淺談水工隧洞設計的常見問題

夏軍

摘要：隨著我國社會經濟的快速發展，水利水電、穿山鐵路公路等建設取得了快速發展，因此隧洞的需求量及規模日益增大。因傳統的水工隧洞設計對隧洞周圍環境破壞較嚴重，所以為滿足建設的實際需要，水工隧洞設計模式以及設計技術方案成為投資者、建設者關注的重點問題。文章探討了水工隧道設計的常見問題。

關鍵詞：水工隧洞；工程設計；常見問題；水利工程；灌漿設計 文獻標識碼：A

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

近年來，我國水利工程建設越來越多，這對于我國國民經濟發展具有極其重要的推動作用。目前我國很多水利工程都處于山區丘陵地區，因此其灌溉渠道工程一般都需要穿山越嶺，這樣就會凸顯出水工隧道的重要作用。只有確保水工隧道設計的經濟性、科學合理性，才可以真正發揮其作用，確保水利工程建設的順利開展。在各類水利水電工程建設的過程中，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條件有較大差別，所以在隧洞設計、施工過程中需考慮選取不同的支護方法。因地下工程較復雜，準確的計算參數將會難以獲取。在實際的施工過程中，施工隊的施工經驗與水平不同，也是造成隧洞設計計算與施工控制脫節的重要原因。此外，地下水是地下洞室設計、施工中不可避免的重要因素，對洞內施工環境、支護結構荷載確定以及施工方案的選取造成嚴重影響。在設計、施工時，需要根據工程自身的具體要求對地下水進行處理。根據設計計算結果，討論、總結施工經驗、教訓，對隧洞設計提出可靠、有效的支護與防滲排水方案，以保障工程的順利開展。

1 合理選擇水工隧洞線路

1.1 地質條件

選擇隧洞路線的過程中，應該盡可能選擇巖體比較堅硬、完整，而且地質構造相對簡單的地區，盡量不要選擇不利地質構造地區，應該盡可能避開嚴重滲水地段、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。洞線應該和主要軟弱帶走向、構造斷裂面以及巖層等存在較大的一個交角。如果地區是高地應力，應該保證洞線和最大的水平地應力方向盡可能保持同步，從而減輕側向圍巖對隧洞造成的壓力。隧洞的覆蓋厚度應該達到相應的要求，如果是有壓隧洞，將彈性抗力考慮在內的話應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

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

1.3 施工條件

選擇水工隧洞線路的過程中，應該將施工場地布置問題以及施工出渣通道等問題充分考慮進來。設置曲線的過程中應該結合施工要求中提出的轉彎半徑設計彎曲半徑。如果是長洞，應該綜合考慮地質條件、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行通風、出渣、進料等工作，有效優化施工條件，進一步推進施工進度。選擇水工隧洞路線的時候還應該注意整體運行以及布置等各方面要求，防止會干擾其他建筑物。

2 水工隧洞構造設計分析

2.1 水工設計以及排水設計

如果無壓洞襯砌對于防滲沒有要求的話，進行環向施工縫設計的過程中可以不用設置止水。如果明確提出了防滲要求或者是有壓隧洞的話應該設計止水帶或者止水銅片。進行排水設計的過程中，出口邊坡、泄洪洞進等處應該合理設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。無壓洞的水面線以上應該合理設置排水孔，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置合理的排水設施，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，進行交通

維修。

2.2 結構分縫以及分塊設計分析

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

3 對外水壓力的分析處理方法

中國目前對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作體積力。前一種是中國《水工隧洞設計規范》（DL/T 5195-2004）推薦的方法，也是設計人員常采用的，其概念簡單，易于用結構力學法進行分析計算；后一種采用滲流場理論，較為符合外水壓力作用的實際情況，但隧洞周圍的巖石節理及裂隙情況千差萬別，難以較為準確地模擬，其計算結果與實際受力情況可能有較大的差別。通常在設計工作中把外水壓力當作面力來處理，一般情況下，地下水位線可根據水文地質條件分析確定，但外水壓力的取值差別較大，關于外水壓力的取值主要有以下兩種方法：

第一，《水工建筑物荷載設計規范》（DL 5077-1997）第7.4.4條：當無壓隧洞和地下洞室設置排水設施時，可根據排水效果和排水設施的可靠性對外水壓力標準值的作用水頭做適當折減，其折減值可采用工程類比法或滲流分析確定。

第二，水工隧洞設計規范中第11.2.5條：地下水壓力標準值，可采用地下水位線以下的水柱高乘以相應折減系數估算。以上方法主要涉及折減系數和設排水后的折減，由于其可操作難度大，處理具體情況仍難以取舍：折減系數取值過大，不僅顯得保守和不經濟，而且有時甚至無法實現設計意圖；折減系數取值過小，結構的安全又難以保證。設排水后的折減也有同樣的問題，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斟酌。

4 水工隧洞的灌漿設計分析

4.1 固結灌漿設計分析

根據結構設計的基本原則以及圍巖處理的相關要求明確固結灌漿洞段，并且合理確定相關參數，如果洞段的圍巖地質條件相對較差或者具有某些特殊要求的情況下必須采取固結灌漿技術。洞身段實施固結灌漿的過程中，每排應該至少布置6個孔，而且孔應該對稱分布，設置排距大概維持在2～3m之間，壓力維持在0.5～1.0MPa之間。在進口、出口部位的1倍洞寬或者洞徑范圍內一定要采取固結灌漿處理，壓力設置為0.5～0.8MPa，排距設置在2～3m之間。對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的水灰比進行配比。另外，一定要注意嚴格檢查灌漿質量，可以聯合采用壓力以及聲波檢測這兩種方式。

4.2 灌漿孔深和間距選擇

根據理論分析和數值計算可知，一般Ⅱ、Ⅲ類圍巖條件下的水工隧洞主要內壓承載區約為隧洞開挖半徑的1.0～1.5倍，這也是經濟合理的隧洞圍巖灌漿深度，應對該區域重點灌漿，以提高其力學和防滲性能并形成可靠的預壓應力圈。因此，隧洞固結灌漿一般深入圍巖1.0～1.5倍隧洞半徑。隧洞固結灌漿間排距一般為2～4m，高壓隧洞一般為2～3m。由于水工隧洞承載內水壓力，其圍巖有效承載厚度約為隧洞開挖半徑的1.0～1.5倍，因此在相同的工程造價條件下，固結灌漿鉆孔短而密布置的性價比優于長而稀布置。

4.3 回填灌漿設計分析

完成隧洞襯砌后進行回填灌漿的時候，應該選擇在頂拱90°～120°的范圍內實施，通常設置灌漿壓力維持在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%。有壓隧洞進行回填灌漿的過程中，要求粉煤灰的品質需要符合一級、二級的標準要求。

5 水工隧洞布置設計分析

隧洞的首部就是進水口，它的體形應該適應孔口水流的流態，防止可能會出現不利的負壓或者出現空蝕破壞，而且應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。隧洞進口一般都是喇叭口狀。深式無壓隧洞進水口只是一個短管型的壓力段，主要作用是增加壓力段的壓力，從而有效壓力分布情況，一般都是在進口段的頂部設計一個傾斜壓坡。通常情況下，應該在靜水中打開檢修門，盡可能減小啟門力，因此非常有必要設置一段平壓管。結束檢修工作后，將檢修門開啟之前應該先把平壓管閥門打開，然后在兩道門中間放置適量水平衡兩側檢修門的水壓。

綜上所述，水工隧洞整體性能及其質量對于水利工程的實際運行具有直接的關系，進行水工隧洞設計的過程中，設計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質量問題，確保水工隧洞設計的科學合理性，確保水利工程的順利開展。

參考文獻

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（責任編輯：小 燕）