水工隧洞斷面設計中襯砌型式選擇研究

張寶晶 柴 偉

（中國水利水電第九工程有限公司，貴州貴陽550081）

0 引言

水工隧洞是以輸水為目的在地下開鑿而成的建筑物。隨著我國國民經濟和科學技術的發展，水工隧洞的建設取得了舉世矚目的巨大成就。 然而，水工隧洞斷面設計中襯砌型式的選擇由于沒有嚴格的系統規范以及施工隊伍施工水平的限制，其型式選擇紛繁多樣，科學適應性差，弊端很多。 因此對水工隧洞斷面設計中襯砌型式選擇的研究顯得至關重要！

1 襯砌的型式

需要襯砌的隧洞，可以沿隧洞長度選擇一種或數種不同型式的襯砌。

襯砌型式大致有以下幾種

1.1 護面襯砌或稱平整襯砌

主要為了減小糙率或防止巖石風化而采用，一般用噴漿、噴混凝土或抹水泥砂漿做成，其厚度不經計算而視開挖的平整程度按構造采用5 一巧厘米。單純為了減小糙率而采用護面襯砌時常與不襯砌方案進行技術經濟比較。 不襯砌的隧洞雖然省去了襯砌作業，但需要開挖斷面較大，所以無論造價和工期可能是有利的也可能并不有利。 無壓隧洞為了減小糙率還可以考慮只在過水斷面的部分采用護面襯砌。還有為了施工方便和適當減小平均糙率而只在洞底做襯砌的。

1.2 混凝土襯砌和磚石襯砌

當圍巖比較完整不需要配鋼筋抗拉時可采用混凝土襯砌。不論無壓隧洞和有壓隧洞，其襯砌厚度均由計算確定。

1.3 鋼筋混凝土襯砌

當隧洞襯砌中的拉應力超過混凝土的允許抗拉強度，應采用鋼筋混凝土來襯砌。 有壓隧洞或無壓隧洞均可采用鋼筋混凝土襯砌，其厚度與混凝土襯砌一樣由計算確定。

1.4 組合式襯砌

通常分為二層：內層或稱內圍主要用來保證襯砌不透水和承擔一部分內水壓力， 外圍承擔巖石壓力并和圍巖一起承擔余下的內水壓力。 外層用混凝土或鋼筋混凝土視強度需要而定，內層用鋼絲網噴漿或鋼板也視強度需要而定。國內已建的水利水電工程中大都采用內層為鋼板外層為混疑土的雙層襯砌，在體形比較復雜(如分岔口部位)和地質條件很差的地段則采用內層為鋼板外層為鋼筋混疑土的襯砌。雙層襯砌的內外層厚度原則上都由計算確定。組合襯砌型式主要應用于高水頭的有壓隧洞。

1.5 裝配式襯砌

用預制的混凝土或鋼筋混凝土塊拼裝成襯砌環后用水泥砂漿灌注縫隙作成，一般用于盾構法開挖的隧洞或整斷面開挖中要求立即支承圍巖的隧洞。裝配式襯砌的優點是：可以在工廠或工場預先澆制，質量較有保證，襯砌為拼裝工作，便于快速施工縮短施工時間。 缺點是：接縫較多，易漏水，從而需要考慮設置止水和防止接縫可能裂開的措施。

1.6 預應力襯砌

是指預先使襯砌產生環向壓應力以抵消大部分或一部分內水壓力產生的拉應力，包括純混凝土的壓漿式預應力襯砌，鋼筋混凝土的拉筋式和鋼箍式預應力襯砌。預應力襯砌主要用于內水壓力較高的隧洞中。

1.7 噴錨襯砌

是向圍巖鉆孔插入錨桿并在表面噴混凝土做成，尤其在圍巖需要及時支護的情況下更能顯示它的優越性。 近代隧洞在施工時，常在開挖面完成以后，立即采用噴錨襯砌。 如巖石較好，可不再作襯砌，即以噴錨結構作為襯砌，如巖石較差，則仍需另作襯砌。

2 襯砌型式的選擇

襯砌的作用包括:承受巖石壓力；承受內水壓力；防止漏水；減小洞壁糙率，防止巖石風化；防止高速水流對巖石沖蝕等。施工和運用期間圍巖穩定、不坍塌，不漏水，并且允許有較大的水頭損失，則隧洞可以不做襯砌。

2.1 襯砌型式選擇中重要的影響因素

在有壓隧洞襯砌形式選擇中，圍巖有無承擔內水壓力的能力是一個考慮的重要因素。

圍巖是否具有承擔內水壓力的能力， 一般以圍巖地應力來判斷，當地應力的最小主應力大于內水壓力時， 圍巖不會產生水力破壞，即圍巖具備承擔此內水壓力的能力。由于目前并非所有工作都進行地應力測試，所以在很多情況下，常用隧洞埋深來代替地應力的判斷。隧洞圍巖要滿足承擔內水壓力能力的最小厚度D 應是：

式中：

rw——水的重度；

rR——圍巖的重度；

H——內水壓力水頭；

a——地面坡度。

實際工程中應用這一準則時還應考慮一定的安全系數。對于隧洞上部圍巖覆蓋厚度，根據設計規范規定D)0.4H(H 為內水壓力，D 為覆蓋巖層厚度)，如下圖1 所示：

圖1

圖2

圍巖覆蓋厚度的確定，還要根據圍巖的構造情況，對Ⅰ、Ⅱ類圍巖，巖石新鮮或微風化巖體，巖層完整性好，覆蓋巖體抗內水壓力的上抬作用，不僅靠巖體的自重，還有巖塊間的抗剪作用，即使上覆圍巖厚度不到0.4 倍的水壓力，也能保持穩定。 而風化破壞較嚴重的Ⅲ、Ⅳ類圍巖。 由于完整性較差，則覆蓋巖層厚度應取大于0.4 倍的內水壓力的數值。

2.2 襯砌型式的選擇

襯砌形式的選擇與圍巖條件緊密相連，當水工隧洞的內水外滲會引起一些嚴重危害(如圍巖失穩、邊坡失穩、周圍建筑物失穩等)時，防滲常常是一個重要因素，另外，隧洞的運行條件、施工方法等也是襯砌形式選擇要考慮的方面。例如，不襯砌及噴錨襯砌的糙率大，運行中產生的水頭損失也大，只適應于流速較小的隧洞。 當隧洞采用雙護盾掘進機施工時，這種施工方法決定了襯砌形式只能采用預制鋼筋混凝土管片的裝配式襯砌。

以圍巖條件、隧洞運行條件、防滲要求來選擇襯砌形式的流程如圖2 所示，有時還需進行經濟比較后再確定襯砌形式。

3 結語

本文系統總結了襯砌的各種型式及其相應的優缺點、 適應范圍，確定了影響襯砌型式選擇的重要因素，得出了以圍巖條件、隧洞運行條件、防滲要求來選擇襯砌形式的流程圖，為之后水工隧洞斷面設計中襯砌型式選擇提供了依據。

［1］水工隧洞設計規范SD134－84[S].北京：水利電力出版社，1985：1－127.

［2］潘家錚.水工隧洞[M].科技衛生出版社，1958.

［3］汪胡禎，顧慰慈.水工隧洞的設計理論和計算[M].水利水電出版社，19：26－355.