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论如何进行科学隧洞断面优化设计 　　摘要隧洞断面结构的优化设计,应从三个方面进行综合考虑,即隧洞断面类型的选择,对隧洞断面尺寸的控制以及两条或多条隧洞的选择与布置这几个方面去研究,以寻求一条既符合经济效益,又符合隧洞建设的科学道路。 　　关键词隧洞;断面;优化设计 　　中图分类号U4文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)041-0048-02 　　 　　随着科技的不断发展,人类社会的不断进步,隧洞设计也走上了科学发展的道路,而在隧洞断面设计过程中,应采取综合分析法,结合施工实际情况进行设计,以尊重事实,尊重客观规律为原则,合理科学的进行规划设计。 　　1隧洞断面形式的选择 　　1.1隧洞断面形式的类型 　　隧洞断面型式省用的隧洞断面型式有圆形、马蹄形、拱门形等,应根据地质条件、水力条件(有压或无压,或水头大小)、截流、通航、放木、方便施工等要求,经技术经济比较确定。 　　1)圆形断面。圆形断面的顶拱为圆弧形,圆拱中心角为90°~180°。这种隧洞因有地下水存在且围岩较差,顶拱宜采用较大的圆拱中心角,对该断面衬砌形式设计采用圆拱中心角为180°,考虑到高宽比的要求,取底板净宽与墙净高相等且等于顶拱直径,即:R=a/2=b/2。 　　2)马蹄形断面。马蹄形衬砌断面形式是顶拱、侧墙及底板均为圆弧形。本隧洞流量比较固定,设计采用净高与净宽相等的衬砌断面。其顶拱内缘为半径为尺的半圆弧,侧墙及底板内缘分别为P=2R的圆弧。 　　3)拱门形断面。圆形多用于高水头处,马蹄形用于地质条件不良处,而拱门形断面有利于截流和施工。由于其底部过水断面面积大,有利于截流、通航放木,施工也较方便,常被广泛采用。其高宽比一般用1.0―1.7,顶拱圆心角为100°一180°;若岩性较差,垂直山岩压力及侧向山岩压力较大时,则宜采用马蹄形断面。马蹄形断面适用于明流的工作状态;圆形断面一般用在压力流工作状态,而水头较高,特别当外水压力较大时亦采用。但是,目前国内外部分导流隧洞设计中仍有不少工程仍采用圆形断面。 　　圆形马蹄形拱门形 　　图1三种截面的图形 　　1.2导流隧洞断面的形式选择 　　如何选择隧洞断面,首先应考虑隧洞的实际工作状态和现场状况。导流隧洞常有??流或压力流两种工作状态;而明压流交替过渡的流态,一般在所有导流隧洞的运用过程中,同样都会存在;即使前期导流按明流设计,后期施工渡汛时也可能成为压力流。因此,隧洞断面的形式与尺寸,不仅需满足前期导流,还必须满足中、后期施工渡汛要求。在一般情况下,都按压力流设计;也有少数设计成明流的,例如龙羊峡导流隧洞,洞身按明流设计,进口段为压力流。对于明压流态交替过渡,根据许多工程导流隧洞的实际运行经验来看,对结构物的安全影响并不严重。 　　1.3影响隧洞断面的因素 　　1)水力因素分析。以下将以马蹄形设计断面作为例子,分析水力因素的影响状况:按照加斜墙增高马蹄型的设计断面进行了水力计算,电站弃荷和自动升卧式闸门失灵的壅水计算,同时考虑了前池容积、溢流堰宽度对工程造价的影响因素。水力计算,采用以下公式:,n=0.015 　　图2H―x,H―w,H―Q曲线 　　从图上可以看出,当Q=80m3/s时,H=4.5m。前池正常发电水位H=l13.4-l07.9=5.5m,查H-w曲线,w=35.7m2,则隧洞余幅面积为20.26%。当电站弃荷的同时,自动升卧式闸门失灵,由溢流坝和闸顶泄流,前池水位抬高1.5m,查H―w曲线,w=39m2,余幅面积为12.89%,可以满足设计规范的要求。 　　2)静力因素分析。 　　图3矩阵静力分析 　　矩阵静力分析的基本思路与假定: 　　①将围岩对衬砌的约束用数目有限的若干个弹性支座链杆来代替,弹性链杆的弹性系数K值,按“局部变形”理论确定。②弹性链杆假定只传递轴向压力,当衬砌与围岩间的粘结力有充分保证时也可传递少量的拉应力(在粘结强度以内)。③弹性链杆的数目按计算精度的要求采用21个。④链杆方向与弹性抗力及摩擦合力的方向一致。⑤将衬砌断面也离散为具有有限个:资点的等截面直杆单元,弹性链杆设在节点处。⑥作用在衬砌上的各种外荷载,均换算为作用在节点上的集中荷载。⑦在不考虑仰拱作用并假定摩擦力甚大而不发生水平位移时,衬砌简化成一个具有弹性文承的折线型框架。用矩阵分析法解这样的结构也和普通杆件系统的结构力学方法相似;以矩阵位移法(直接刚度法)解算衬砌内力,是以节点位移为未知数的解法。基本依据是:汇交于同一节点处各个杆件的端位移与该节点的位移相一致,取各节点为分离体时,各节点必处于静力平衡状态,即各节点的外荷载和单元内荷载必满足平衡方程式。 　　如果隧洞为无压洞,内水压力较小,洞前覆盖层稳定,地下水位在洞底以上5-7m,洞后水位在洞底以下。