水工隧洞線路布置的技術要點探析

董延城

(福建省福鼎市水利技術隊，福建 福鼎 355203)

0 前 言

根據現有經驗可知，水工隧洞在供水、發電以及引水工程中具有廣泛的應用前景，而線路布置是水工隧洞設計當中的重要環節，對工程施工、造價以及水力計算等產生直接影響。所以在水工隧洞線路布置的設計中，相關人員需要對諸多影響因素進行判斷，合理選擇線路布置工藝，這樣才能全面提高水工隧洞的質量，值得關注。

1 水工隧洞的總體布局與線路選擇

1.1 水工隧洞的總體布局

水工隧洞的總體布局必須要考慮其他外部因素對線路的影響，所以在設計過程中，設計人員應該重點關注以下問題：

1)根據樞紐的任務，總體規劃泄水建筑物。

2)在合理選定隧洞線路的基礎上，按照當地的水流條件、地質地形等，重點確定進口位置與進口結構，這樣才能確定閘門等部件的參數[1]。

3)了解洞身的縱坡以及洞身的斷面形狀。

4)按照地質、地形以及尾水位等判斷建筑物之間的相互關系。

1.2 線路的選擇

水工隧洞的線路選擇是一個十分重要的問題，對工程造價、施工的難易程度等都產生直接影響，所以在線路選擇過程中，工作人員需要重點關注以下問題：①隧洞內線路應該盡量避開不良地質結構，在保證圍巖穩定的情況下，避開滲流量多的地段；②水工隧洞的線路盡量保證平直，這樣才能降低工程項目成本，減少成本支出；對于必須要轉彎的項目，應該保證轉彎的直線半徑≥5倍的洞寬；③水工隧洞應該具有良好的埋藏深度；④隧洞的縱坡應該考慮水利運輸條件、水利工程項目的用途以及上下游的現階段情況；⑤對于長隧洞，在選擇線路時還應該盡量的利用地質條件，合理布設一定的斜井、豎井、支洞，達到增加工作面、提高施工進度的目的；⑥具有良好的水流條件，在施工中能夠盡可能的降低水頭損失；⑦便于施工支洞等特殊要求。

而有研究認為，目前影響水工隧洞線路的因素很多，包括隧洞的埋深、洞口設置以及相鄰建筑物的處理等，都會對水工隧洞線路產生直接影響，在設計過程中若不能充分認識到上述因素對隧洞結構的影響，將會嚴重降低隧洞的穩定性與施工安全[2]。

2 水工隧洞線路布置的關鍵問題與處理技術

2.1 進口段的處理

在水工隧洞中，進口段是其中的重要一環，根據其布置形式，可以分為豎井式、塔式、岸塔式、斜坡式四種類型，不同類型的優劣勢如表1所示。

表1 進口段形式的優劣性分析

進口段的結構復雜，所以在關鍵參數設計中，需要根據隧洞的相關參數要求來確定進口段的數據。以進水喇叭口位置，位于水工隧洞的首部，一般在設計過程中，要保證進水喇叭口在體形上能夠與孔口的水流想適應，確保水流能夠順利通過，不會出現脫壁的問題；在喇叭口的設計上，普遍采用矩形斷面結構，使邊墻、頂板沿著水流方向收縮，其中的表達關系式為：

(1)

式中：x與y分別為喇叭口在X軸與Y軸上的參數；a為場長半軸；b為短半軸。

例如在福鼎市龍安供水工程中，吉坑水庫進水口的設計成為重點內容，設計人員根據實際地形情況，比較了豎井式進水口和岸塔式進水口兩個建設方案。豎井式進水口將攔污柵和閘門井分開布置，由進口喇叭段、閘門井前隧洞段及閘門井組成，閘門井后為 5m 長漸變段與引水隧洞連接；岸塔式進水口將攔污柵、事故檢修閘門井布置在一起，由進口喇叭段、閘室段組成，閘門井后為5m長漸變段與引水隧洞連接。在充分分析兩同施工方案的可比投資之后，豎井式進水口方案比岸塔式進水口方案節省約53萬元，但由于進水口緊臨村道，且距同三高速公路邊坡僅29m，豎井式進水口爆破開挖時對周邊交通影響較大，而岸塔式進水口開挖工程量小，且無需進行爆破開挖，因此最終選擇岸塔式進水口方案。而最終的實踐經驗也證明，這種設計方法是可行的。

2.2 平面轉彎點設施

在水工隧洞中，平面轉彎點的設置應該考慮水工建筑物的布置、最小覆蓋層厚度要求，并按照地質構造的走向，評估沖溝、控制性斷層等因素的限制，盡量選擇最短距離的穿越路線，這樣才能達到規避施工風險、縮短工期的目的。以福鼎市龍安供水工程為例，在該工程項目5#引水隧洞中，隧洞總長5110m，設兩個施工支洞，1#施工支洞長228m，位于缸窯村萬安亭上游約650m的左側山坡，支洞口底高程約31m，山坡地形坡度23°-30°；2#施工支洞長158m，位于嵐亭村慶元寺后山坡，支洞口底高程約31m，山坡地形坡度25°-30°。因此根據實際地形情況，在該項目中5#引水隧洞設計了2個轉彎點，2個轉彎點均用于布置施工支洞。

2.3 隧道的埋深問題

在水工隧洞內，隨著隧洞埋深的增加，地質條件會逐漸改善，并且項目中的繞溝線路少，因此很多設計人員習慣于通過增加埋深的方法來減少繞溝線路。但是隨著埋深增加，會導致施工的支洞長度或者縱坡增加，對工程項目的灌漿處理能力、襯砌范圍與強度等都提出了更高的要求。所以在水工隧洞線路的選擇上，并非埋深約深越好，而是要合理選擇埋深深度。在埋深處理中，為了能夠有效使用不同環境的處置要求，可以通過變縱坡的方法布置隧洞。例如在福鼎市龍安供水工程，吉坑水庫進水口至4#洞出口的隧洞縱坡坡度為0.4%，5#洞進口至1#施工支洞的隧洞縱坡為0.3%；1號施工支洞至2號施工支洞間的隧洞縱坡為0.2%；2號施工支洞至隧洞出口的隧洞縱坡坡度為0.7%。本項目中進洞口底高程為36m，設計斷面的型式均為2.6m×3.0m(寬×高)的矩形型，保證水庫水能夠順利的從洞中流出。而該項目的最終實踐經驗也證明，通過這種設計方法，使引水隧洞縱坡平順，沒有斜洞段，減少隧洞混凝土襯砌施工的工程量。

但是在施工過程中需要注意的是，針對埋深隧洞，在施工期間可能會出現巖爆的問題，所以在施工之前就應該形成具體的防御措施，通過提前釋放應力、柔性支護等有效方法，降低巖爆破壞，并做好記錄，形成詳細的巖爆規律圖，適當調整。

2.4 強化相鄰建筑物的處理

在一些水工隧洞施工過程中會遇到一些建筑物，對于相關人員而言，必須要正確認識到水工隧洞施工對建筑物的影響，采用多種方法避開建筑物，避免增加工程項目投資；而很多情況下，水工隧洞無法有效避開建筑物，則需要通過相應的設計方法來處置。

例如在福鼎市龍安供水工程中，考慮到工程項目的特殊性，為了能夠有效解決隧洞較低的情況，支洞口底高程為35m，前段山體覆蓋僅2-5m，建議洞口明挖50-80m，邊坡按1∶1坡比開挖，并在洞頂設置排水溝。針對這種情況，該項目的設計人員進行了特殊處理，在水工隧洞施工階段，隧洞混凝土澆筑主要包括隧洞襯砌混凝土、洞底找平混凝土、隧洞噴混凝土襯砌和鋼襯段回填混凝土等方法，在主體結構施工后，還對其中的關鍵部位進行了固結灌漿等強化處置措施，取得滿意效果[3]。

2.5 跨越沖溝問題

目前很多的水工隧洞需要跨越沖溝，但是一些地質條件復雜的沖溝往往會跨越蝕變帶或者斷裂構造帶等特殊地段，并伴有地表水補給等情況，施工難度較大。所以在人工隧洞設計中，需要充分考慮跨溝與繞溝的施工方法，合理設計，這樣才能避免質量問題發生。一般在水工隧洞跨越沖溝的情況下，所采取的施工方案為平面轉彎繞開或者提高埋深等，至于需要采用哪種施工方案，需要根據施工條件、造價與工期等多個因素進行評價。

例如在某項目中，引水隧洞必須要穿越沖溝，而沖溝的縱坡小，所以為了能夠滿足最小覆蓋層的厚度要求，隧洞的長度增加會降低工程項目的經濟效益。因此本項目的相關設計人員在經過多方的評價后，決定采用了倒虹吸方案和管橋方案進行比較。其中倒虹吸的施工方法，是在明挖之后埋鋼管從河床底部位置穿越，期間采用Q345鋼管鋼襯，鋼管的內徑為2.8m，外包C20混凝土，厚度為60cm，整個施工方案的結構如圖1所示。

圖1 跨越沖溝倒虹吸方案縱剖面

而在管橋方案中，需要在跨溝段設置若干個橋墩，在保證橋墩中心間距均勻分布的基礎上，采用了橋涵結構的鋼管鋪設方法，壓力鋼管從橋面水平通過；明鋼管每間隔4m設加勁環一道，每間隔12m設支撐環一道，在支撐環下方砌筑混凝土橋臺為承臺，該施工方法的具體結構如圖2所示。

圖2 跨越沖溝管橋方案縱剖面

m

在充分分析上述不同施工方案的經濟效益之后，相關研究發現，方案2(圖2)的工程項目總投資與圖1相比要節省約220萬元，其中在圖2的方案中，管橋方案鋼管短104.6m，并且水頭的損失也要顯著優于圖1。從設計方案的運行評價結果來看，上述兩個方案都能滿足水利工程項目復雜工況下的運行要求，但是相比之下，圖2由于采用了明鋼管結構，顯然維修難度低，所以與圖1的方案相比更有優勢。最后從施工條件來看，圖1所介紹的施工方案采用了明挖以及明管外包的方案，所以施工難度小；而如圖2方案需要澆筑橋墩，施工難度大。在綜合不同施工方案的特征之后，決定施工圖2所介紹的結構。

3 結 語

水工隧洞的線路布置受多方面因素影響，并且相關因素之間相互影響，不容忽視。結合文章的研究結果可知，在水工隧洞設計中，需要全面評估隧洞坡度、平面轉彎點以及巖層走向等外界因素的限制，合理選擇不同的施工方案；同時文章所介紹的案例，均在水工隧洞施工中取得了一定的成績，對其他工程項目施工具有一定的借鑒指導作用，值得關注。