水利水电 关于水工隧洞设计的探讨 韩春华 昆明市水利水电勘测设计研究院，云南 昆明 650000 摘要：十二五期间，是国家对水利投资规模最大、群众受益最多的时间。水利工程设计处于水利工程建设基础性环节，云南属山区、丘陵区，隧洞在占地少、交叉建筑物少、线路短、对地表生态环境破坏少等方面的优势明显。在引调水工程、泄洪、导流、灌溉常采用隧洞。作为水工建筑重要组成部分，其设计方案的好坏关系到工程投资和项目功能的正常发挥。 关键词：水工隧洞；灌浆设计；工程设计 中图分类号：TV672+.1 文献标识码：B 文章编号：1006-8465（2017）07-0179-01 隧洞设计属于地下建筑，开挖后不可预见的地质影响因素较多，前期地质勘查工作尤为重要，后期设计、施工也关系重大。洞轴线要经多方案比较，要考虑上下游建筑物衔接、地质条件、施工条件、工程投资等。隧洞型式、洞泾也要根据其不同使用功能进行对比比较选定最优方案。隧洞结构计算、水力计算、灌浆处理、分缝设计渗流安全等等，都对隧洞安全运行和、使用功能正常发挥有着及举足轻重的作用。 1 科学选择水工隧洞线路 选择隧洞线路时，应从地形地质条件水流条件、施工条件、工程布置、投资等多方位多方案进行比较。 1.1 地形地质条件 隧洞进出口布置宜避免高边坡开挖，并且对开挖后的边坡稳定进行计算，并采取合理的加固措施和排水措施。进出口考虑同上下游河床衔接，方便布置进出口建筑物。洞线布置应避开地表水强补给的冲沟及强岩溶地区。应当尽可能选择较为完整、坚硬的岩体，并且该地区的地质构造要相对简单，并且要尽量将地下水位较高、严重渗水地段避开，进而降低隧道衬砌上受到压力。若为高地应力地区，应使洞线同步于最大水平地应力，进而减少隧洞受到侧向围岩的压力。 1.2 施工条件 选择水工隧洞线路过程中，应当对施工出渣通道和施工现场布置问题进行充分考虑。对曲线进行设置过程中应当依据施工要求中的转弯半径确定设计弯曲半径。隧洞渐变段及洞身出现平面或竖向曲线时，可对该处处采取扩大断面二次支护措施。若为长洞，应当在对地形条件、地质条件进行充分考虑的情况下对施工支洞、斜洞、竖井进行合理布置，对施工条件进行优化，进而推进施工进度。选择水工隧洞路线时对整体布置和运行的相关要求也要注意，避免对其他建筑物产生干扰。 2 水工隧洞构造设计分析 2.1 排水分缝分块设计 隧洞进出口布置截水天沟，避免洞脸边坡受冲刷失稳，对于有渗水的洞段，沿顶拱120度范围内应布置排水孔，渗水大的部分应加密，并做好孔内反滤措施，防止岩层内细料填充物流失太多而引发应力多次重分布，造成对结构的破坏。无压洞水面线以上应当布置排水孔，尽可能减小外水压力。有压隧洞，应当对止水铜片或止水带进行合理的设计。 2.2 结构分缝和分块设计分析 在受力相差较大（如洞身同竖井及出口闸室相接处）；软弱破碎带应设置变形缝并设置止水。 分缝处钢筋不宜穿过止水位置，应对影响止水埋设的钢筋留足规范要求的锚固长度后折断，折断后的钢筋应绕开止水锚入砼衬砌内， 3 对水压力的分析处理方法 当前分析处理外水压力主要包括两种方法：一种是将外水压力作为面力，另一种是将外水压力作为体积力。《水工隧洞设计规范》推荐第一种方法，在实际中被设计人员广泛采用，由于具有简单概念，所以分析计算较为简便；后一种应用渗流场理论，与外水压力作用实际情况较为相符，然而隧洞周围岩石节理和裂隙情况存在较大差别，准确的模拟难以实现，计算结果和实际受力情况差别较大[1]。在设计工作中通常将外水压力作为面力，一般来说可根据水文地质条件分析确定地下水位线，但外水压力取值差别较大，实际中主要有两种方法用于外水压力取值： 第一，《水工建筑物荷载设计规范》设置地下洞室和无压隧洞排水设施时，以排水设施可靠性和排水效果为依据适当折减外水压力标准值的作用水头，可采用工程类比法确定折减值。第二，《水工隧洞设计规范》可采用地下水位线以下水柱高乘以相应折减系数估算地下水压力标准值。以上方法主要涉及排水后折减和折减系数，由于具有较大操作难度，具体情况处理中无法取舍：折减系数过大，不仅不经济和保守，并且使设计意图无法实现；折减系数取值过小时难以保证结构安全。设排水后折减也有同样问题存在，并且需要对排水失效可能性进行考虑，所以要仔细斟酌外水压力取值[2]。 4 水工隧洞灌浆设计分析 4.1 固结灌浆设计分析 以围岩处理相关要求和结构设计基本原则为依据对固结灌浆洞段进行明确，并且要对相关参数进行合理确定，若洞段围岩具有某些特殊要求或地质条件较差，那么应当进行固结灌浆。对洞身开展固结灌浆时，每排布置孔应当在6个以上，同时保证孔对称分布，排距应当设置为2～4米，压力维持在0.5～1.0MPa。在进口、出口部位的1倍洞宽或洞径范围内应当实施固结灌浆，压力控制在0.5～0.8MPa，设置排距为2～3米。最好应用普通硅酸盐水泥作为灌浆应用材料，配比水灰比为2:1～0.2：1。另外，应当对灌浆质量进行严格检查，可用声波检测和压力检测两种方法联用。 若无压隧洞布置于靠坝岸一侧，宜对坝轴线前后无压洞段进行固结灌浆处理，让其同坝体防渗体形成封闭的防渗体系。 4.2 灌浆孔深和间距选择 依据数值计算和理论分析可知，通常Ⅱ、Ⅲ类围岩条件下水工隧洞主要内压承载区为隧洞开挖半径的1～1.5倍，这个隧洞围岩灌浆深度也较为经济合理，应当针对该区域进行重点灌浆，促进其力学和防渗性能的提升，并促进可靠预压应力圈形成。所以，隧道固结灌浆通常要深入围岩1～1.5倍隧洞半径。设置隧洞固结灌浆排除为2～4米，高压隧洞通常为2～3米。因为水工隧洞承担内水压力，隧道开挖半径的1～1.5倍为围岩有效承载厚度，所以在工程造价条件相同的情况下，相对于长而稀布置短而密的固结灌浆钻孔布置更好[3]。 4.3 回填灌浆设计分析 隧洞衬砌完成后进行回填灌浆时，实施范围应当设置在90°～120°，灌浆压力通常设置为0.2～0.5MPa，孔、排距为3～6米，材料应根据围岩地质和隧洞工作条件选定。若隧洞开挖过程洞顶发生过局部垮塌，可根据范围大小，采用块石填塞空腔再预埋灌浆管进行灌浆处理。 5 结语 水利工程正常运行和水工隧洞设计施工运行管理存在密切关系，设计人员应当充分重视水工隧洞线路选择、水力计算、结构计算、支护形式选择、渗流稳定等问题，保证设计水工隧洞科学合理，推动水利工程建设有序开展。本文对水工隧洞设计局部进行了分析，但仍存在一定局限，希望行业人员强化重视，不断提升水工隧洞设计水平。 参考文献： [1]李宁,刘波.城门洞型压力隧洞衬砌限裂配筋设计方法研究[J].岩石力学与工程学报,2013,32(12):2409-2414. [2]苏凯,伍鹤皋,周创兵等.内水压力下水工隧洞衬砌与围岩承载特性研究[J].岩土力学,2010,31(8):2407-2412,2452. [3]邓鑫,隋国森.浅析水工压力隧洞结构限裂设计研究现状[J].城市建设理论研究(电子版),2012,(12). 2017年7期︱179︱
