水工隧洞幾個問題淺議

王玉孝

(國家電投集團黃河上游水電開發有限責任公司,西寧 810003)

0 前 言

水工隧洞在設計、施工運行過程中，不可避免會遇到諸如軟巖變形、固結灌漿及外水壓力取值等問題。其中水電工程中地下洞室軟巖類圍巖大變形是困擾水電工程建設的重要問題。在國內多個交通隧道、水工隧洞建設中，均發生過嚴重的軟巖大變形問題，如國內蘭武二線烏鞘嶺鐵路隧道、黃河上游拉西瓦、羊曲水電站輸水隧洞開挖等[1]。外水壓力是水工隧洞所受外荷載中的主要荷載之一，特別是對城門洞型隧洞斷面及壓力鋼管，外水壓力的折減取值對工程結構影響較大。引水隧洞的固接灌漿目前尚未有明確的標準,隧洞是否需要固結灌漿,僅憑經驗而定,從電站綜合效益角度考慮較少[2-3]。因此，本文結合黃河上游拉西瓦、羊曲、瑪爾擋等幾座電站水工隧洞的實際設計、施工、運行情況，對軟巖地層隧洞的變形機理、成洞條件、圍巖穩定性及其支護處理措施進行分析總結，為水工隧洞的設計、施工及運行管理提供依據。

1 預留變形量問題

TB 10003-2016《鐵路隧道設計規范》及JTG 3370.1-2018《公路隧道設計規范》[4-5]中規定：各級圍巖在確定開挖斷面時，除應滿足隧道建筑限界要求外，還應預留適當的圍巖變形量，其量值可根據圍巖級別、隧道寬度、埋置深度、施工方法和支護情況等條件，采用工程類比法確定；當無類比資料時，可參照以表1、2進行取值。

表1 鐵路隧道設計規范預留變形 /mm

表2 公路隧道設計規范預留變形量 /mm

雖然SL 279-2016《水工隧洞設計規范》對隧洞是否預留變形量沒有明確的規定，但在隧洞支護與襯砌章節中有如下說明，即“具有流變或膨脹等特殊性質的圍巖，可能對襯砌結構產生變形壓力時，應對這種作用進行專門研究，并宜采取措施減小其對襯砌的不利作用”的規定[6]。因此，在隧洞穿越特殊性質的圍巖地段，設置預留變形量很有必要。更何況國內蘭武二線烏鞘嶺鐵路隧道、蘭渝線木寨嶺隧道、羊曲水電站引水隧洞下平段穿越特殊性質的地層均發生過大變形，具體情況如下：

烏鞘嶺隧道：隧道長20 050 m，縱坡約為11‰，由兩座平行的單線隧道組成，兩單線隧道間距40 m，基本為直線隧道，隧道最大埋深約1 100 m，在嶺脊約7 km范圍分布由四條區域性大斷層組成的寬大“擠壓構造帶”，巖性復雜，巖質相對較軟。隧道施工中，在4條區域大斷裂范圍內的輔助坑道和正洞，特別在F4和F7斷層及影響帶、志留系板巖夾千枚巖地層，圍巖破碎，洞室自穩能力極差，發生過較為嚴重的變形, 烏鞘嶺隧道變形情況見圖1。經過現場測試，在板巖為主的區段中，支護收斂變形在200 mm以內，在千枚巖為主的區段，支護收斂變形在500～700 mm；因此，通過大量的前期測試及試驗，確定在以千枚巖為主的地層，預留變形量取30～35 cm，以板巖為主的地層，預留變形量取20～25 cm，并且輔助相應的工程措施控制變形。

圖1 烏鞘嶺隧道變形情況圖

木寨嶺隧道：蘭渝線木寨嶺隧道全長19 km，為極高風險隧道，隧道穿越炭質板巖、灰巖及多條斷裂帶，存在軟巖、巖溶水、斷層等不良地質，地質條件差，施工難度極大。全隧道共設置8座斜井，施工中有5座斜井出現不同程度的大變形，變形速率大多大于100 mm/d，累計最大位移已超1 300 mm，主要為結構水平收斂變形，呈現出變形快、變形量較大的特點。根據現場測試及變形控制措施的分析，初步確定對產生較大變形段斜井開挖時預留變形量按單側15 cm進行控制，同時再輔助其他相關控制變形的工程措施處理，木寨嶺隧道變形情況見圖2。

圖2 木寨嶺隧道變形情況圖

羊曲水電站引水隧洞下平段：羊曲水電站壓力引水隧洞從電站進水口到廠房，按“1機1洞”方式供水，3條引水隧洞平行布置，間距29 m。設計斷面為圓形斷面，襯砌洞徑10 m，開挖洞徑11.6 m。下平段出口巖性為千枚狀板巖夾千枚巖，巖性較軟弱，片理發育，局部受斷裂構造切割影響，巖體破碎，可研設計階段采用二維彈塑性有限元仿真計算方法進行了圍巖穩定分析計算，在不采取支護措施的情況下洞周最大位移6.2 mm。下平段在實際施工過程中局部洞室變形較大，出現塌方掉塊現象。為確保工程施工及運行安全，且洞周變形及臨時支護結構不侵占永久襯砌體型，設計將局部洞段開挖洞徑調整為11.9 m，全斷面采用鋼支撐進行初期支護，后期實施鋼筋混凝土永久襯砌。目前下平段開挖完成已4 a之久，累計最大變形量3.6 mm，情況良好，羊曲水電站引水隧洞下平段施工情況見圖3。

圖3 羊曲水電站引水隧洞下平段施工情況圖

拉西瓦水電站左岸上壩洞：拉西瓦左岸上壩交通洞進口段約100 m長為紅層洞室，原設計為10 m×10 m的雙車道城門洞型斷面，施工過程中洞室變形較大，臨時鋼支撐明顯壓彎內鼓，為確保施工安全，設計將一大洞改為上下單行兩小洞，洞徑5 m×5 m，全斷面鋼支撐初期支護，后期混凝土二襯[7]。

瑪爾擋水電站進場交通洞也是紅層洞室，設計過程中借鑒了拉西瓦水電站的施工經驗，混凝土二襯預留了10 cm的變形量，目前交通洞已運行5 a，情況良好。

綜上所述，對于交通隧道、水工隧洞等地下洞室，在穿越云母石英片巖段、千枚巖段及第三系紅層等可能產生變形的地層段落，應考慮一定的預留變形量，以保證隧洞交通及過水流量的安全運行要求。

2 襯砌是否考慮外水壓力問題

SL 279-2016《水工隧洞設計規范》中規定襯砌除了考慮圍巖壓力外還應考慮作用在襯砌上的外水壓力，外水壓力根據圍巖地下水活動狀態及地下水對圍巖的穩定影響考慮一定的折減系數。其折減系數：在極微～微透水巖體洞段，洞壁為干燥～潮濕狀，其外水壓力折減系數趨近于0；在強～極強透水的巖溶、斷層發育段，呈股狀涌水，其折減系數值趨近于1；在弱～中等透水洞段，地下水呈滴～線狀溢出，折減系數值介于0～1.0之間[6]。

經分析，在巖體的裂隙和孔隙中賦存地下水，根據分布形態產生滲流，隧洞根據埋深和地下水位的位置關系，處于地下水滲流場中。地下水在滲流過程中因巖體中存在的裂隙或孔隙，對地下水的物理性質(如粘滯力)和滲流過程產生摩阻力的影響，會產生水頭損失。地下水滲流的水頭損失與巖體滲透性反相關，因而當隧洞圍巖體的滲透性越強，地下水滲流的水頭損失越小，其開挖涌水量和外水壓力越大，即相應的外水壓力折減系數也越大。反之，巖體的滲透性越弱，地下水滲流的水頭損失越大，則隧洞涌水量和外水壓力越小，相應的外水壓力折減系數越小，甚至趨近于零。

拉西瓦水電站地下水折減系數值：水電站主要地層巖性為花崗巖，地下水類型主要為基巖裂隙水，深部有脈狀裂隙水。外水壓力折減系數根據巖體滲透性確定，從深部向地表巖體滲透性逐漸增強，埋深50～70 m以下，透水率q<2 Lu，不少地段q=0；埋深50～70m，透水率q=2～7Lu，個別10 Lu，斷層或張開裂隙巖體透水率q≥5 Lu。外水壓力折減系數建議值為：埋深70 m以內，折減系數=0.8～0.6；埋深70～150 m，折減系數=0.6～0.4；埋深150～300 m，折減系數=0.4～0.2；埋深300～500 m，折減系數=0.3～0.1。綜上所述，襯砌的外水壓力與地下水的滲透性關聯較強。本水電站工程隧洞洞身埋深均在300 m以上，最大埋深達1 000 m以上，洞身地質圍巖完整性較好，地下水滲透性較弱，隧洞開挖過程過程中，洞室基本處于干燥狀態，鮮有裂隙水出露。因此對引水隧洞，考慮水庫蓄水后的情況，外水壓力折減系數取值為0.2；進場交通洞，洞室頂拱及邊墻設置有排水孔，地下水有出路，設計不再考慮外水壓力。經計算，襯砌結構設計滿足要求。目前該水電站已發電運行10a，交通運輸洞、水工隧洞等均運行正常。

3 固結灌漿問題

SL 279-2016《水工隧洞設計規范》中規定圍巖的固結灌漿應根據隧洞工程地質和水文地質條件、襯砌型式、施工對圍巖的影響程度以及運行要求，通過技術經濟比較確定，對有特殊要求的固結灌漿可通過工程類比和現場試驗確定其各項參數[6]。本條規定條文解釋為并非所有水工隧洞都要固結灌漿，國內已建工程對固結灌漿范圍都有不同要求，有全斷面固結，有部分頂拱固結，有頂拱固結、邊墻固結，以及有不進行固結，說明應根據具體工程確定固結灌漿的必要性和范圍[5]。

固結灌漿的目的是加固巖體，改善圍巖的承載能力，提高圍巖分擔率和抗滲性。灌漿孔一般對稱布置，根據圍巖地質情況，排距為2～4 m，每排不宜少于6孔，鉆孔入巖深度不低于1倍隧洞半徑(洞室跨度)，要超過松弛區1.0 m。對于鋼筋混凝土襯砌，灌漿壓力一般為1.0～2.0倍的靜內水壓力；另外，高水頭壓力隧洞，固結灌漿壓力宜小于1.5倍的靜內水壓力，并小于圍巖最小主應力。對于鋼襯混凝土襯砌，灌漿壓力一般為0.3～0.5倍的靜內水壓力。根據日本11座埋藏式壓力管道資料統計，其中也只有4座做了固結灌漿，其余的7座未做。我國目前已運行的十三陵等多個水電站的壓力管道也未進行固結灌漿。

拉西瓦水電站尾水調壓室施工時，鑒于本工程隧洞洞身段圍巖大部分為硬質巖石，其巖石裂隙多不太發育，且張開程度及連通性較差，全部洞段采取固結灌漿的必要性不是很大，且影響工期。根據類似地段的固接灌漿試驗并結合調壓室的具體地質條件，經各方聯合商議，取消了部分洞段的固接灌漿，不僅簡化了施工程序，節約了工期并取得了一定的經濟效果。因此，隧洞是否需進行固結灌漿，建議在實施前進行灌漿試驗，驗證隧洞固結灌漿的可灌性，同時若需進行固結灌漿，可確定灌漿的孔位布置、孔距、排距、孔深及灌漿壓力等設計參數。

4 結 論

(1) 對于交通隧道、水工隧洞等地下洞室，在穿越云母石英片巖段、千枚巖段及第三系紅層等可能產生變形的地層段落，應考慮一定的預留變形量，以保證隧洞交通及過水流量的安全運行要求。具體變形量應根據現場監測及數值分析計算確定。

(2) 襯砌的外水壓力與地下水的滲透性關聯較大。取值一般根據三維滲流計算分析確定，也可根據水文地質分析判斷。地下水滲流的水頭損失與巖體滲透性反相關，因而當隧洞圍巖體的滲透性越強，地下水滲流的水頭損失越小，其開挖涌水量和外水壓力越大，也即相應的外水壓力折減系數也越大。反之，巖體的滲透性越弱，地下水滲流的水頭損失越大，則隧洞涌水量和外水壓力越小，相應的外水壓力折減系數越小，甚至趨近于零。

(3) 固結灌漿的目的是加固巖體，改善圍巖的承載能力，提高圍巖分擔率和抗滲性。當圍巖大部分為硬質巖石，裂隙不發育，且張開程度及連通性較差時，應慎重灌漿，若需固結灌漿，建議在實施前進行灌漿試驗，驗證隧洞固結灌漿的可灌性。