7 隧洞的衬砌设计
地下洞室的开挖及形成，改变了围岩的原有应力场受力条件，并在一定程度上影响围岩的力学性能，导致洞室变形，严重时出现年掉块甚至坍塌微等现象。因此，围岩的稳定是决定工程施工成败的关键问题。 7.1 衬砌的作用
为了保证水工隧洞安全有效的运行，通常需要对隧洞进行衬砌。衬砌的作用是：①承受山岩压力、水压力等荷载；②加固和保护围岩，使围岩长期保持稳定，免受破坏；③减小隧洞表面糙率，减小水头损失；④防止渗漏。 7.2 衬砌的类型
（1）平整衬砌。当围岩坚固，内水压力不大时，用混凝土、喷浆、砌石等做成平整的护面。它不承受荷载，只起减小粗糙率、防止渗水、抵抗冲蚀、防止风化等作用。平整衬砌可以只在水流湿周范围内衬砌。只为降低糙率的衬砌，平均厚度约为0.15m即可；若有防冲、抗渗要求时，则衬砌厚度为0.2～0.3m。
（2）混凝土、钢筋混凝土衬砌。当围岩坚硬、内水压力不大时，可采用混凝土衬砌。当承受较大荷载或围岩条件较差时，则应采用钢筋混凝土衬砌。衬砌的厚度(不包括围岩超挖的部分)应根据计算和构造要求确定。其最小厚度，混凝土和单层钢筋混凝土衬砌不小于25cm，双层钢筋混凝土衬砌不小于30cm，强度等级不低于C15.
（3）预应力衬砌。预应力衬砌是对混凝土或钢筋混凝土衬砌施加预压应力，以抵消内水压力产生的拉应力，适用于作用高水头的圆形隧洞。
最简单的瑜伽盈利方法是向衬砌与围岩之间进行压力灌溉，使衬砌产生预压应力。为了保证灌溉效果，围岩表面应用混凝土进行修整，并与衬砌之间留有2～3cm的空隙，以便灌溉。浆液应采用膨胀性水，以防干缩时预应压力降低。这种预加应力的方法要求围岩比较坚硬完整，必要时可先对围岩进行固结灌浆。
（4）喷锚衬砌。喷锚衬砌是指利用锚杆和喷混凝土进行围岩加固的总称。由于喷射混凝土能紧跟掘进工作面施工，缩短了围岩的暴露时间，是围岩的风化。潮解的应力松弛等不致有大的发展，所以，喷混凝土施工给围岩的稳定创造了有利条件。
20世纪50年代发展起来的新奥法，特别强调喷锚喷支护措施的应用，开展支护方案的选择，支护结构的设计，支护顺序的安排，支护工艺的实施。特别是支护时机的确定，将有利于全面发挥锚喷支护的作用，确保地下围岩的安全稳定。 7.3新奥法施工的基本原理
⑴根据岩体具有的弹、塑性物理性质，研究洞室围岩的应力—应变状态。并将其变形发展控制在允许的变形压力范围内，及时施作支护，以保护围岩稳定。
⑵充分利用围岩的自身承载能力，把围岩当作支护结构的基本组成部分，施作的支护
将同围岩共同工作，形成承载环或承载拱，为此，洞室开挖爆破和施作支护时均应采取措施尽量减少对围岩的破坏程度，保持围岩强度。
⑶施作的支护结构应与围岩紧密结合，既要具有一定的刚度，以限制围岩变形自由发展，防止围岩松散破坏，又要具有一定的柔性，以适应围岩适当的变形，使作用在支护结构上的变形压力不致过大。
⑷设置固定的观测系统，监测围岩的位移及其变形速率，并进行必要的反馈分析，正确估计围岩特性及其随时间的变化，以确定施作初期支护的有利时机和是否需要补强支护等措施。
新奥法的核心思想是“在充分考虑围岩自身承载力的基础上，因地因地制宜搞好地下洞室的开挖与支护”。它强调运用光面爆破、锚喷支护和施工过程中的围岩稳定状况监测，此称为新奥法三大支柱。 7.4 隧洞喷锚支护设计
喷锚支护一般分两期进行：初期支护，在洞室开挖后，适时采用薄层的喷混凝土支护，建立起一个柔性的“外层支护”，必要时可加锚杆或钢筋网、钢拱架等措施，同时通过量测手段，随时掌握围岩的变形和应力情况。初期支护是保证施工早期洞室安全稳定的关键。二期支护，待初期支护后且围岩变形的达到基本稳定时，进行二期支护，如复喷砼，锚杆加密，进一步提高其耐久性，防水性，安全系数及表面平整度等。
锚喷支护的正确运用，应重视支护结构，支护构筑时机，围岩应力状态及围岩变形过程四者的相互关系。
喷锚支护的作用是加固与保护围岩，确保洞室的安全稳定。由于围岩条件复杂多变，其变形破坏的形式与过程多有不同，各类支护措施及其作用特点也就不相同。在实际工程中，可以归纳有局部性破坏和整体破坏两大类。
⑴局部性破坏
局部性破坏的表现形式包括开裂、错动、崩塌等，多发生在受到地、质结构面切割的坚硬岩体中。对于局部性破坏只要在可能出现破坏的部位对围岩进行支护就可有效维持洞体的稳定。实践证明，锚喷支护是处理局部性破坏的一种简易而有效的手段。利用锚杆的抗剪与抗拉能力，可以提高围岩的c、?值及对不稳定块体进行悬吊。而喷混凝土支护，其作用则表现在：填平凹凸不平的壁面，以避免过大的局部应力集中；封闭岩面，以防止岩体的风化；堵塞岩体结构面的渗水通道、胶结已经松动的岩块，以提高岩层的整体性；提供一定的抗剪力。
⑵整体性破坏
整体性破坏也称强度破坏，是大范围内岩体应力超限所引起的一种破坏现象。常见的形式为压剪破坏，多发生在围岩应力大于岩体裁强度的场合。表现为大范围塌落、边墙挤出、底鼓、断面大幅度缩小等破坏形式。出现应力超限后，再任围岩变形自由发展，将导
致岩体强度大幅下降。此种情况下常采用初复式喷混凝土与系统锚杆支护相结合的方法，这样不仅能加固围岩，而且可以调整围岩的受力分布。
本设计坝址处水文地质情况，地下属裂隙补给水，主要在构造裂隙及局部破坏碎带内，坝址河谷及两岸的变质岩石质坚硬。综合分析，为防止洞室围岩发生局部破坏和整体性破坏，可以采用锚杆支护和喷混凝土相结合的方法。
查《水利工程施工》表6-5洞室喷锚支护的形式和设计参数可知本设计围岩稳定性较好、坚硬、有轻微裂隙的岩层，毛洞跨度在10-15(m)之内，故选取8-12cm喷混凝土，2.0-2.5m长锚杆
7.5 锚杆形式的运用及计算
锚杆是用金属（主要是钢材）或其他高抗拉性能材料制作的杆状构件，配合使用某些机械装置，胶凝介质，按一定施工工艺，将其锚固于洞室围岩的钻孔中，起到加固围岩，承受荷载，阻止围岩变形的目的。
7.5.1 锚杆形式的选用
工程中，按锚杆与围岩的锚固方式，基本上可分为集中锚固和全长锚固两类。 根据围岩变形和破坏的特性，从发挥锚杆不同作用考虑，锚杆在洞室的布置有局部锚杆和系统锚杆。
锚杆种类有楔缝式锚杆，砂浆锚杆，树脂锚杆和胀充式锚杆。
⑴楔缝式锚杆：将钢楔衔于锚杆缝口，将锚杆插入岩体孔内，然后冲击锚杆，使钢楔劈开缝口，锚杆头部张开，紧固在孔底，起到锚固作用。
⑵砂浆锚杆：它们是利用水泥砂浆在杆体和锚孔间所提供的摩擦力和粘结力而得到锚固的。
⑶树脂锚杆：树脂锚杆是把分别装有树脂、填料、固化剂和加速剂的胶囊送到锚孔底部，转动锚杆，掏破胶囊，经过化学反应后达到固结作用。
⑷胀充式锚杆：它是由锚杆端部的胀圈扩开以后所提供的嵌固力而得到锚固的。 本设计选用楔缝式锚杆，其示意图见下图，图7.1
图7·1楔缝式锚杆
图中 C-楔缝宽度，一般为2-4m;
d1-锚杆直径，一般选用25mm;
d0-楔子尾端厚度，具体详见《水利施工设计手册》第二表5-9-7 7.5.2 楔缝式锚杆参数
⑴锚杆长度：锚固有限松动块是锚杆的一种最简单支护。
锚杆应深入坚固岩体1-2m。确定锚杆长度时，需考虑对松动岩块尺寸估计的准确程度的影响。锚杆长度L为
L?l??l?(1?2m) （7·1） 式中： L—锚杆长度，m；
l—钻孔在松动岩块的孔深，m；
?l—锚杆外露部分的长度，取0.10-0.15m，选取?l=0.15m； 将各数值代入式(7.1)，得：
L?0.1?0.15?(1?2) L?2.25m
选取锚杆长度为2.5m ⑵锚杆直径
由设计规范得知：锚杆直径为25mm； 锚杆钻孔直径，计算见图7·2
d2?d1?b1?b2?2e （7.2）
式中： d1—钻孔直径；
d2—锚杆直径； b1—楔子厚度；
b2—楔缝宽度，一般为2-4mm，选取3mm；
2e—锚头楔入岩石壁的深度，详见《水利施工设计手册》第二卷，表5-9-9；
锚头楔入孔壁深度2e
表7.1 岩石坚固系数f 2e(mm) 3-4 5 8 由于本工程岩石坚固系数f=8选取2e=4mm。
>6 4-6 <4 图7.2锚杆钻孔直径图
将各数值代入式（7·2）得：
d2?25?20?3?4?38mm
楔缝式锚杆锚固力参考值，详见《水利施工设计手册》第二卷，表5-9-9
表7.2锚杆固力参考值 岩石名称 板岩 页岩 砂质页岩 硬石灰岩 锚固力 2.5 5.0 7.0 9.0 岩石名称 磁铁矿 斑岩 细粒石英岩 致密石英岩 锚固力 10.0 6.5 6.8 1.8 本工程岩石主要由云母石英片岩组成，石质坚硬，查上表可知，锚固力不1.8。 现将其锚喷支护设计参数成果统计于下表
表7.3喷锚支护设计参数表 松涛水利枢纽围岩喷锚支护设计参数表 围岩类别 II 洞室跨度 (m) 11 喷层厚度 (cm) 8-12 直径 (cm) 25 长度 (m) 2.5 锚杆 钻孔直径(mm) 38 锚固力 1.8 7.6 喷混凝土施工工艺及流程
喷混凝土是将水泥、砂、石和外加剂（速凝剂）等材料，按一定配比拌和后，装入喷射机中，用压缩空气将混合料压送到喷头处，与水混合后高速喷到作业面上，快速凝固在被支护的洞室壁面，形成一种薄层支护结构。
7.6.1 喷混凝土施工工艺
松涛水利枢纽施工导流综合方案施工组织设计设计精品
