，水头和流速较小的情况。对于无压隧洞，如岩石不易风化，可只衬砌过水边界部分。平整衬砌的厚度由构造决定，一般混凝土或喷混凝土可采用5～15cm，浆砌石衬砌可采用25～30cm。

（a）～（f）单层衬砌；（g）～（i）单组合式层衬砌
1—喷混凝土；2—16mm钢板；3—25cm排水管；4—20cm钢筋网喷混凝土；5—锚筋

（2）单层衬砌。用混凝土[图8-7（a）]、钢筋混凝土[图8-7（b）、（c）、（d）]或浆砌石做成。单层衬砌适用于中等地质条件、隧洞断面较大、水头及流速较高的情况，是我国应用最广的受力衬砌。由于混凝土的抗拉强度较低，靠增加混凝土的厚度来提高其抗弯能力是不经济的，因为在衬砌厚度增加的同时，也增加了自重，并增加岩石的开挖量，所以衬砌厚度应在满足要求的前提下尽量采用较小的尺寸。根据《水工隧洞设计规范》，混凝土和单层钢筋混凝土衬砌的厚度不宜小于25cm，双层钢筋混凝土衬砌的厚度不宜小于30cm，并由衬砌受力计算最终确定。衬砌所用混凝土的强度等级不应低于C15。

（3）锚喷衬砌。锚喷衬砌是利用锚杆和喷混凝土加固围岩措施的总称，是逐渐发展起来的一项新型加固措施。喷混凝土不需模板，施工进度快，能紧跟掘进工作面施工，缩短围岩暴露时间，使围岩的风化、潮解和应力松弛等不致有大的发展。但由于喷层较薄，随开挖岩面起伏不平，糙率较大，且大面积喷射施工质量难以控制，在内水压力及水流作用下，有可能引起渗漏及冲蚀破坏。喷混凝土的厚度不宜小于8cm，最大不宜超过20 cm。混凝土的设计强度等级不宜低于C20。

锚杆支护是用特定的锚杆锚固于岩石内部，把原来不够完整、不够稳定的围岩固结成一个整体，增加围岩的整体性和稳定性（图8-9）。

（4）组合式衬砌。根据开挖断面周边不同部位衬砌的受力特点和运用要求，可采用不同的衬砌材料组合而成。如内层为钢板、钢筋网喷浆，外层为混凝土或钢筋混凝土[图8-7（g）]；如顶拱为混凝土，边墙和底板采用浆砌石[图8-7（h）]；又如顶拱和边墙先锚喷后再进行混凝土或钢筋混凝土衬砌等形式。实践证明，在软弱、破碎的岩体中开挖隧洞，由于岩体稳定性差，采用先锚喷，再做混凝土或钢筋混凝土衬砌，是一种较安全、经济的组合形式。

（5）预应力衬砌。预应力衬砌是对混凝土、钢筋混凝土衬砌的外壁施加预压应力，以便在运用时抵消内水压力产生的拉应力，克服混凝土抗拉强度低的缺点，这样不仅能减小衬砌厚度，减少隧洞开挖量，节约材料，还可以增强衬砌的抗裂性和不透水性。其缺点是工序多，施工复杂，高压灌浆技术要求高，工期较长。最简单的预应力方法是向衬砌和围岩之间进行压力灌浆，使衬砌产生预压应力。为保证灌浆效果，应在衬砌与围岩之间预留有2～3cm的空隙，灌浆浆液应用膨胀性水泥，以防止干缩时导致预压应力降低。预应力衬砌多用于高水头圆形有压隧洞。

洞身衬砌类型的选择，应根据隧洞的任务、地质条件、断面尺寸、受力状态、施工方法及运行条件等因素，通过技术经济比较后确定。

在进行隧洞衬砌形式选择时，可参考表8-1并通过工程类比研究确定。

当围岩坚硬、完整、裂隙少、稳定性好且抗风化性能好时，对于流速低、流量较小的隧洞，可以不加衬砌。不衬砌的有压隧洞，其内水压力应小于地应力的最小主应力，以保证围岩稳定。由于不衬砌隧洞的糙率大，泄放同样流量就要增大开挖断面，因此，是否采用不衬砌隧洞应经过技术经济比较之后确定。

2.衬砌的分缝与止水

在混凝土及钢筋混凝土衬砌中，一般设有施工工作缝和永久性的横向变形缝。

隧洞在穿过断层、软弱破碎带以及和竖井交接处，或其他可能产生较大的相对变位时，衬砌需要加厚，应设置横向变形缝。变形缝的缝面不凿毛，分布钢筋也不穿过，无防渗要求的无压洞，可不设止水，对有压洞或有防渗要求的无压洞，则缝内应设止水片及充填1～2 cm厚的沥青油毡或其他相应的防渗措施（图8-10）。

1—断层破碎带；2—沉陷缝；3—1～2cm厚沥青油毛毡；4—止水片或止水带

围岩地质条件比较均一的洞身段只设施工缝。根据浇筑能力和温度收缩等因素分析确定沿洞线的浇筑分段长度，一般分段长度可采用6～12m，底拱和边拱、顶拱的环向缝不得错开。衬砌的环向施工缝需要进行凿毛处理，或设一些插筋穿过缝面以加强整体性。纵向施工缝应根据浇筑能力，设置在衬砌结构拉应力及剪应力较小的部位，对于圆形隧洞常设在与中心垂直线夹角为45°处（图8-11）；对于城门洞形隧洞，为便于施工可设在顶拱、边墙、底板交界附近。纵向施工缝必须进行凿毛处理，必要时缝内可设键槽。

1—插筋；2—分布钢筋；3—止水片；4—纵向施工缝；5—受力筋

隧洞灌浆分为回填灌浆和固结灌浆两种。

（1）回填灌浆。回填灌浆的目的是为了填充衬砌与围岩之间的空隙，使之结合紧密，共同受力，以改善传力条件和减少渗漏。回填灌浆的范围、孔距、排距、灌浆压力及浆液浓度，应根据衬砌结构的形式、隧洞的工作条件、施工方法及隧洞开挖后断面的裂缝情况来确定。混凝土和钢筋混凝土衬砌的顶部必须进行回填灌浆，砌筑顶拱时，可预留灌浆管，待衬砌完成后通过预埋管进行灌浆（图8-12），灌浆范围一般在顶拱中心角90°～120°以内，孔距和排距一般为2～6m，灌浆孔应深入围岩5cm以上，灌浆压力一般为0.2～0.3MPa。

（2）固结灌浆。固结灌浆的目的在于加固围岩，提高围岩的整体性，减小围岩压力，保证岩石的弹性抗力，减小地下水对衬砌的压力和减少渗漏。对围岩是否需要进行固结灌浆，应通过技术经济比较而定。固结灌浆参数，应根据围岩地质条件，衬砌结构形式，内、外水压力大小以及围岩的防渗、加固要求，通过工程类比或现场试验来确定。固结灌浆孔一般深入围岩约为隧洞半径的1倍，一般排距2～4m，每排不少于6孔，做对称布置（图8-12）。灌浆压力可采用1.5～2.0倍的内水压力。固结灌浆应在回填灌浆7～14h之后进行，灌浆时应加强观测，以防洞壁产生变形或破坏。

设置排水的目的是为了降低作用在衬砌外壁上的外水压力。对于无压隧洞衬砌，当地下水位较高时，外水压力成为衬砌的主要荷载，对衬砌结构应力影响很大。为此，可在洞底设纵向排水管通向下游，或在洞内水面线以上，通过衬砌设置排水孔，将地下水直接引入洞内（图8-13）。排水孔间距、排距以及孔深一般为2～4m。

对于有压圆形隧洞，外水压力在衬砌设计中一般不起控制作用，可不设置排水设备。当外水位很高，外水压力很大，对衬砌设计起控制作用时，可在衬砌底部外侧设纵向排水管，通至下游，纵向排水管由无砂混凝土管或多孔缸瓦管做成。必要时，为提高排水效果，可沿洞轴线每隔6～8m，设一道环向排水槽，环向排水槽可用砾石铺筑，将搜集渗水汇入纵向排水管（图8-14）。设置排水设施时，应避免内水外渗。

（三）出口段及消能设施

有压隧洞的出口常设有工作闸门及启闭机室，闸门前有渐变段，水流出隧洞口之后进入消能设施。无压隧洞出口山体需要防护，其作用是防止洞口山体及其以上岩石崩塌，并与扩散消能设施的两侧边墙相衔接（图8-15）。

1—隧洞混凝土衬砌；2—横向排水槽；3—纵向排水管；4—卵石

泄水隧洞出口水流的特点是隧洞出口宽度小，单宽流量大，能量集中，所以常在出口处设置扩散段，使水流扩散，减小单宽流量，然后再以适当形式消能。

泄水隧洞的消能方式大多采用挑流消能，其次是底流消能。近年来国内也在研究和采用新的消能方式，如窄缝挑流消能和洞内孔板突扩消能等。

当隧洞出口高程高于或接近下游水位，且地形地质条件允许时，采用扩散式挑流消能比较经济合理，因为它结构简单，施工方便，国内外泄洪、排沙隧洞广泛采用这种消能方式。当隧洞轴线与河道水流交角较小时，可采用斜向挑坎，靠河床一侧鼻坎较低，使挑射主流沿河床纵向扩散，减轻对河岸的冲刷（图8-16）。

当隧洞出口高程接近下游水位时，也可采用扩散式底流水跃消能。底流消能具有工作可靠、消能比较充分、对下游水面波动影响范围小的优点，但缺点是开挖量大、施工复杂、材料用量多、造价高。图8-17为一有压泄水隧洞出口底流消能的典型布置。

水流由隧洞出口经水平扩散段横向扩散，再经曲线扩散段和斜坡段继续扩散，最后进入消力池。这种布置方式由于使水流横向充分扩散，单宽流量减小，可使消力池的长度和深度也相应减小。

（a）有压隧洞；（b）无压隧洞
1—钢爬梯；2—混凝土压重；3—启闭机室

3.窄缝式挑坎消能

窄缝式挑坎消能为挑坎处采用收缩成窄缝的布置形式，如图8-18所示。窄缝式挑坎与等宽挑坎的不同之处在于，它的挑角很小，一般取0°，顺水流方向，两侧边墙向中心的显著收缩使出水口处水流迅速加深，水舌的出射角在底部和表层差别很大，底部约0°，表层可达45°左右，因此导致水舌下缘挑距缩短，上缘挑距加大，水流挑射高度增加，使水流沿纵向扩散延长，增大空中扩散面积，减小了对河床单位面积上的冲刷强度和冲击动能，同时水舌在空中扩散时及入水时大量掺气，在水舌进入水垫后气泡上升，减小了水舌入水的潜水深度并改善水流流态，从而大大减轻了对下游河床的冲刷。

4.洞中突扩消能

洞中突扩消能也称为孔板消能，它是在有压隧洞中设置过流断面较小的孔板，利用水流流经孔板时突缩和突扩造成的阻力使水流漩滚，在水流内部产生摩擦和碰撞，消减大量能量，同时又将动能转化为热能随水流带走，从而达到降低流速、减少磨损的消能目的。

在高水头的水利枢纽中，利用高程相对较低的导流洞改建为泄流洞后，由于水头高，洞内流速必然很大。为了防止高速水流引起的空蚀及高速含砂水流产生的磨损破坏，可在洞内设孔板进行突扩消能。

黄河小浪底水利枢纽中将导流洞改建为压力泄洪洞，就采用了多级孔板消能方案（图8-19），在直径为D=14.5m的洞中布置了3道孔板，孔板间距为3D=43.5m，为防止空化的产生，Ⅲ级孔板采用不同的孔径比d/D（d为孔板的内径，D为泄洪洞的内径）。由上游至下游的Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级孔板孔径比d/D分别为0.689、0.724、0.724，孔缘圆弧半径R分别为0.02m、0.2m、0.3m，孔板厚度均为2.0m，为防止孔板上游角隅漩涡出现空蚀，孔板前根部还设有1.2m×1.2m的消涡环。由导流洞改建的泄洪洞，经过3级孔板消能，可将140m水头消去60m水头，洞内平均流速仅10m/s。不仅可节省投资，控制了洞内流速，而且有助于山体稳定，同时一洞多用也解决了泄水建筑物总体布置上的困难。