淺談水工隧洞設(shè)計(jì)的常見(jiàn)問(wèn)題

夏軍

摘要：隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水利水電、穿山鐵路公路等建設(shè)取得了快速發(fā)展，因此隧洞的需求量及規(guī)模日益增大。因傳統(tǒng)的水工隧洞設(shè)計(jì)對(duì)隧洞周圍環(huán)境破壞較嚴(yán)重，所以為滿足建設(shè)的實(shí)際需要，水工隧洞設(shè)計(jì)模式以及設(shè)計(jì)技術(shù)方案成為投資者、建設(shè)者關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題。文章探討了水工隧道設(shè)計(jì)的常見(jiàn)問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：水工隧洞；工程設(shè)計(jì)；常見(jiàn)問(wèn)題；水利工程；灌漿設(shè)計(jì) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TV221 文章編號(hào)：1009-2374（2016）36-0135-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.36.067

近年來(lái)，我國(guó)水利工程建設(shè)越來(lái)越多，這對(duì)于我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有極其重要的推動(dòng)作用。目前我國(guó)很多水利工程都處于山區(qū)丘陵地區(qū)，因此其灌溉渠道工程一般都需要穿山越嶺，這樣就會(huì)凸顯出水工隧道的重要作用。只有確保水工隧道設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性、科學(xué)合理性，才可以真正發(fā)揮其作用，確保水利工程建設(shè)的順利開(kāi)展。在各類水利水電工程建設(shè)的過(guò)程中，在水工建筑物體型與布置的要求下，需要挖掘不同類型的地下洞室，加之地下工程所在之地的地質(zhì)條件有較大差別，所以在隧洞設(shè)計(jì)、施工過(guò)程中需考慮選取不同的支護(hù)方法。因地下工程較復(fù)雜，準(zhǔn)確的計(jì)算參數(shù)將會(huì)難以獲取。在實(shí)際的施工過(guò)程中，施工隊(duì)的施工經(jīng)驗(yàn)與水平不同，也是造成隧洞設(shè)計(jì)計(jì)算與施工控制脫節(jié)的重要原因。此外，地下水是地下洞室設(shè)計(jì)、施工中不可避免的重要因素，對(duì)洞內(nèi)施工環(huán)境、支護(hù)結(jié)構(gòu)荷載確定以及施工方案的選取造成嚴(yán)重影響。在設(shè)計(jì)、施工時(shí)，需要根據(jù)工程自身的具體要求對(duì)地下水進(jìn)行處理。根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果，討論、總結(jié)施工經(jīng)驗(yàn)、教訓(xùn)，對(duì)隧洞設(shè)計(jì)提出可靠、有效的支護(hù)與防滲排水方案，以保障工程的順利開(kāi)展。

1 合理選擇水工隧洞線路

1.1 地質(zhì)條件

選擇隧洞路線的過(guò)程中，應(yīng)該盡可能選擇巖體比較堅(jiān)硬、完整，而且地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單的地區(qū)，盡量不要選擇不利地質(zhì)構(gòu)造地區(qū)，應(yīng)該盡可能避開(kāi)嚴(yán)重滲水地段、地下水位比較高的地段，從而減輕隧洞襯砌上受到的外力壓力。洞線應(yīng)該和主要軟弱帶走向、構(gòu)造斷裂面以及巖層等存在較大的一個(gè)交角。如果地區(qū)是高地應(yīng)力，應(yīng)該保證洞線和最大的水平地應(yīng)力方向盡可能保持同步，從而減輕側(cè)向圍巖對(duì)隧洞造成的壓力。隧洞的覆蓋厚度應(yīng)該達(dá)到相應(yīng)的要求，如果是有壓隧洞，將彈性抗力考慮在內(nèi)的話應(yīng)該將圍巖的覆蓋厚度最低控制在3倍的洞徑以上。

1.2 地形以及水流條件

洞線應(yīng)該盡可能短直，地質(zhì)、地形等需要進(jìn)行轉(zhuǎn)彎的過(guò)程中，如果是低流速隧洞彎道曲率半徑、兩端彎道直線段長(zhǎng)度都比5倍洞寬或者洞徑更長(zhǎng)，而且轉(zhuǎn)彎轉(zhuǎn)角低于60°的情況下，高流速的隧洞進(jìn)行彎道設(shè)計(jì)的過(guò)程中一定要進(jìn)行試驗(yàn)。選擇水工隧洞線路的過(guò)程中還應(yīng)該考慮到水流條件，要求隧洞進(jìn)口的應(yīng)力和水流應(yīng)該保持暢通，下游河道和出口水流應(yīng)該平順銜接，為了避免發(fā)生沖刷現(xiàn)象，土石壩下游壩腳和周圍的建筑物應(yīng)該適當(dāng)保持一定的距離。

1.3 施工條件

選擇水工隧洞線路的過(guò)程中，應(yīng)該將施工場(chǎng)地布置問(wèn)題以及施工出渣通道等問(wèn)題充分考慮進(jìn)來(lái)。設(shè)置曲線的過(guò)程中應(yīng)該結(jié)合施工要求中提出的轉(zhuǎn)彎半徑設(shè)計(jì)彎曲半徑。如果是長(zhǎng)洞，應(yīng)該綜合考慮地質(zhì)條件、地形條件等多方面合理布置豎井、斜洞以及施工支洞等，從而便于可以更好地進(jìn)行通風(fēng)、出渣、進(jìn)料等工作，有效優(yōu)化施工條件，進(jìn)一步推進(jìn)施工進(jìn)度。選擇水工隧洞路線的時(shí)候還應(yīng)該注意整體運(yùn)行以及布置等各方面要求，防止會(huì)干擾其他建筑物。

2 水工隧洞構(gòu)造設(shè)計(jì)分析

2.1 水工設(shè)計(jì)以及排水設(shè)計(jì)

如果無(wú)壓洞襯砌對(duì)于防滲沒(méi)有要求的話，進(jìn)行環(huán)向施工縫設(shè)計(jì)的過(guò)程中可以不用設(shè)置止水。如果明確提出了防滲要求或者是有壓隧洞的話應(yīng)該設(shè)計(jì)止水帶或者止水銅片。進(jìn)行排水設(shè)計(jì)的過(guò)程中，出口邊坡、泄洪洞進(jìn)等處應(yīng)該合理設(shè)置地表排水溝以及排水渠，從而將岸坡滲水以及地面水更好地排除。無(wú)壓洞的水面線以上應(yīng)該合理設(shè)置排水孔，從而將山體水更好地排除干凈，將外水壓力盡可能減小。在出口的消能反弧段可以設(shè)置合理的排水設(shè)施，這樣可以將泄流后的反弧段積水更好地排除干凈，從而便于更好地檢查交通情況，進(jìn)行交通

維修。

2.2 結(jié)構(gòu)分縫以及分塊設(shè)計(jì)分析

泄洪隧洞洞身和出口消能工段和進(jìn)口段之間應(yīng)該合理設(shè)置伸縮縫。如果洞身段存在軟弱破碎帶或者通過(guò)較大斷層等存在明顯改變的地質(zhì)條件地段的情況下也應(yīng)該設(shè)置合理的伸縮縫。如果圍巖地質(zhì)條件比較均勻的話可以只用設(shè)置施工縫。如果無(wú)壓洞襯砌沒(méi)有提出明確的防滲要求的情況下，環(huán)向施工縫鋼筋可以不必穿過(guò)縫面，而且混凝土也不用進(jìn)行鑿毛處理。如果無(wú)壓隧洞具有防滲要求或者是有壓洞襯砌進(jìn)行環(huán)向施工的工程中，縫面一定要采取鑿毛處理，而且鋼筋需要穿過(guò)縫面，兩塊相鄰的混凝土進(jìn)行澆筑期間應(yīng)該保持2周以上的間歇期。頂拱進(jìn)行澆筑的過(guò)程中，需要注意反縫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而確保頂拱混凝土和邊墻混凝土可以密切結(jié)合。

3 對(duì)外水壓力的分析處理方法

中國(guó)目前對(duì)外水壓力的分析處理，主要有兩種方法：一種是把外水壓力作為面力；另一種是把外水壓力當(dāng)作體積力。前一種是中國(guó)《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL/T 5195-2004）推薦的方法，也是設(shè)計(jì)人員常采用的，其概念簡(jiǎn)單，易于用結(jié)構(gòu)力學(xué)法進(jìn)行分析計(jì)算；后一種采用滲流場(chǎng)理論，較為符合外水壓力作用的實(shí)際情況，但隧洞周圍的巖石節(jié)理及裂隙情況千差萬(wàn)別，難以較為準(zhǔn)確地模擬，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際受力情況可能有較大的差別。通常在設(shè)計(jì)工作中把外水壓力當(dāng)作面力來(lái)處理，一般情況下，地下水位線可根據(jù)水文地質(zhì)條件分析確定，但外水壓力的取值差別較大，關(guān)于外水壓力的取值主要有以下兩種方法：

第一，《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL 5077-1997）第7.4.4條：當(dāng)無(wú)壓隧洞和地下洞室設(shè)置排水設(shè)施時(shí)，可根據(jù)排水效果和排水設(shè)施的可靠性對(duì)外水壓力標(biāo)準(zhǔn)值的作用水頭做適當(dāng)折減，其折減值可采用工程類比法或滲流分析確定。

第二，水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范中第11.2.5條：地下水壓力標(biāo)準(zhǔn)值，可采用地下水位線以下的水柱高乘以相應(yīng)折減系數(shù)估算。以上方法主要涉及折減系數(shù)和設(shè)排水后的折減，由于其可操作難度大，處理具體情況仍難以取舍：折減系數(shù)取值過(guò)大，不僅顯得保守和不經(jīng)濟(jì)，而且有時(shí)甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖；折減系數(shù)取值過(guò)小，結(jié)構(gòu)的安全又難以保證。設(shè)排水后的折減也有同樣的問(wèn)題，而且還要考慮排水失效的可能性，故外水壓力的取值需要仔細(xì)斟酌。

4 水工隧洞的灌漿設(shè)計(jì)分析

4.1 固結(jié)灌漿設(shè)計(jì)分析

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則以及圍巖處理的相關(guān)要求明確固結(jié)灌漿洞段，并且合理確定相關(guān)參數(shù)，如果洞段的圍巖地質(zhì)條件相對(duì)較差或者具有某些特殊要求的情況下必須采取固結(jié)灌漿技術(shù)。洞身段實(shí)施固結(jié)灌漿的過(guò)程中，每排應(yīng)該至少布置6個(gè)孔，而且孔應(yīng)該對(duì)稱分布，設(shè)置排距大概維持在2～3m之間，壓力維持在0.5～1.0MPa之間。在進(jìn)口、出口部位的1倍洞寬或者洞徑范圍內(nèi)一定要采取固結(jié)灌漿處理，壓力設(shè)置為0.5～0.8MPa，排距設(shè)置在2～3m之間。對(duì)于灌漿所需材料最好是推薦選擇普通的硅酸鹽水泥，按照2∶1～0.5∶1的水灰比進(jìn)行配比。另外，一定要注意嚴(yán)格檢查灌漿質(zhì)量，可以聯(lián)合采用壓力以及聲波檢測(cè)這兩種方式。

4.2 灌漿孔深和間距選擇

根據(jù)理論分析和數(shù)值計(jì)算可知，一般Ⅱ、Ⅲ類圍巖條件下的水工隧洞主要內(nèi)壓承載區(qū)約為隧洞開(kāi)挖半徑的1.0～1.5倍，這也是經(jīng)濟(jì)合理的隧洞圍巖灌漿深度，應(yīng)對(duì)該區(qū)域重點(diǎn)灌漿，以提高其力學(xué)和防滲性能并形成可靠的預(yù)壓應(yīng)力圈。因此，隧洞固結(jié)灌漿一般深入圍巖1.0～1.5倍隧洞半徑。隧洞固結(jié)灌漿間排距一般為2～4m，高壓隧洞一般為2～3m。由于水工隧洞承載內(nèi)水壓力，其圍巖有效承載厚度約為隧洞開(kāi)挖半徑的1.0～1.5倍，因此在相同的工程造價(jià)條件下，固結(jié)灌漿鉆孔短而密布置的性價(jià)比優(yōu)于長(zhǎng)而稀布置。

4.3 回填灌漿設(shè)計(jì)分析

完成隧洞襯砌后進(jìn)行回填灌漿的時(shí)候，應(yīng)該選擇在頂拱90°～120°的范圍內(nèi)實(shí)施，通常設(shè)置灌漿壓力維持在0.2～0.5MPa，而孔以及排距為4～6m，采用0.6～0.5水灰比或者采用水泥砂漿進(jìn)行漿液回填，而粉煤灰的摻雜量大概是水泥總重的50%～100%。有壓隧洞進(jìn)行回填灌漿的過(guò)程中，要求粉煤灰的品質(zhì)需要符合一級(jí)、二級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 水工隧洞布置設(shè)計(jì)分析

隧洞的首部就是進(jìn)水口，它的體形應(yīng)該適應(yīng)孔口水流的流態(tài)，防止可能會(huì)出現(xiàn)不利的負(fù)壓或者出現(xiàn)空蝕破壞，而且應(yīng)該最大限度地降低局部水頭的損失，從而有效提高泄流能力。隧洞進(jìn)口一般都是喇叭口狀。深式無(wú)壓隧洞進(jìn)水口只是一個(gè)短管型的壓力段，主要作用是增加壓力段的壓力，從而有效壓力分布情況，一般都是在進(jìn)口段的頂部設(shè)計(jì)一個(gè)傾斜壓坡。通常情況下，應(yīng)該在靜水中打開(kāi)檢修門(mén)，盡可能減小啟門(mén)力，因此非常有必要設(shè)置一段平壓管。結(jié)束檢修工作后，將檢修門(mén)開(kāi)啟之前應(yīng)該先把平壓管閥門(mén)打開(kāi)，然后在兩道門(mén)中間放置適量水平衡兩側(cè)檢修門(mén)的水壓。

綜上所述，水工隧洞整體性能及其質(zhì)量對(duì)于水利工程的實(shí)際運(yùn)行具有直接的關(guān)系，進(jìn)行水工隧洞設(shè)計(jì)的過(guò)程中，設(shè)計(jì)師一定要特別注意水工隧洞線路選擇以及彈性抗力等常見(jiàn)質(zhì)量問(wèn)題，確保水工隧洞設(shè)計(jì)的科學(xué)合理性，確保水利工程的順利開(kāi)展。

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（責(zé)任編輯：小 燕）