實(shí)例探析水工隧洞工程的設(shè)計(jì)

□李天群（貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院）

興義市境內(nèi)，引馬入興工程是把流經(jīng)興義七舍鎮(zhèn)馬格鬧村江底河上游河段的河水引入興西湖水庫的跨流域引水工程。引馬入興工程主要的建筑物有：攔河壩、沖沙底孔、無壓引水系統(tǒng)。無壓引水系統(tǒng)由6條隧洞及明渠組成，總長(zhǎng)度約為4500m，其中無壓引水隧洞總長(zhǎng)4300m，隧洞的斷面設(shè)計(jì)為城門洞型，工程隧洞設(shè)計(jì)內(nèi)空尺寸寬度為2.0m，高度為2.4m(隧洞洞頂圓弧夾角為120°，隧洞襯砌厚度為300mm)。下文主要對(duì)該隧洞工程的設(shè)計(jì)和施工進(jìn)行探討。

1.隧洞挖掘前期工作

在進(jìn)行隧洞挖掘的工作之前，測(cè)量人員要按照設(shè)計(jì)好的比例在洞臉上做好標(biāo)識(shí)，施工人員沿著標(biāo)記，按照規(guī)定好的坡比向前挖掘。在挖掘中，要注意保護(hù)進(jìn)出洞臉和兩側(cè)的邊坡，必要時(shí)需要開挖工作與支護(hù)措施同時(shí)進(jìn)行。

在設(shè)計(jì)隧洞挖掘的橫截面大小時(shí)，要考慮到方便大型挖掘設(shè)備和機(jī)器出入的方面，同時(shí)也要涉及到經(jīng)濟(jì)因素，通常情況下，如果斷面設(shè)計(jì)成圓形，其內(nèi)徑至少要在1.8m以上，如果是非圓形截面，要保證高度＞1.8m，寬度在1.5m以上。在施工過程中，為了保證施工人員和建筑體的安全，最好先將洞外的建筑建設(shè)完畢，同時(shí)清理好所有的巖石、砂礫和土塊，再引導(dǎo)隧洞進(jìn)洞，這樣可以有效提高在洞口施工的安全性。根據(jù)相關(guān)的安全規(guī)定，在洞室內(nèi)的挖掘一定要注意控制深度，其徑直方向上超過的深度不能大于10cm，對(duì)超挖的部分必須使用相同標(biāo)號(hào)的混凝土進(jìn)行回填處理。

2.隧洞的支護(hù)和襯砌設(shè)計(jì)

一般來說，對(duì)隧洞支護(hù)形式和結(jié)構(gòu)的選擇需要考慮到多方面的因素，隧洞圍巖的巖性、隧洞的施工空間、支護(hù)材料的性能等等都對(duì)支護(hù)設(shè)計(jì)有著直接影響。由于技術(shù)水平的不斷提高，隧洞支護(hù)的方法已經(jīng)多達(dá)十幾種，常見的有錨噴混凝土、格柵鋼架噴混凝土、混凝土襯砌、鋼筋混凝土襯砌等，根據(jù)圍巖的不同性質(zhì)，需要采用不同的支護(hù)方式。引馬入興工程的隧洞主要以軟弱易碎的砂頁巖為主，因此在挖掘前要做好預(yù)支護(hù)工作，本工程采用超前錨桿、超前小導(dǎo)管、管棚、預(yù)襯砌、水平高壓旋噴壓注、圍巖注漿等手段。對(duì)于一些巖性較為特殊的隧洞，則需要根據(jù)具體情況采用合理的支護(hù)設(shè)計(jì)。

在設(shè)計(jì)襯砌結(jié)構(gòu)時(shí)，要根據(jù)施工地段的具體水文地質(zhì)條件來進(jìn)行合理的選擇。襯砌的常見形式有襯砌一般為平整襯砌、單層襯砌、錨噴襯砌、混凝土襯砌、鋼筋混凝土襯砌和預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌。如果圍巖的巖性干燥，常年處于沒有水源流動(dòng)的狀態(tài)，則可以不用設(shè)計(jì)防水隔離層和二次襯砌，直接采用單層的噴錨支護(hù)即可。這時(shí)就對(duì)混凝土的澆灌工藝提出了更高的要求，要使襯砌的表面保持平整光滑的狀態(tài)，并且襯砌結(jié)構(gòu)要有足夠的抗風(fēng)化性，防止在混凝土初凝的過程中出現(xiàn)裂縫。如果隧道圍巖的整體穩(wěn)定性較強(qiáng)，且在施工設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)支護(hù)系統(tǒng)的防水性沒有過多的要求，則可以放棄初期支護(hù)和防水隔離層的設(shè)計(jì)，直接采用單層的模注混凝土襯砌結(jié)構(gòu)。

當(dāng)隧洞穿越斷層和軟弱破碎帶時(shí)，常常會(huì)出現(xiàn)大幅度的高層位移，這時(shí)候就需要對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行加厚設(shè)置橫向變形縫的設(shè)計(jì)。根據(jù)在實(shí)際施工中混凝土澆灌的能力和內(nèi)外溫差的情況，合理確定變形縫的分段長(zhǎng)度。

3.隧道圍巖的挖掘和支護(hù)設(shè)計(jì)

由于在不同的地質(zhì)條件下，隧洞內(nèi)的圍巖性質(zhì)不同，施工的技藝和方式也就不一樣，因此要針對(duì)不同類型的圍巖，設(shè)計(jì)出合理的挖掘方法和支護(hù)形式。

3.1 隧洞V類圍巖：對(duì)于這類圍巖的挖掘一般是采用先從上導(dǎo)洞進(jìn)入，再從圍巖兩側(cè)同時(shí)施工的環(huán)形挖掘方式。在隧洞口使用明挖法進(jìn)行挖掘，支護(hù)工作結(jié)束后，采用大斷面開掘的方式進(jìn)行隧洞的挖掘工作。

3.2 隧洞Ⅲ-Ⅳ類圍巖：這類圍巖的挖掘工作對(duì)施工技藝的要求要高，具體表現(xiàn)為進(jìn)尺短、爆破弱、循環(huán)工序多，因此宜采用分部分層挖掘的方法。其支護(hù)方式可以考慮選用掛網(wǎng)錨噴的形式。

3.3 隧洞Ⅱ類圍巖：由于這類圍巖的性質(zhì)較穩(wěn)定，所以可以直接選用全斷面整體挖掘的施工技術(shù)，在施工中，控制鉆孔的深度為3.5m即可。

在對(duì)以上三類圍巖進(jìn)行挖掘時(shí)，都要在隧洞內(nèi)部安置開挖炮孔，利用爆破技術(shù)來配合圍巖的挖掘工作，其爆破參數(shù)要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)來確定。隧洞中爆破孔安置方位的設(shè)計(jì)如圖1所示：

圖1 爆破孔安置方位的設(shè)計(jì)圖

4.隧洞混凝土襯砌的設(shè)計(jì)

與城市隧道工程只對(duì)排水性能提出要求不同，水利工程隧洞的混凝土結(jié)構(gòu)還要具有高抗?jié)B性，因此混凝土粗骨料一般要求雙級(jí)配及以上。在設(shè)計(jì)混凝土襯砌時(shí)，其單層的襯砌厚度以250～300mm為最佳，若是雙層結(jié)構(gòu)，則厚度至少要達(dá)到300mm以上。

鋼筋混凝土襯砌的施工工序從伸縮縫處開始，按照工程的設(shè)計(jì)方案，分倉對(duì)其澆筑，控制每一層的厚度在50cm以內(nèi)?；炷翉臄嚢枵具\(yùn)送至施工現(xiàn)場(chǎng)后，直接經(jīng)過導(dǎo)管的運(yùn)輸，由模板的下料口入倉。下料時(shí)，要注意從底拱先進(jìn)入，然后兩側(cè)配合均勻下料，最后升到至頂拱處。對(duì)于混凝土的振搗要密實(shí)，嚴(yán)防空氣和外摻合劑的進(jìn)入。在澆筑時(shí)，要注意不能中途停止，整個(gè)澆筑工作要一次性完成。如果出現(xiàn)了澆筑工序中斷的情況，要及時(shí)采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施，對(duì)于出現(xiàn)大面積裂縫的混凝土，則要求返工處理。

5.隧洞噴混凝土

在對(duì)隧洞噴注混凝土?xí)r，要合理選擇噴射機(jī)。根據(jù)引馬入興工程隧洞的工程量大小和工藝流程的設(shè)計(jì)，施工人員選用了濕式噴射機(jī)。這種噴射機(jī)在使用時(shí)對(duì)選用黃砂的細(xì)度模數(shù)、含泥比例和含水量的大小要求很高，因此在攪拌混凝土?xí)r要注意對(duì)黃砂質(zhì)量和摻水量的控制。在噴注前，要將隧洞的內(nèi)的石料、廢材和堆積物清理干凈，對(duì)受噴面要進(jìn)行沖洗處理，對(duì)于巖性較弱的巖層，可以使用高壓風(fēng)來清掃巖面。

對(duì)隧洞噴射混凝土?xí)r，要先從底拱開始噴射，然后從兩側(cè)勻速進(jìn)行，最后升高到頂拱處。在噴射期間，對(duì)各層之間的結(jié)合部位和支護(hù)結(jié)構(gòu)的接縫處要仔細(xì)噴注，絕對(duì)不能出現(xiàn)漏噴的現(xiàn)象，避免在使用過程中出現(xiàn)質(zhì)量問題。噴射工序結(jié)束2h之后，可以對(duì)受噴面進(jìn)行噴水養(yǎng)護(hù)措施，一般養(yǎng)護(hù)的時(shí)間要持續(xù)一周，對(duì)于重點(diǎn)工程項(xiàng)目則要養(yǎng)護(hù)至少14d。如果施工氣溫過低，就不能對(duì)隧洞采用噴水養(yǎng)護(hù)的方法，必要時(shí)需采取相應(yīng)的保溫措施。

6.隧洞灌漿設(shè)計(jì)

對(duì)混凝土或是鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的頂部，在施工時(shí)必須進(jìn)行回填灌漿的處理。通過這種途徑，可以將混凝土襯砌和拱頂部巖面間的空隙填充密實(shí)，防止在隧洞通水之后，拱部出現(xiàn)塌方砸壞拱圈，對(duì)正常的供水產(chǎn)生影響。在對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的頂部回填灌漿之前，要結(jié)合隧洞的襯砌結(jié)構(gòu)類型和實(shí)際運(yùn)作條件，對(duì)回填灌漿的范圍、孔距、排距、灌漿壓力及灌漿濃度等方面進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

如果在建設(shè)隧洞的襯砌結(jié)構(gòu)時(shí)，遇到圍巖塌陷、溶洞、較大超挖等不利情況，要在襯砌結(jié)構(gòu)的頂部位置預(yù)埋灌漿管及排氣管，同時(shí)對(duì)隧洞頂部封堵體的也要進(jìn)行回填灌漿的處理。一旦封堵體及其周邊由于各種原因產(chǎn)生裂縫時(shí)，要對(duì)封堵體和圍巖間進(jìn)行接觸灌漿的工序，這樣就能確保襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能，保證隧洞工程的質(zhì)量。

7.結(jié)論

綜上所述，本文結(jié)合具體的工程實(shí)例，對(duì)水利工程隧洞工程的設(shè)計(jì)做了一個(gè)簡(jiǎn)要介紹，目前水利水電工程逐步進(jìn)入到深度發(fā)展階段，隧洞工程得到了越來越廣泛的關(guān)注，對(duì)于隧洞工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也在不斷進(jìn)步之中。目前水工隧洞工程的設(shè)計(jì)還有很多技術(shù)難點(diǎn)沒有得到解決，對(duì)于不同地質(zhì)條件下施工的技藝也沒有很好的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。相信隨著水工隧洞工程設(shè)計(jì)水平的提高和各項(xiàng)施工技藝的完善，隧洞工程將得到越來越廣泛的應(yīng)用。

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