實例探析水工隧洞工程的設(shè)計

□李天群（貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院）

興義市境內(nèi)，引馬入興工程是把流經(jīng)興義七舍鎮(zhèn)馬格鬧村江底河上游河段的河水引入興西湖水庫的跨流域引水工程。引馬入興工程主要的建筑物有：攔河壩、沖沙底孔、無壓引水系統(tǒng)。無壓引水系統(tǒng)由6條隧洞及明渠組成，總長度約為4500m，其中無壓引水隧洞總長4300m，隧洞的斷面設(shè)計為城門洞型，工程隧洞設(shè)計內(nèi)空尺寸寬度為2.0m，高度為2.4m(隧洞洞頂圓弧夾角為120°，隧洞襯砌厚度為300mm)。下文主要對該隧洞工程的設(shè)計和施工進行探討。

1.隧洞挖掘前期工作

在進行隧洞挖掘的工作之前，測量人員要按照設(shè)計好的比例在洞臉上做好標識，施工人員沿著標記，按照規(guī)定好的坡比向前挖掘。在挖掘中，要注意保護進出洞臉和兩側(cè)的邊坡，必要時需要開挖工作與支護措施同時進行。

在設(shè)計隧洞挖掘的橫截面大小時，要考慮到方便大型挖掘設(shè)備和機器出入的方面，同時也要涉及到經(jīng)濟因素，通常情況下，如果斷面設(shè)計成圓形，其內(nèi)徑至少要在1.8m以上，如果是非圓形截面，要保證高度＞1.8m，寬度在1.5m以上。在施工過程中，為了保證施工人員和建筑體的安全，最好先將洞外的建筑建設(shè)完畢，同時清理好所有的巖石、砂礫和土塊，再引導隧洞進洞，這樣可以有效提高在洞口施工的安全性。根據(jù)相關(guān)的安全規(guī)定，在洞室內(nèi)的挖掘一定要注意控制深度，其徑直方向上超過的深度不能大于10cm，對超挖的部分必須使用相同標號的混凝土進行回填處理。

2.隧洞的支護和襯砌設(shè)計

一般來說，對隧洞支護形式和結(jié)構(gòu)的選擇需要考慮到多方面的因素，隧洞圍巖的巖性、隧洞的施工空間、支護材料的性能等等都對支護設(shè)計有著直接影響。由于技術(shù)水平的不斷提高，隧洞支護的方法已經(jīng)多達十幾種，常見的有錨噴混凝土、格柵鋼架噴混凝土、混凝土襯砌、鋼筋混凝土襯砌等，根據(jù)圍巖的不同性質(zhì)，需要采用不同的支護方式。引馬入興工程的隧洞主要以軟弱易碎的砂頁巖為主，因此在挖掘前要做好預支護工作，本工程采用超前錨桿、超前小導管、管棚、預襯砌、水平高壓旋噴壓注、圍巖注漿等手段。對于一些巖性較為特殊的隧洞，則需要根據(jù)具體情況采用合理的支護設(shè)計。

在設(shè)計襯砌結(jié)構(gòu)時，要根據(jù)施工地段的具體水文地質(zhì)條件來進行合理的選擇。襯砌的常見形式有襯砌一般為平整襯砌、單層襯砌、錨噴襯砌、混凝土襯砌、鋼筋混凝土襯砌和預應力混凝土襯砌。如果圍巖的巖性干燥，常年處于沒有水源流動的狀態(tài)，則可以不用設(shè)計防水隔離層和二次襯砌，直接采用單層的噴錨支護即可。這時就對混凝土的澆灌工藝提出了更高的要求，要使襯砌的表面保持平整光滑的狀態(tài)，并且襯砌結(jié)構(gòu)要有足夠的抗風化性，防止在混凝土初凝的過程中出現(xiàn)裂縫。如果隧道圍巖的整體穩(wěn)定性較強，且在施工設(shè)計時對支護系統(tǒng)的防水性沒有過多的要求，則可以放棄初期支護和防水隔離層的設(shè)計，直接采用單層的模注混凝土襯砌結(jié)構(gòu)。

當隧洞穿越斷層和軟弱破碎帶時，常常會出現(xiàn)大幅度的高層位移，這時候就需要對襯砌結(jié)構(gòu)進行加厚設(shè)置橫向變形縫的設(shè)計。根據(jù)在實際施工中混凝土澆灌的能力和內(nèi)外溫差的情況，合理確定變形縫的分段長度。

3.隧道圍巖的挖掘和支護設(shè)計

由于在不同的地質(zhì)條件下，隧洞內(nèi)的圍巖性質(zhì)不同，施工的技藝和方式也就不一樣，因此要針對不同類型的圍巖，設(shè)計出合理的挖掘方法和支護形式。

3.1 隧洞V類圍巖：對于這類圍巖的挖掘一般是采用先從上導洞進入，再從圍巖兩側(cè)同時施工的環(huán)形挖掘方式。在隧洞口使用明挖法進行挖掘，支護工作結(jié)束后，采用大斷面開掘的方式進行隧洞的挖掘工作。

3.2 隧洞Ⅲ-Ⅳ類圍巖：這類圍巖的挖掘工作對施工技藝的要求要高，具體表現(xiàn)為進尺短、爆破弱、循環(huán)工序多，因此宜采用分部分層挖掘的方法。其支護方式可以考慮選用掛網(wǎng)錨噴的形式。

3.3 隧洞Ⅱ類圍巖：由于這類圍巖的性質(zhì)較穩(wěn)定，所以可以直接選用全斷面整體挖掘的施工技術(shù)，在施工中，控制鉆孔的深度為3.5m即可。

在對以上三類圍巖進行挖掘時，都要在隧洞內(nèi)部安置開挖炮孔，利用爆破技術(shù)來配合圍巖的挖掘工作，其爆破參數(shù)要根據(jù)現(xiàn)場爆破試驗來確定。隧洞中爆破孔安置方位的設(shè)計如圖1所示：

圖1 爆破孔安置方位的設(shè)計圖

4.隧洞混凝土襯砌的設(shè)計

與城市隧道工程只對排水性能提出要求不同，水利工程隧洞的混凝土結(jié)構(gòu)還要具有高抗?jié)B性，因此混凝土粗骨料一般要求雙級配及以上。在設(shè)計混凝土襯砌時，其單層的襯砌厚度以250～300mm為最佳，若是雙層結(jié)構(gòu)，則厚度至少要達到300mm以上。

鋼筋混凝土襯砌的施工工序從伸縮縫處開始，按照工程的設(shè)計方案，分倉對其澆筑，控制每一層的厚度在50cm以內(nèi)。混凝土從攪拌站運送至施工現(xiàn)場后，直接經(jīng)過導管的運輸，由模板的下料口入倉。下料時，要注意從底拱先進入，然后兩側(cè)配合均勻下料，最后升到至頂拱處。對于混凝土的振搗要密實，嚴防空氣和外摻合劑的進入。在澆筑時，要注意不能中途停止，整個澆筑工作要一次性完成。如果出現(xiàn)了澆筑工序中斷的情況，要及時采取相應的補救措施，對于出現(xiàn)大面積裂縫的混凝土，則要求返工處理。

5.隧洞噴混凝土

在對隧洞噴注混凝土時，要合理選擇噴射機。根據(jù)引馬入興工程隧洞的工程量大小和工藝流程的設(shè)計，施工人員選用了濕式噴射機。這種噴射機在使用時對選用黃砂的細度模數(shù)、含泥比例和含水量的大小要求很高，因此在攪拌混凝土時要注意對黃砂質(zhì)量和摻水量的控制。在噴注前，要將隧洞的內(nèi)的石料、廢材和堆積物清理干凈，對受噴面要進行沖洗處理，對于巖性較弱的巖層，可以使用高壓風來清掃巖面。

對隧洞噴射混凝土時，要先從底拱開始噴射，然后從兩側(cè)勻速進行，最后升高到頂拱處。在噴射期間，對各層之間的結(jié)合部位和支護結(jié)構(gòu)的接縫處要仔細噴注，絕對不能出現(xiàn)漏噴的現(xiàn)象，避免在使用過程中出現(xiàn)質(zhì)量問題。噴射工序結(jié)束2h之后，可以對受噴面進行噴水養(yǎng)護措施，一般養(yǎng)護的時間要持續(xù)一周，對于重點工程項目則要養(yǎng)護至少14d。如果施工氣溫過低，就不能對隧洞采用噴水養(yǎng)護的方法，必要時需采取相應的保溫措施。

6.隧洞灌漿設(shè)計

對混凝土或是鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的頂部，在施工時必須進行回填灌漿的處理。通過這種途徑，可以將混凝土襯砌和拱頂部巖面間的空隙填充密實，防止在隧洞通水之后，拱部出現(xiàn)塌方砸壞拱圈，對正常的供水產(chǎn)生影響。在對襯砌結(jié)構(gòu)的頂部回填灌漿之前，要結(jié)合隧洞的襯砌結(jié)構(gòu)類型和實際運作條件，對回填灌漿的范圍、孔距、排距、灌漿壓力及灌漿濃度等方面進行合理設(shè)計。

如果在建設(shè)隧洞的襯砌結(jié)構(gòu)時，遇到圍巖塌陷、溶洞、較大超挖等不利情況，要在襯砌結(jié)構(gòu)的頂部位置預埋灌漿管及排氣管，同時對隧洞頂部封堵體的也要進行回填灌漿的處理。一旦封堵體及其周邊由于各種原因產(chǎn)生裂縫時，要對封堵體和圍巖間進行接觸灌漿的工序，這樣就能確保襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能，保證隧洞工程的質(zhì)量。

7.結(jié)論

綜上所述，本文結(jié)合具體的工程實例，對水利工程隧洞工程的設(shè)計做了一個簡要介紹，目前水利水電工程逐步進入到深度發(fā)展階段，隧洞工程得到了越來越廣泛的關(guān)注，對于隧洞工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計也在不斷進步之中。目前水工隧洞工程的設(shè)計還有很多技術(shù)難點沒有得到解決，對于不同地質(zhì)條件下施工的技藝也沒有很好的經(jīng)驗總結(jié)。相信隨著水工隧洞工程設(shè)計水平的提高和各項施工技藝的完善，隧洞工程將得到越來越廣泛的應用。

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