Chapter 6
Design Considerations
6-1. Fundamental Approach to Ground Support Design
- Underground design must achieve functionality, stability, and safety of the underground openings during and after construction and for as long as the underground structure is expected to function. There is no recognized U.S. standard, practice, or code for the design of underground structures. Many designers apply codes such as ACI#39;s Codes and Practices for concrete design, but these were developed for structures above ground, not for underground structures, and only parts of these codes apply to underground structures.
- Designers often approach tunnel design by searching for modes of failure that can be analyzed (e.g., combined bending and compression in a lining), then apply them to more-or-less realistic but postulated situations (loading of a lining). While bending and compression are applicable failure modes for linings, many other modes of failure must be analyzed. In principle, all realistic modes of behavior or failure must be defined; then means by which these can be analyzed and mitigated must be found.
- Failure modes are modes of behavior that could be considered unacceptable in terms of hazard, risk to cost or schedule during construction, environmental effect, or long-term failure of function. For underground structures, failure of function means different things for different kinds of structures: a certain amount of leakage in an urban highway tunnel might be a failure of function, while for a rural water conveyance tunnel such leakage might be perfectly acceptable.
- The five basic design steps are outlined below:
- The functional requirements are defined in a broad sense. They include all hydraulic and geometric requirements, ancillary and environmental requirements and limitations, logistics, and maintenance requirements.
- Collect geologic and cultural data including all information required to define potential failure modes and analyze them, field and laboratory data, and cultural data to define environmental effects and constraints. These data may include ownership of right-of-way, the possibility of encountering contaminants, and sensitivity of structures to settlements.
- Determine plausible and possible failure modes including construction events, unsatisfactory long-term performance, and failure to meet environmental requirements. Examples include instability problems or groundwater inflow during construction, corrosion or excessive wear of ground support elements, excessive leakage (in or out), and settlements that may cause distress to adjacent existing structures.
⑷ Design initial and final ground supports. Initial support includes all systems that are used to maintain a stable, safe opening during construction. Final supports are those systems that need to maintain a functional opening for the design life of the project. Initial supports may constitute a part of the final supports, or they may be the final support (e.g., precast segmental liner installed behind a TBM).
(5) Prepare contract documents. This is the synthesis of all design efforts and may include provisions to modify construction procedures based on observations. The contract documents also contain all information necessary for a competitive bidding process, and means to deal with claims and disputes.
- The following subsections describe functional requirements of tunnels and shafts, typical and not so typical modes of failure of tunnels and shafts, including corrosion and seismic effects. Selection and design of initial ground support are described in Chapter 7, and final lining selection and design in Chapter 9.
6-2. Functional Requirements of Tunnels and Shafts
Most USACE tunnels are built for water conveyance, either for hydropower, fresh water transport, or flood control. Underground hydraulic structures may include drop and riser shafts, inclines, tunnels, intakes, outlets, intersections, bifurcations, energy dissipators, venturi sections, sediment control, surge chambers, gates, and valves.
- Types of flow in underground hydraulic structures.
- Flow in underground hydraulic structures will be either open-channel flow or pressurized flow. Pressurized flow is usually under positive pressure, but negative pressures can also be encountered.
- If it is desired to maintain gravity flow conditions in a tunnel, then the size and grades must be designed to accomplish this. Usually, the variable flow quantities and input pressures (minimums and maximums) are given and cannot be adjusted. In some cases, geologic conditions may limit adjustments to grade. On the other hand, it may be desired to generate pressurized flow, for example in a hydropower intake tunnel to spin the turbines, in which case size and grade are selected for that purpose. Tradeoffs can be made between size and grade to determine whether pressurized or gravity flow will occur and which is more desirable for a specific facility.
- Short tunnels of 100 m (330 ft) or less can be driven level, but longer tunnels are usually constructed at a minimum slope of 0.0001 (0.01 percent) to facilitate drainage.
- Open-channel (gravity) flow hydraulic structures.
In open-channel flow, the water surface is exposed to the atmosphere. This will be the case so long as the rate of flow into the structure does not exceed the capacity as an open channel. For a gravity flow tunnel with multiple input sources or changes in cross section or grade, various points along the alignment must be analyzed to ascertain the flow volume and velocity to make certain that this condition is met. Hydraulic jumps can form within open channels if the slope of the channel is too steep or the outlet is submerged. If the hydraulic jump has sufficiently high energy, damage to t
第6章设计注意事项
6-1.地面设计支持的基本方法
设计支持
- 地下设计必须在施工期间和施工后实现地下洞口的功能性，稳定性和安全性，并且只要地下结构有望发挥作用。对于地下结构的设计，没有公认的美国标准，实践或代码。许多设计师将ACI代码和实践等代码应用于混凝土设计，但这些代码是针对地上结构开发的，而不是针对地下结构，并且这些代码中只有部分适用于地下结构。
- 设计人员通常通过搜索可以分析的故障模式（例如，在衬砌中组合弯曲和压缩）来接近隧道设计，然后将它们应用于或多或少的现实但假定的情况（衬砌的加载）。虽然弯曲和压缩适用于衬砌的失效模式，但必须分析许多其他失效模式。原则上，必须定义所有现实的行为或失败模式；那么必须找到可以分析和减轻这些的手段。
- 失效模式是在危险，成本风险或施工期间，环境影响或功能长期失效方面可被认为是不可接受的行为模式。对于地下结构，功能失效对于不同类型的结构意味着不同的东西：城市公路隧道中的一定量的泄漏可能是功能失效，而对于农村输水隧道，这种泄漏可能是完全可以接受的。
- 五个基本设计步骤概述如下：
（1）在广义上定义的功能要求：它们包括所有液压和几何要求，辅助和环境要求和限制，物流和维护要求。
（2）收集地质和文化数据：包括定义潜在失效模式和分析它们所需的所有信息，现场和实验室数据以及文化数据，以定义环境影响和约束。这些数据可能包括通行权的所有权，遇到污染物的可能性以及结构对定居点的敏感性。
（3）确定合理和可能的故障模式：包括施工事件，不满意的长期性能以及未能满足环境要求。例子包括施工期间的不稳定性问题或地下水流入，地面支护元件的腐蚀或过度磨损，过度泄漏（进出），以及可能导致相邻现有结构受损的沉降。
（4）设计初期支护和最终支护：初始支护用于在施工期间保持稳定，安全开启的所有工作。最终支护是那些需要为项目的设计寿命维持功能开放的系统。初始支撑可以构成最终支撑的一部分，或者它们可以是最终支撑（例如，安装在TBM后面的预制分段衬垫）。
（5）准备合同文件：这是所有设计工作的综合，可能包括根据观察结果修改施工程序的规定。合同文件还包含竞争性招标过程所需的所有信息，以及处理索赔和争议的方法。
e.以下小节描述了隧道和竖井的功能要求，隧道和竖井的典型和非典型的失效模式，包括腐蚀和地震效应。第7章介绍了初始地面支护的选择和设计，第9章介绍了最终衬砌的选择和设计。
6-2.隧道和竖井的功能要求
大多数USACE隧道都是为输水而建，用于水力发电，淡水运输或防洪。地下水力结构可包括下降和竖管轴，倾斜，隧道，进口，出口，交叉点，分叉，消能器，文丘里管段，沉积物控制，调压室，闸门和阀门。
a.地下水工结构中的流动类型。
- 地下水工结构中的流动将是明渠流动或加压流动加压流量通常在正压力下，但也可能遇到负压。
- 如果希望在隧道中保持重力流动条件，则必须设计尺寸和等级以实现此目的。通常，给出可变流量和输入压力（最小值和最大值），并且不能调整。在某些情况下，地质条件可能会限制对坡度的调整。另一方面，可能希望产生加压流动，例如在水力进气隧道中旋转涡轮机，在这种情况下，为此目的选择尺寸和等级。可以在尺寸和等级之间进行折衷，以确定是否会发生加压或重力流动，并且对于特定设施来说更加需要。
- 100m（330英尺）或更短的短隧道可以水平驱动，但较长的隧道通常建造在最小坡度0.0001（0.01％）以便于排水
b.明渠（重力）流动水力结构。
在明渠流动中，水面暴露在大气中。只要流入结构的速率不超过作为开放通道的容量，情况就是如此。对于具有多个输入源或横截面或坡度变化的重力流动隧道，必须分析沿着路线的各个点以确定流量和流速以确保满足该条件。如果通道的坡度太陡或出口浸没，则可在开放通道内形成液压跳跃。如果液压跳跃具有足够高的能量，则可能导致结构损坏，应该避免这种情况
c.液压控制
（1）液压控制装置放置在流动通道中，以调节和测量流量并保持区域上游的水位。在隧道的整个长度上，每个区段中可能存在各种流动条件。排水和流动深度由隧道的坡度，几何形状和衬砌以及闸门，堰，阀门，进水口和水滴结构等液压控制装置的位置决定。在隧道的每个区段内，区段入口或出口可以用作控制区段。当水可以以比水可以进入入口的更大速率流过隧道段时，将存在入口控制。顶水深度和入口几何形状决定入口排放能力。在入口控制下操作的隧道的区段通常将部分地流动。
（2）当控制部分放置在隧道段的末端或附近时，出口控制发生，并且水可以比流过该段的速度更快的速率进入该段。在出口控制下流动的隧道段将流动全部或部分满。在出口控制下流动的部分的流量取决于出口上游的液压因素。堰是一种液压控制形式，通常用于调节和测量明渠中的流量。存在许多堰设计的变化，其中大多数都伴随着它们自己的经验
堰设计方程。在大多数处理开放通道流的教科书中都可以找到Weir方程和系数。
d.瞬态压力。
- 瞬态压力是在封闭管道中的流动水的速度被破坏时引起的非定常流动的一种形式。原因包括阀门或浇口设置的变化，泵或电源故障，衬砌故障以及空线填充过快。一种类型的瞬态流动被称为水锤。这种现象在水隧道中是一个重要的设计考虑因素，因为在高压或低压过高时会发生结构损坏。隧道中还有许多其他类型的瞬态流动，这可能是由隧道沿线不同位置的不等填充率造成的：空气夹带，空气释放和水力跳跃。对于结构分析，在设计瞬态压力时使用较低的安全性或负载系数。
（2）瞬态压力脉冲由动能快速转换为压力产生，并且取决于相对于障碍物的位置可以是正的或负的。压力脉冲将在整个隧道或管道系统中传播，在端部处被反射并且在横截面改变的地方传输和反射。压力脉冲的大小和传播速度由流体和导管的弹性特性以及速度变化的速率决定。所有其他因素相同，速度变化越快，压力变化越严重。
（3）通过小心调节稳压罐，调节阀门关闭时间，减压阀或这些方法的组合来控制瞬态压力。
（4）水利工程人员应对每条隧道的瞬态压力进行分析，以用于压力隧道的设计。对于初步使用，通常使用比操作设计压力高50％的瞬时压力。
e.空气救济。
（1）占用空的或部分填充的隧道的空气可能会被困住，导致操作困难，从头部损失增加和不稳定的流动到严重的瞬态和井喷。空气可以通过泵入口，虹吸破碎器，下落结构和液压跳跃中的水夹带进入隧道系统。当压力和温度条件导致溶解的空气释放时，它也可以形成。
- 减少空气夹带的工程措施包括在所有可预见的流动条件下彻底评估水滴结构，通过减少通道斜坡或其他方法消除水力跳跃，以及在入口处消散流动涡。
（3）空气滞留会导致由于流动截面收缩导致的水头损失增加，并且当被困空气被允许快速排出时，会导致更严重的瞬态压力。通过匹配隧道顶部高度而不是匹配倒置来避免隧道横截面变化时的空气滞留。通常用于地面的通风口用于减轻空气压力。
d.粗糙度。
（1）隧道衬砌相对于其横截面尺寸的粗糙度是其输送水的效率的基础。隧道开挖方法，几何形状和衬砌类型影响流动能力，并在水隧道设计中发挥重要的结构和经济作用。根据所使用的衬管材料，沉积物沉积和冲洗特性，不同类型的水隧道中的允许速度受到潜在的空化坝的限制。
（2）使用曼宁方程或Darcy-Weisbach流动方程时隧道摩擦系数的确定因流动深度的变化，不规则的通道几何形状以及使用多种衬砌类型时出现的大范围粗糙度而变得复杂。曼宁方程和Darcy-Weisbach方程的摩擦系数各自受到速度，流动深度，衬砌材料，隧道尺寸和隧道形状变化的影响，但程度不同。Darcy-Weisbach方法在技术上是两个方程中更严格的方法；然而，曼宁方程在实践中仍然存在，因为它作为典型隧道尺寸的近似及其相对简单的合理精度。
(3)在实际中，流体速度受到限制，因此湍流条件和结构损坏的可能性受到限制。在没有衬砌的隧道中，小于约3m/秒（10英尺/秒）的速度被认为是安全的。速度在3到6m/秒（10-20英尺/秒）之间通常需要混凝土衬砌。对于大于6m/秒（20英尺/秒）的速度，气蚀的风险会增加，并且必须采取特殊预防措施，如钢或其他类型的内衬，以保护结构内部。如果水将携带沉积物（淤泥，沙子，砾石），速度应保持在3m/秒（10英尺/秒）以下。
- Westfall（1989）对岩石隧道摩擦损失的研究推荐了不同开挖方法和衬砌类型的摩擦系数（曼宁粗糙系数n）如下：
|
钻孔和爆破挖掘，无衬砌 |
n= |
0.038 |
|
隧道掘进机挖掘，无衬砌 |
n= |
0.018 |
|
内衬预制混凝土部分 |
n= |
0.016 |
|
内衬现浇混凝土 |
n= |
0.013 |
|
内衬钢板和砂浆涂层 |
n= |
0.014 |
|
内衬钢（直径gt;3m（10英尺）） |
n= |
0.013 |
|
内衬钢（直径lt;3m（10英尺）） |
n= |
0.012 |
（5）可能对摩擦产生不利影响的因素包括无衬砌隧道中的超挖和岩石沉降，预制段和混凝土模板的不对中，沉积物和年龄。Westfall（1989）强调了在最终合同文件中提出几种隧道直径和衬砌替代品的价值。Huval（1969）提出了一种计算无衬砌岩石隧道等效粗糙度的方法，该方法用于Sanchez-Trejo（1985）的一个例子中。图6-1显示了基本功能。
图6-1无衬砌隧道的粗糙系数计算
这种方法使用的方程式。对于不同粗糙度的复合衬砌，可以估计为每个表面的摩擦系数的加权平均值，其中每个表面的湿润周长的长度用于加权。图6-2说明了混凝土铺设倒置的喷射混凝土衬砌隧道中摩擦系数与流动深度的变化
f.用于垂直运输的垂直轴：下水道是用于输水的隧道，以将水流从较高的高度传递到较低的高度。这种下降轴通常用于防洪和CSO系统。应设计落轴以消除与高程下降相关的能量增加；去除任何与水混合或夹带的空气；并在隧道附加费时尽量减少水头损失。
（1）下降轴部件：下降轴有三个基本元件：入口结构，垂直轴杆，以及组合式消能器和空气分离室。入口结构的功能是提供从水平流到垂直下降轴的平滑过渡。然后，下降轴筒将水输送到较低的高度，并且在此过程中消耗尽可能多的能量。在下降轴的底部，必须提供能够承受冲击力，移除任何夹带的空气并将水输送到隧道的结构。
（2）落轴设计的基本考虑：下降轴的设计必须考虑几个因素。这些因素是可变排放，对下降轴地板的影响，夹带空气的去除以及与下降轴相关的水头损失。为特定用途选择合适的下降轴涉及确定哪些因素最重要。当上层水流和隧道之间的高度差很小时，可以通过简单的水池来减轻对下水道地板的冲击。随着高度的差异增加，夹带空气的去除是必要的，并且地板冲击变得更加严重。在隧道水力梯度可以一直上升到上层水流的水力梯度的情况下，水头损失也成为关键因素。
（3）可变放电：只有在风暴放电期间，或者作为两者的组合，落轴可以用于稳态流动。下降轴的流量变化对设计有很大影响。例如，对于稳态流动，隧道中的水面高度可能低于下降轴的底部。在这种情况下，在下降轴地板上需要一个水池来消散能量。仅处理风暴流的轴通常不需要水池，因为隧道中的水面将浸没水滴轴基座并缓冲冲击。
（4）对落轴地板的影响：水对落轴底板的影响可能很大，应采取措施使其最小化。这是通过迫使轴内的液压跳跃，通过增加由于水下降时壁摩擦引起的能量耗散，通过夹带足够的空气来缓冲冲击，或通过在轴的底部设置一个水池来实现的。插入池可以由凹陷的凹坑形成，或者通过使用位于轴的底部和轴筒下游的腔室中的堰形成。可以通过使用Dyas公式确定所需的深水池深度：
图6-2复合衬砌隧道的摩擦系数（符号定义见图6-1）
Depth=0.5k V2d11 (6-1)
where
h=height of drop,ft
dc=critical depth in inlet,ft
bull;空气的存在可以最大限度地减少亚大气压力的可能性，从而抵消空化的有害影响。
bull;由于夹带在水中的空气的缓冲作用，下落的水对下落轴地板的影响减小。
夹带空气的缺点如下：
bull;流量增大，需要更大的下降轴。
bull;为了防止形成破坏性的高压空气积聚，必须在进入隧道之前清除夹带的空气。
（6）与下降轴相关的水头损失：在某些条件下，隧道水力梯度可能上升到与上层流入量相等的水平。在这些情况下，水头损失变得很重要，因为大水头损失可能在
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