压力隧洞是埋藏于岩体的地下结构， 由于岩体和赋存环境的多样性以及衬砌与围岩联合工作机理的复杂性和不确定性， 其设计和结构计算难度远大于地面结构。

压力隧洞是埋藏于岩体的地下结构， 由于岩体和赋存环境的多样性以及衬砌与围岩联合工作机理的复杂性和不确定性， 其设计和结构计算难度远大于地面结构， 加之抽水蓄能电站的大量兴建， 压力隧洞正往“洞线长、洞径大、埋藏深” 的方向发展，更增加了其设计和结构计算的难度。目前， 我国压力隧洞主要按照DL/T 5195—2004 《水工隧洞设计规范》进行设计， 衬砌形式选择和结构设计多依据定性分析和规范中的经验公式， 随意性大， 存在一些问题。如： 采用限制混凝土衬砌开裂宽度的方法设计， 把内水压力作为作用在衬砌内侧的面力处理，对穿越断层带的高压隧洞用有限元法进行计算， 由此得出的配筋量偏大， 从埋设在压力隧洞中的监测仪器实测数据来看， 钢筋和混凝土的应力都远小于计算值。

挪威是最早进行压力隧洞研究的国家， 并总结出了一些便于运用的设计准则。我国研究者根据以挪威为代表的国外压力隧洞设计经验， 归纳总结了如下4 个常用的压力隧洞设计准则。

挪威准则

挪威准则要求不衬砌隧洞最小上覆岩体重力不小于洞内水压力， 同时要有1.3～1.5 的安全系数， 以保证围岩在最大内水压力作用下不发生上抬， 适用于坡脚缓于60°的硬岩地区。

挪威准则属经验准则， 虽经多次修正， 但分析表明， 压力隧洞在满足挪威准则设计后， 并不能保证不发生水力劈裂和渗透失稳。

雪山准则

雪山准则是1969 年澳大利亚雪山工程压力隧洞设计时， 对陡峭地形提出的侧向覆盖准则对于比较陡峭且隧洞高程的水平向存在临空面的地形， 水平侧向覆盖厚度常常起控制作用， 这时需采用雪山准则作为补充判断， 其计算结果与挪威准则相当吻合。雪山准则反应了地形对覆盖厚度的影响， 当有山谷、边坡影响时更合理。但雪山准则与挪威准则一样， 同属经验准则。

最小地应力准则

最小地应力准则认为岩体中存在预应力， 要求压力隧洞沿洞线任一点最小主应力σ3大于该点洞内静水压力， 并有1.2～1.3 的安全系数， 以有效防止水力劈裂。使用该准则应选用结构面的最小地应力作为控制应力， 才能反映结构面对岩体强度的削弱作用。对于压力隧洞， 在运用挪威准则、雪山准则确定覆盖厚度后， 仍需要按最小地应力准则进行复核判断。

最小地应力准则意义明确， 但只满足初始地应力条件， 而没有考虑开挖后形成二次应力场的情况，偏不安全。实际工程中也无法准确确定隧洞沿线的初始地应力分布， 特别是当围岩中存在软弱结构面时， 结构面的开裂强度更是难以确定， 因而很难将这一准则可靠地应用于实际工程中。同时它假设围岩发生张拉破坏， 也与众多工程实践中围岩发生压剪破坏现象不符。

围岩渗透准则

渗透准则要求围岩和结构面满足渗透稳定性。考虑到围岩结构面内普遍夹杂泥或碎屑物等， 在高压渗透水压力作用下容易发生水力击穿现象， 此时结构面并没有抬动张开， 但渗水量却持续或急剧增加， 影响隧洞的安全运行， 因此在最小地应力准则的基础上还需补充渗透准则， 以保证压力隧洞的长期安全性。渗透准则包括两方面内容： 一是根据规范规定， 在设计内水压力作用下围岩的透水率或灌浆后的围岩透水率q≤1 Lu； 二是根据以往工程经验， Ⅱ～Ⅲ类硬质围岩长期稳定的渗透坡降不大于10～15。法国还根据压水试验透水率q 建立了衬砌形式选择准则： 当q2 Lu 时， 必须用钢衬；当q=0.5～2 Lu 时， 可采用钢筋混凝土衬砌和高压固结灌浆处理， 若经过高压灌浆处理后渗流量仍不减小， 则用钢衬。围岩渗透准则同样属于经验准则，没有严格的理论依据， 采用多大的容许渗透率作为判断标准还存在争议， 文献认为使用该准则时以天然而不是灌浆后的岩体透水率进行判断为宜。

必须指出的是前三种设计准则都是根据不衬砌压力隧洞提出的， 最后一种则是对最小地应力准则的补充完善， 在进行压力隧洞设计时， 必须统一考虑这四种准则。用挪威准则或雪山准则确定洞线，再用最小地应力准则和渗透准则进行复核及衬砌形式选择。

早期的压力隧洞建设完全依据经验， 19 世纪初才形成自己的计算理论， 早期主要是仿照地面结构的计算方法进行压力隧洞的结构计算， 直到20 世纪中叶， 电子计算技术的出现才使计算理论得到快速发展。其发展过程大致可分为刚性结构阶段、弹性结构阶段、假定抗力阶段、弹性地基梁阶段、连续介质阶段、数值方法阶段。

刚性结构法主要适用于分析砌石构造的地下结构； 弹性结构法则无法考虑地层对衬砌的抗力； 假定抗力法、弹性地基梁法（结构力学法） 与连续介质法（弹性力学法） 虽理论简单、易于掌握， 但适用范围较窄， 计算结果与实际压力隧洞监测结果也有较大差别。上述方法已很难解决目前洞线长、洞径大、埋藏深的压力隧洞计算问题。《水工隧洞设计规范》规定， 对于大型或者1 级隧洞建议采用有限元法计算。

有限元法是传承弹性力学的原理借助电子计算机计算结构的应力， 有限元法能解决结构力学法和弹性力学法不能解决的问题， 如计算压力隧洞围岩的应力场、渗流-应力-损伤等多场耦合分析等， 但由于受到压力隧洞围岩介质和赋存环境多样性的影响而使其应用受到限制， 只能在各种假定的前提下根据不同的本构关系和强度准则进行简化计算。常见的简化模型的有限元法有等效多孔介质模型的有限元法、离散裂隙网络模型的有限元法、断裂力学模型和损伤力学模型的有限元法。断裂力学模型和损伤力学模型的有限元法这两种模型都是从考虑岩体在耦合作用下发生损伤破裂行为方面切入， 着重于岩体结构内部发生质的改变带来的更加复杂的耦合效应， 称之为渗流-损伤-断裂耦合模型。损伤对渗流的影响最初是通过三轴压缩和剪切试验研究岩石峰值前后的渗透率变化规律得到的。

虽然有限元法发展很快并在压力隧洞结构计算分析中得到广泛应用， 但仍存在不少问题。需要在以下几方面加强研究： ①加强对岩体本构关系和强度准则的试验研究， 以找到更符合实际岩体的计算模型。②在计算模型中尝试在围岩的不同受力区采用不同的屈服准则， 并与单种屈服准则进行对比分析。③在模型计算参数的确定上， 可考虑进行参数的敏感性分析， 将重点放在对计算结果影响较大的参数确定上。④将压力隧洞分为施工期、运行期、检修期三个工况进行模拟， 选取控制工况。⑤进一步研究渗流-应力-损伤（断裂） 耦合机理，改进其耦合算法。

充水前， 衬砌与围岩的连接状态受到多种因素的影响， 如衬砌类型、围岩质量、施工措施及施工质量等， 衬砌与围岩之间存在初始裂缝或是两者之间有一定的粘结力， 这两种情况下衬砌和围岩的联合作用机理是不同的。

衬砌和围岩属两种不同的材料， 围岩开挖后的应力一部分释放到衬砌上， 加上施工中一般会在衬砌和围岩间采用灌浆措施， 因此衬砌和围岩之间有一定的粘结力， 此粘结力要求衬砌与围岩的接触面在较低水头作用时满足位移连续条件； 但这种粘结力比较小， 在衬砌开裂后， 水压力主要作用在围岩上， 使围岩的径向变形大于衬砌的径向变形， 不一致的变形使接触面上产生拉应力， 当拉应力大于粘结力时， 围岩便与衬砌分开， 两者不再联合承载， 衬砌和围岩单独承受自身范围内的水压力， 在边界上不再满足位移连续条件， 而满足水力连续条件。

由于混凝土和灌浆浆液干缩， 大多数隧洞在充水运行前衬砌和围岩之间存在初始缝隙， 初始裂缝包括两部分： 即混凝土和灌浆浆液干缩及施工不良引起的施工缝隙以及运行期围岩的冷缩缝隙， 初始缝隙对衬砌与围岩在内水压力作用下的联合作用影响很大： 在初始裂缝闭合之前， 内水压力由衬砌单独承载， 裂缝闭合后， 衬砌和围岩联合承受内水压力。初始缝隙的大小是影响衬砌和围岩承载能力的关键： 初始缝隙大， 衬砌容易开裂， 衬砌受力反而变小， 内水压力主要由围岩承担， 使之受力变形相对大； 初始缝隙小， 衬砌与围岩联合作用效果相对较好， 衬砌不易开裂或裂缝微小， 内水压力虽然仍主要由围岩承担， 但衬砌受力相对较大。因此在计算分析中不能忽略缝隙的影响， 准确模拟两者之间的缝隙能提高计算的精度。研究者采用节理单元模拟围岩和衬砌结合处单元， 即在衬砌顶拱外侧沿环向划分一层较薄的单元， 在裂缝闭合之前， 认为单元是空气， 在闭合后， 空气由实体代替并修改总刚度， 这种处理能较好地模拟衬砌与围岩有条件的联合承载。总之， 如何准确模拟衬砌和围岩的联合承载还有待进一步的研究。

①根据已建成压力隧洞的监测数据检验经验性的设计准则， 并对其进行修正； ②进一步加强对岩体本构关系和强度准则的研究以及计算参数的确定和计算模型的优化； ③加强水力学、断裂力学、损伤力学与岩石力学的结合， 进一步研究压力隧洞渗流-应力-损伤（断裂） 耦合机理； ④加强现场试验和监测， 如高压水力劈裂试验， GPS 监测变形，CT 扫描裂隙分布， 评估施工对围岩稳定造成的影响等； ⑤对衬砌和围岩有条件联合承载的准确模拟。