承受高內、外水壓力的隧洞結構設計建議

趙 妍，劉致彬，孫粵琳，王榮魯，柴冬梅

(1.中國水利水電科學研究院，北京100038；2.河北供水有限責任公司，河北石家莊050050)

1 研究背景

國內外多采用有粘結或無粘結預應力鋼筋混凝土襯砌隧洞[1]，如清江隔河巖及天生橋一級水電站的發電隧洞均為有粘結鋼束，黃河小浪底水利樞紐，3條排沙洞隧洞襯砌則采用無粘結鋼束。由于后張法預應力混凝土均需耗費大量預應力高強、低松弛鋼材和錨具以及相當多的普通鋼筋，施工麻煩。同時，因沿程預應力損失，致使環向預壓應力分布不均勻，受力狀態欠佳。因此，選用外加預應力法，是一種經濟、合理的選擇。

對于高外水壓力的處理方法一般是：①采用排水方式，由排水洞與排水孔組成的排水系統將地下水排出從而降低外水壓力，天生橋二級水電站隧洞采用的就是此法[2]；②采用“以堵為主，堵排結合”的方式。文獻[3，4]認為首先采取固結灌漿處理措施，形成良好的抗滲灌漿圈，可將高地下水壓力控制在灌漿圈的外部。寧夏固原地區7號大灣隧洞[5]，選擇固結灌漿層厚度2.5 m，排水孔深入圍巖2 m。對于壓力隧洞的排水系統設計[6]，則多是利用已有探洞、施工支洞或根據圍巖地質構造等因素專門設計用于排水目的的排水洞，然后在洞內布置水平斜向和垂直斜向排水孔。

以上解決高外水壓力的方法都存在一定缺點：如對壓力隧洞排水系統的設計，主要是設置排水洞，洞內布置排水孔，但設置排水洞會增加工程量和造價。也有研究將排水管出口布置在洞內，在出水口設壓力閥[7]，但是此方法存在技術缺點，例如彈簧的銹蝕，連接套管的淤堵，因此尚未推廣應用。

對于封堵的設計，主要是采用固結灌漿。灌漿時間有兩種：一是襯砌完成后進行，質量有保證，但對排水孔可能造成堵塞；二是超前預灌漿，即在洞開挖之前預灌漿，灌漿質量有提高，但施工麻煩，難以推廣，而且固結灌漿并不能完全截斷滲流。因此，對于隧洞承受的高外水壓力，建議采用先“堵”后“排”的工程措施，首先采用固結灌漿封堵，然后將滲透過灌漿層的水用抽排水系統排走。

2 高內水壓力問題的對策[8]

(1)新型預應力混凝土襯砌隧洞結構。考慮到圍巖的存在，選用外加預應力法，在圍巖和襯砌混凝土之間安裝一種圓環形扁千斤頂設備——用薄鋼板制成的中空圓環形壓力囊，根據工程需要人為地給隧洞襯砌混凝土施加某一數量和分布的反向荷載，即外加均布荷載，用以部分或全部抵消隧洞內水壓力所產生的拉應力。

(2)外加預應力法的理論根據。根據彈性力學，內半徑為a，外半徑為b的厚壁圓筒承受內、外均布荷載時圓筒內、外緣的環向應力σθ1，σθ2如下：

內水壓力P作用時

(1)

外水壓力P作用時

(2)

由此可見，在內水壓力作用下，環向應力始終為拉應力，而且最大值在內表面；在外水壓力作用下，環向應力則恒為壓應力，而且最大值亦在內表面。如果厚壁圓筒同時承受相同的內外均布荷載時，可以看到此種情況下環向應力仍為壓應力。

(3)圓環形扁千斤頂外加預應力。有關圓環形扁千斤頂的設計、加工制作、安裝及施加預應力等，見參考文獻[8]，本文不再贅述。

(4)室內模擬試驗結果。模型外徑2.4 m，內徑2.0 m，長度取0.8 m，襯砌厚度0.2 m，采用C40混凝土。以鋼板模擬圍巖的存在。外加預應力范圍有兩種，即中間部分0.4 m及全長0.8 m范圍內施加均布荷載。試驗結果表明，襯砌混凝土層內的預壓應力σθ與灌漿壓力呈成正比例。當灌漿壓力1.8 MPa時，襯砌混凝土層內的預壓應力σθ為13 MPa左右。當灌漿閥門關閉后，由于水泥漿尚未初凝，壓力表仍指示內壓力大小。關閉壓力表閥門后，讀出環向位移讀數，若以此時為基準，繼續觀測隨時間延長環形預壓應力值的變化，10 d以后預壓應力損失在預期的5%左右。試驗說明外加預應力法是可行的，其關鍵設備——圓環形扁千斤頂的設計、加工制作、運輸、安裝、檢驗以及施加預應力等均達到實際應用的程度，有待現場適應性試驗檢驗永存預壓應力的可靠程度。

新型預應力混凝土襯砌壓力隧洞技術的優點是：①考慮到圍巖的存在，選用外加預應力法，采用圓環形扁千斤頂施加預應力完全省去了預應力鋼材和錨具；②考慮到混凝土抗壓強度高的特點，可以適當提高預應力度，不需增加任何額外支出，即可獲得需要的環向預壓應力，因而可省去大量普通鋼筋；③采用外加預應力法不存在沿程摩擦預應力損失，預壓應力沿圓周分布均勻，且不存在張拉槽附近預壓應力為零或出現拉應力的情況；④在施加預應力的同時，其反作用力對圍巖也施加了很大的徑向均布壓力，對圍巖起到了“主動”加固作用。該技術已經獲得了國家發明專利。

3 高外水壓力問題的對策

3.1 固結灌漿封堵及排水系統設計

消除外水壓力的有效方法是采用先“堵”后“排”的工程措施，所謂“堵”就是對襯砌外圍巖進行固結灌漿，深入圍巖一定深度鉆孔，在壓力下進行水泥灌漿，灰漿充填節理、裂隙滲漏通道，使圍巖的整體性得到提高，同時提高其抗滲性和堅固性，以達到形成堅固的承載圈和密實的防滲圈的目的。所謂“排”就是在襯砌層外設置排水孔，深入到圍巖一定深度，但不穿過固結灌漿層，將襯砌外的滲水排出洞外，以達到進一步降低襯砌外水壓力的目的。在固結灌漿層和排水系統的共同作用下，使襯砌外水壓力降至允許值以內。固結灌漿封堵及排水系統如圖1所示。值得一提的是，固結灌漿并不能完全阻斷滲流，總會有部分滲流水逐漸滲透并聚集在固結灌漿區域和隧洞襯砌之間。為了排走滲透過來的水，進一步降低滲透壓力，需在此區間設置有效的排水系統，包括排水孔、環向排水溝、縱向排水槽等。顯然，二者不僅有先后順序，且其功能亦不可代替。

圖1 隧洞剖面示意

3.2 固結灌漿封堵

隧洞開挖完成后，立刻進行固結灌漿。其目的是加固圍巖，降低襯砌的外水壓力，減小滲漏流量；防止圍巖裂隙中的充填物被帶走或溶濾。灌漿材料最常用的是水泥漿。當圍巖裂隙細密，水泥漿灌注困難時，亦可采用化學灌漿材料。

固結灌漿孔的布置常采用梅花形錯開排列。孔距與排距應根據地質條件并參考灌漿試驗結果而定。孔深約為1倍隧洞半徑。鉆孔方向應盡可能沿徑向，以利于灌漿質量。此外，為了提高灌漿效果，還采用了氣壓止漿塞，分為深層灌漿及淺層灌漿兩個程序，如圖2所示。首先，進行深層灌漿，灌漿壓力為2倍左右內水壓力；然后，打開氣壓止漿塞的閥門，放掉空氣，并向外拉出灌漿管，使氣壓止漿塞距孔口約1/3孔深的位置時，充氣止漿后進行淺層灌漿，灌漿壓力稍低。

圖2 固結灌漿區域

3.3 抽排水系統的組成

抽排水系統由以下幾個組成部分：

(1)排水孔。應根據隧洞開挖后的地質情況和滲水情況布置排水孔。原則上，緩傾角節理裂隙比較發育的部位多打排水孔，陡傾角或比較完整巖塊地段可少打排水孔。可稀可密，不要求均勻布置。孔位位于環向排水溝內，即位于兩道圓環形扁千斤頂之間的圍巖內，呈向外輻射狀，如圖1所示。孔向應盡量垂直巖層面及主要節理、裂隙面，以便多穿過幾層透水巖層。根據工程經驗，一般孔深取2～3 m，直至淺層灌漿邊界附近。保證排水系統的長期有效運行，排水孔結構能否有效排水是關鍵之一。實踐工程表明，一是堵塞，二是破碎小石塊掉入孔內，長期會引起隧洞圍巖變形。故建議在孔內插入過濾排水花管。其作用是濾土排水，即允許直徑d<0.1 mm的細小土粒隨滲流帶走。具有不淤積堵塞及圍巖不產生滲透變形的特性。

(2)環向排水溝。位于兩道圓環形扁千斤頂之間的空間內，由圍巖開挖面及薄鋼板構成，其斷面為矩形或城門洞形(見圖3)。過水面積可調節。當然，圍巖開挖面必須用無紡織物、網格材料遮擋，起到濾土排水作用。由于滲流減壓作用，作用在襯砌上的外水壓力是不均勻。因此，環向排水溝的間距為一道或二、三道圓環形扁千斤頂的寬度。在環形排水溝內則設有若干個排水孔，視地質情況和滲漏情況，非均勻布置。

圖3 環向排水溝的斷面形狀

(3)縱向排水槽。通常設在隧洞底部，在圍巖中開挖而成，其斷面為長方形，由鋼筋混凝土建成。與上述各環形排水溝相連通，如圖4所示，形成縱、橫排水環帶。

圖4 縱向排水槽與環向排水溝交叉連接

(4)集水井和排水泵。在支洞內或下游最低處布置集水井，集水井與縱向排水槽相連通。隧洞周圍的排水孔將地下水匯集流到各環向排水溝內，然后再匯集流到縱向排水槽中最后匯流到集水井內，由排水泵將水排往下游或由排水支洞排走。

上述抽排水系統不僅具有運行期間的排水功能，而且在施工期間亦可以將地下水排干，以保證襯砌混凝土施工不受地下水的危害。

4 承受高內、外水壓力的隧洞結構設計與施工要點

如上所述，壓力隧洞的主要荷載之一是高內水壓力，由它所產生的襯砌混凝土內的巨大拉應力主要靠外加預應力法所產生的襯砌混凝土內的預壓應力來抵消。至于高外水壓力控制襯砌混凝土設計的壓力隧洞，宜采用先“堵”后“排”的措施，首先進行固結灌漿封堵，然后是設置有效的抽排水系統措施。其中，圓環形扁千斤頂彼此間距△l(見圖1)，除考慮外加荷載的均勻性外，還要考慮安裝施工方便以及環向排水溝的要求。

隧洞的襯砌混凝土厚度，一般可根據強度、抗滲和構造要求，并結合圓環形扁千斤頂施加外預應力的施工方法，經過綜合分析計算確定。若襯砌開裂后，造成內水外滲，會危及圍巖穩定或鄰近建筑物安全時，應按抗裂設計，適當提高預應力度。襯砌不開裂，自然也不會出現內水外滲現象。由于采用外加預應力法，不需要任何額外支出，只需升高注漿壓力，即可獲得設計所需要的預壓應力值。設計者可以根據對結構功能的要求和所處的環境條件，合理地選擇預應力度，以求得最優結構設計方案。

承受高內、外水壓力的壓力隧洞結構的施工工藝流程大致如下：①隧洞斷面開挖完成后，首先進行固結灌漿處理；然后是放樣，將圓環形扁千斤頂的安裝位置以及排水孔的位置等予以確定。②在兩道扁千斤頂的間隔內打排水孔并安裝過濾排水花管，完成后孔口用木塞堵住，以防雜物掉入孔內。③在隧洞底部開挖縱向排水槽并以鋼筋混凝土襯砌，除與環向排水溝交叉部位外，其余部位均用薄鋼板封住頂口，以防混凝土等落入槽內。④安裝圓環形扁千斤頂，用水泥砂漿封堵兩側縫隙；并埋入注漿管和排氣管，以便進行扁千斤頂背后的回填灌漿。⑤拔掉排水孔上的木塞后，再安裝圓環形排水溝上部的鋼板構件，用細鉛絲將構件固定在地腳螺絲上。該構件與兩側圓環形扁千斤頂接觸部位的縫隙用水泥砂漿抹平，形成光滑曲面。⑥澆筑隧洞襯砌混凝土，重視質量，特別是頂部混凝土要密實。待襯砌混凝土達到設計強度后，即可施加外預應力，文獻[8]已有說明，不贅述。

5 結 語

綜上所述，承受高內水壓力的隧洞多采用后張有粘結或無粘結預應力混凝土襯砌。無論哪種形式均需耗費大量預應力高強、低松弛鋼材和錨具以及相當多的普通鋼筋，施工麻煩。同時，因沿程預應力損失，致使環向預壓應力分布不均勻，受力狀態欠佳。因此，建議選用外加預應力法，采用圓環形扁千斤頂施加預應力，不僅省去大量高強鋼材，而且應力分布均勻，考慮到混凝土抗壓強度高的特點，適當提高預應力度，還可節省普通鋼筋，經濟、合理。至于高外水壓力，建議采用先“堵”后“排”的防治原則，以改善襯砌結構和圍巖的工作條件。首先以固結灌漿封堵，然后再設置縱、橫向排水系統及排水孔系統，以降低或消除襯砌承受的高外水壓力及滲漏流量。該措施可以有效地減小外水壓力，具有推廣應用價值。