淺談水工隧洞設計方法

◎ 吳琨 新疆水利水電勘測設計研究院

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淺談水工隧洞設計方法

◎ 吳琨 新疆水利水電勘測設計研究院

摘 要：在水利水電建設工程中，水工隧洞可以為工程提供完善的電力，可以為周邊打通水利運輸的通道。水工隧洞由于應用廣泛，近年來得到大家廣泛的關注。然而，由于我國水工隧洞在設計方法單一，對隧洞的施工設計多樣性較差，沒能最大程度的發揮水工隧洞在水利水電工程施工中的優勢。水工隧洞設計方法的選擇對于隧洞施工質量和施工效率影響重大，由于水工隧洞結構受力較為復雜，加強設計方法的研究有利于獲得更合理的支護結構，進而更好的開展施工工作。

關鍵詞：隧洞 水工工程 方法研究 設計原則

水工隧洞的襯砌主要分為三個部分，主要包括支護鋼架、錨噴裝置和鋼筋混凝土內襯。由于不同水工隧洞需要施工的巖石條件不同，在進行設計方法的選擇時，需要加強前期的地質條件和施工環境探測，合理選擇支護結構，制定設計施工方案。水工隧洞設計方法的選擇對于施工的安全性和施工的質量與效率影響重大。本文淺析了水工隧洞設計方法的主要類型，結合水工隧洞的設計方法選擇的依據，提出了設計方法實際應用中的注意事項。

1.水工隧洞設計方法的主要類型

1.1 結構力學方法設計

經過調查發現，目前水工隧洞設計方法主要包括四種類型，具體是結構力學方法設計、有限元計算方法設計、施工預期方法設計和功能反饋方法設計。結構力學方法設計主要是指水工隧洞的設計方法的選擇結構水工隧洞的實際力學要求，建立力學分析模型，對于設計方案采用以力學性能設計為主的方法。對于排沙水工隧洞、傳輸水工隧洞和施工水工隧洞而言，應用結構力學方法設計可以有效提升水工隧洞施工方案的設計效率和設計質量。結構力學設計方法最大的特點就是設計目的明確，設計思路清晰。

1.2 有限元計算方法設計

所謂有限元計算方法設計主要利用控制單一變量法實現水工隧洞設計影響因素的探究，該設計方法具有匹配性強的特點。水工隧洞有限元計算結合隧洞材料和荷載的指標，對圍巖、鋼筋混凝土、二期襯砌和錨桿等進行計算分析，利用實際變量的調控，將水工隧洞的施工工況、設計狀況匹配系數、水工隧洞開挖厚度、彈性抗壓能力等進行科學計算，可以結合具體的水工隧洞的實際設計要求，展開設計與施工。有限元計算設計方法的選擇適合水工隧洞施工方案較為清晰的工程項目，結合施工要求，可以提升設計方案的可控性。

1.3 施工預期方法設計

水工隧洞施工設計是設計方法的主要類型之一，加強施工預期的判斷可以有效提升水工隧洞設計方法選擇的關聯度和匹配性。所謂施工預期方法設計就是結合水工隧洞的施工目標合理制定設計方案和施工方案。在預期過程中，需要注重施工通道的場地布局問題，在進行水工隧洞半徑選擇時，要嚴格限定旋轉半徑。對于較長的隧洞洞施工預期，設計方法路線要加強支洞和輔洞的設計與建設，進而保障施工隧洞洞的施工安全性，在合理的空間內有效提升施工效率，加快施工進度。

1.4 功能反饋方法設計

功能反饋方法設計類型作為21世紀新型的設計方法選擇，主要是利用先進的監控設備實現設計方案與水工隧洞功能要求的實時調整并逐漸完善的設計方法。水工隧洞設計方法的確立需要建立在對水工工況具有系統的勘探和認識上，這對于現在施工項目而言，設計難度較大，對于設計人員的綜合素質要求較高。功能反饋方法設計有效規避了由于設計人員能力不足而引發的后期設計和施工問題，極大擴大了方法選擇的范圍，并提升了設計效率。水工隧洞設計方法的類型較多，在具體選擇時，需要充分結合不同類型的優勢。

2.水工隧洞的設計方法選擇的依據

2.1 水工隧洞抗裂指標要求

水工隧洞設計方法需要盡可能滿足施工的最低要求，特別是滿足抗裂性能的指標要求，加強設計方法的應用測試。對于抗裂水工隧洞的設計一般分為預壓式水工隧洞和堆砌式水工隧洞。堆砌式主要借助鋼筋混凝土實現抗裂性能指標的達成。由于鋼筋水泥材質自身的特性決定了堆砌式的水工隧洞容易開裂，因此設計方法的選擇，必須將鋼筋水泥材料的熱膨脹系數進行精準計算，加強與當地地質組分和地理環境相互匹配的灌漿配方的研制。需要指出的是抗裂性較好的水工隧洞，其設計方法的科學性和可操作性優勢明顯。

2.2 水工隧洞施工方案簡捷

水工隧洞設計的主要任務就是保證水工隧洞施工進度和目標的達成，發揮水工隧洞的功能性和可靠性。在設計方法選擇時，需要明確水工隧洞的基本設計原則，保障設計方案與施工方案的對等一致性，發揮水工隧洞設計的施工便利優勢。不同的地理環境和地質構造對于水工隧洞的設計而言，考慮的施工便利影響因素不同，這就需要結合先進的施工技術和施工設備，合理制定水工隧洞的設計方案。設計方法選擇效率的高低直接影響設計方案的合理性，需要結合水工隧洞的設計原則，及時完善設計方法。

2.3 水工隧洞檢修安全保障

水工隧洞方法設計的選擇，需要保障施工及其檢修的安全性。施工的主要原則就是“安全第一，預防為主?！痹趯φ麄€隧洞的路線進行設計選擇時，需要綜合考量周邊條件，水工隧洞的檢修安全設計方法選擇的依據，與水利工程項目的施工理念相吻合，有效體現了人作為施工設計的主要參與者的主體作用。首先，檢修安全設計原則可以激發相關檢修人員的工作積極性，排除檢修人員的顧慮；其次，檢修安全設計原則有利于從根本上為解決其他設計問題奠定客觀條件基礎。最后，水工隧洞設計方法需要因地制宜，提升設計方法的普遍適用性。

3.水工隧洞的設計方法內容實際應用需要注意的事項

3.1 水工隧洞的構造設計注意事項

水工隧洞設計方法關于構造設計與力學分析類型的選擇相似，由于結構具體包括止水結構、排水結構和縫隙結構。設計方法的應用需要格外注意水工隧洞可以滿足常壓下的無水滲透要求，在設計中需要完善止水結構傳感器的設計，可以利用銅制或石英制的實現水帶檢測。排水結構設計需要注意調節洪峰的進出隧洞洞口不會積水，這就需要在設計時，加強地形與地勢的數據分析計算，為后期檢修打通安全通道?？p隙結構設計主要是考慮溫度對于水工隧洞整體穩定性的影響。因此，水工隧洞設計方法的應用對于地質條件和結構構造的影響規律加強探究，以不斷提升設計方法的應用水平。

3.2 水工隧洞的灌漿設計注意事項

水工隧洞設計方法確定后，對于施工方案的確立需要盡快完成。由于水工隧洞灌漿材質對于施工效果影響顯著，水工隧洞方法設計的內容需要結合灌漿設計的主要方式合理制定。水工隧洞的灌漿設計結合灌漿方式的不同分為固結式灌漿設計和回填式灌漿設計。依據上文講述的水工隧洞設計方法選擇的依據，加強周圍巖石的處理分析，明確固結式灌漿隧洞洞的參數。在對隧洞洞身進行灌漿時，灌漿漿料一般采用水泥漿液。設計方法與施工方案相結合，需要弄清二者關系。設計方法選擇的依據和類型的確定不是一蹴而就的，需要反復進行驗證。

3.3 水工隧洞的布局設計注意事項

水工隧洞布局設計方法主要包括水源和泥沙進出口處的布局設計、隧洞洞身的布局設計和洞頂的布局設計。因此，對于設計方法的應用需要對每一個環節做好應用結構反饋整理分析工作。水源或泥沙進出口布局需要上半部分設計成半圓拱形，下半部分設計成矩形，這樣可以緩解隧洞上端巖石對隧洞洞的壓力。隧洞洞身的布局直接影響傳輸效率和排沙效率，進而影響施工進度。無論選擇何種設計方法，設計方案需要明確設計方法的應用優勢，對于無明顯應用優勢的設計方法，及時進行修訂和完善。

4.結論

綜上所述，水工隧洞設計類型分為四大類，本文對于每一種設計方法類型進行了具體闡述，并結合設計方法選擇的參考依據，明確了水工隧洞設計方法解決方案制定的切入點。在進行實際應用時，需要加強設計方法的驗證，并結合注意事項及時調整設計實施方法。

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