輸水隧洞斜（豎）井錯落布置分析

齊立偉，劉 洋，張建輝，劉文斌

（中水東北勘測設(shè)計研究有限責任公司，吉林長春 130021）

輸水隧洞斜（豎）井錯落布置分析

齊立偉，劉 洋，張建輝，劉文斌

（中水東北勘測設(shè)計研究有限責任公司，吉林長春 130021）

并排的縱剖面上采用斜（豎）井布置的隧洞，通常采用的完全平行的布置型式，但當水頭較高時，往往有以下缺點：如兩洞間施工支洞封堵穩(wěn)定無法滿足、封堵工期緊張、下斜井檢查與維修困難等問題。采用斜（豎）井錯落布置，可以有效的解決以上問題，可在并排布置的隧洞設(shè)計中參考采用，具有很好推廣和借鑒意義。

并排布置隧洞；斜（豎）井錯落布置；施工支洞；封堵體

1 輸水系統(tǒng)的一般輸水方式及縱剖面上的布置型式

水利水電工程輸水系統(tǒng)的輸水方式，一般采用“一洞一機”“一洞多機”“二洞多機”“多洞多機”等布置方式，需要根據(jù)地形地質(zhì)條件、洞徑、襯砌型式、材料、電站運行方式、首部和尾部建筑物布置、分期投入運行的可能性、施工條件以及工期和造價等因素綜合確定。由于引水系統(tǒng)和尾水系統(tǒng)所承受的壓力水頭相差較大，地形地質(zhì)條件及長度也有一定差別，進（出）水口的布置也不會完全相同，因此，引水系統(tǒng)與尾水系統(tǒng)的輸水方式不一定完全相同。對于輸水系統(tǒng)輸水方式的選擇，很多工程考慮以上諸多因素并結(jié)合工程自身的特點，需要采用“兩洞多機”布置，甚至“多洞多機”布置，即輸水系統(tǒng)采用兩條或多條隧洞并排布置。

輸水隧洞縱剖面上、下平段的連接方式，應(yīng)根據(jù)輸水系統(tǒng)其它建筑物的布置、地形地質(zhì)條件、水力條件、施工和檢修等因素綜合確定。由于受進（出）水口位置、機組安裝高程和隧洞長度的限制，很多工程的輸水隧洞不可避免地采用一級或一級以上斜（豎）井布置。

目前，很多工程受以上諸多因素及工程自身特點的限制，輸水隧洞采用兩條或多條并排布置，縱剖面上采用一級或一級以上斜（豎）井布置。

2 并排布置的輸水隧洞通常布置型式及存在的問題

水利水電工程中兩條或多條并排布置的輸水隧洞，通常采用平行布置。對于縱剖面上采用一級或一級以上斜（豎）井布置而言，即各條輸水隧洞的斜（豎）井、中平段及上、下平段及彎段布置完全一致，其布置示意如圖1。

圖1 兩條并排二級斜井的輸水隧洞平行布置示意圖

兩條或多條并排布置的輸水隧洞采用完平行布置型式，往往采用一條施工支洞貫穿輸水隧洞。這種布置型式具有布置簡單，隧洞施工順序明確等特點，而這種布置型式往往應(yīng)用于水頭不高的一級斜（豎）井布置。當水頭較高時，存在以下問題：

1）封堵體穩(wěn)定問題

對于高水頭且采用鋼筋混凝土襯砌的輸水隧洞，中平段或下平段水頭較高，兩洞間施工支洞封堵體長度受機組間距限制，封堵體穩(wěn)定很難滿足要求。

2）占用直線工期問題

施工支洞封堵段施工時受封堵順序限制，工期占用較長，甚至直接影響發(fā)電或工程投入運行的直線工期。

3）封堵體滲漏問題

在充排水試驗以及運行過程中，封堵體頂拱及與圍巖接縫處不可避免地漏水，而兩洞間的封堵體受作業(yè)空間和通道的限制，滲漏處理非常困難。

4）下斜（豎）井的檢查與維修問題

對于采用二級或以上的斜（豎）井布置的輸水隧洞，上斜（豎）井可以利用上平段進行檢查與維修，但要實現(xiàn)下斜（豎）井的檢查與維修，需要在中平洞設(shè)置檢修門及檢修通道，采用常規(guī)的一條施工支洞貫穿輸水隧洞，檢修通道的布置非常困難。

綜上所述，鑒于目前水利水電工程輸水隧洞采用兩條或多條并排布置，且縱剖面上采用一級或一級以上斜（豎）井布置比較普遍的情況，研究探討如何解決高內(nèi)水壓力鋼筋混凝土襯砌下平段的施工支洞封堵穩(wěn)定、工期緊張、封堵體滲漏處理困難等問題，以及對于采用二級或以上斜（豎）井布置的工程如何在中平洞布置檢修門與檢修通道的問題，已成為設(shè)計和科研人員非常關(guān)注的問題。

3 并排布置的輸水隧洞斜（豎）井錯落布置型式特點

針對常規(guī)的平行布置方式不能完全適用于采用兩條或多條并排斜（豎）井布置的高水頭輸水隧洞的情況，在工程設(shè)計中突破常規(guī)，采用較為新穎的斜（豎）井錯落布置型式，布置示意如圖2。

兩條或多條并排布置的輸水隧洞，采用（斜）豎井錯落布置，可以解決高水頭下兩洞間施工支洞封堵穩(wěn)定無法滿足、封堵工期緊張、下斜井檢查與維修困難等問題。具體如下：

1）兩條或多條并排布置的高水頭鋼筋混凝土襯砌隧洞，縱剖面采用斜（豎）井錯落布置，下平段施工支洞分岔分別與下平段相連，解決了兩洞間封堵體長度因受機組間距限制，無法滿足封堵穩(wěn)定要求的難題；

圖2 兩條并排二級斜井的輸水隧洞斜井錯落布置示意圖

2）下平段施工支洞各支岔分別與輸水隧洞相連，封堵施工時不受由內(nèi)向外的封堵施工順序限制，解決了封堵工期緊張問題；與遠端隧洞相連的施工支洞封堵體接縫灌漿的預(yù)埋管可以不用跨過近端封堵體，因而縮短了預(yù)埋管的長度，保證了接縫灌漿的質(zhì)量與效果；同時針對施工支洞布置方向與機組發(fā)電順序的問題，解決了施工支洞需要布置在后發(fā)電隧洞一側(cè)的限制，使施工支洞的布置更具有靈活性。

3）在輸水系統(tǒng)充排水試驗時或運行過程中，如果施工支洞封堵體發(fā)生滲漏需要處理時，若采用一條施工支洞貫穿輸水隧洞的方案，則兩洞間封堵體的處理，均需要自進人孔進入隧洞內(nèi)來施工，因此受作業(yè)空間和設(shè)備的限制，處理起來非常困難。采用施工支洞分岔分別與輸水隧洞相連，在處理封堵體滲漏時，可以在施工支洞封堵體外側(cè)采用延長封堵體長度和加強灌漿等措施來處理，降低了處理難度，而且保證了處理的效果。

4）采用二級或以上的斜（豎）井時，需要在中平段設(shè)置檢修門和檢修通道，用于下斜（豎）井的充排水試驗和后期放空時的檢查、維修。對于兩條或多條并排布置的輸水隧洞，若采用一條施工支洞貫穿兩輸水隧洞，要實現(xiàn)遠端輸水隧洞的檢查與維修非常困難，檢修通道需要跨過近端輸水隧洞，這就需要自近端輸水隧洞下部或上部跨過，會造成施工支洞與近端輸水隧洞相交部位的開挖斷面增大較多，因而需要加強交叉部位的支護措施以保持穩(wěn)定；另外，由于施工通道自輸水隧洞下部或上部通過，檢查和檢修設(shè)備運至檢修隧洞內(nèi)比較困難，而且檢修通道內(nèi)的排水也較為困難。通過調(diào)整上斜（豎）井錯落布置，使中平段施工支洞分岔分別與各中平段相連，再分別進行封堵，在各封堵體內(nèi)預(yù)留檢修通道，有效地解決了中平段布置檢修通道困難的問題。

5）兩條或多條并排布置的高內(nèi)水頭鋼筋混凝土襯砌隧洞，采用斜（豎）井錯落布置，可以有效地避開斷層破碎帶等不利地質(zhì)條件的影響。例如在輸水系統(tǒng)布置過程中，斜（豎）井洞段圍巖遇有斷層破碎帶等不利地質(zhì)條件，通過采取斜（豎）井錯落布置，可以使斜（豎）井均可以布置在圍巖地質(zhì)條件相對較好區(qū)域，而且可以通過拉大相鄰斜（豎）井間距離，增加相鄰斜（豎）井間的巖體厚度及滲徑，保證了相鄰斜（豎）井間的強度穩(wěn)定和滲透穩(wěn)定。

4 并排布置的輸水隧洞斜（豎）井錯落布置型式的要求

兩條或多條并排輸水隧洞，采用斜（豎）井錯落布置，往往受內(nèi)水壓力條件、地質(zhì)條件以及下斜（豎）井需要布置檢查和維修通道等條件的限制，因此，在布置時，應(yīng)注意以下方面要求：

4.1 整體布置要求

整體布置上由上平段、上斜井段、下斜井段、中平段、下平段、施工支洞組成。

1）由于各隧洞彎點不在同一位置，因而并排布置的各上、中、下平段長度是不同的；2）輸水系統(tǒng)縱剖面平面與各斜（豎）井組成平面不垂直，各斜井的位置及相互關(guān)系，應(yīng)根據(jù)地形地質(zhì)條件，上平段、中平段、下平段以及施工支洞的布置確定；3）為了實現(xiàn)下斜（豎）井的檢查與維修，中平段需要設(shè)置檢修門，與之相連的施工支洞內(nèi)需要布置檢修通道；4）一般的，往往為了滿足施工，需要在中平洞和下平洞布置施工支洞。各施工支洞分岔布置，分別與兩條隧洞相連。

4.2 并排隧洞各段間巖體厚度的確定

一般的，相鄰隧洞之間的巖體厚度，應(yīng)保證兩洞間巖體的穩(wěn)定。巖體的穩(wěn)定不僅包括強度穩(wěn)定，還應(yīng)包括滲透穩(wěn)定。強度穩(wěn)定，對于水頭不高的隧洞，只要洞間巖體厚度不小于2倍開挖洞徑（或洞寬），圍巖條件適中，即可滿足。對于水頭較高的隧洞，則以洞間巖柱應(yīng)力不超過該處巖石的允許應(yīng)力為條件。洞間巖柱應(yīng)力可用彈塑性理論分析，用有限元法計算，而巖石的容許應(yīng)力則由試驗得出。滲透穩(wěn)定，與兩個指標有關(guān)，一個是內(nèi)水壓力，另一個是水力梯度。內(nèi)水壓力，要求小于最小地應(yīng)力，防止水力劈裂，即

其中：P——內(nèi)水壓力（計算點的時均壓強），MPa；σ——最小地應(yīng)力,MPa2。

水力梯度，要求小于臨界水力梯度，即

其中：I——水力梯度，m水柱壓力/m；P——內(nèi)水壓力，m水柱壓力；L——巖體厚度，m；Ij臨界——巖體臨界水力梯度，m水柱壓力/m。

一般地，針對巖體臨界水力梯度而言，完整巖石：15～20；節(jié)理裂隙閉合的巖體：8～10；張性節(jié)理裂隙密集帶和斷層破碎帶：3～5；具有溶蝕性的張性節(jié)理裂隙密集帶和斷層破碎帶等：0.6～0.2。

4.3 施工支洞布置要求

為實現(xiàn)兩條并排隧洞斜井錯落布置，需將施工支洞分岔，一岔洞直接與近端隧洞相連，另一岔洞則需繞過近端隧洞與遠端隧洞相連。連接遠端隧洞的施工支洞岔洞，與近端隧洞間的巖體厚度應(yīng)滿足巖體穩(wěn)定的要求。如果不能滿足，可采用以下2種措施處理：即對于不滿足巖體穩(wěn)定的隧洞段采用鋼管襯砌或?qū)Σ粷M足巖體穩(wěn)定的施工支洞岔洞段，全部進行混凝土封堵回填處理。

5 并排布置輸水隧洞斜（豎）井錯落布置型式在荒溝抽水蓄能電站中的應(yīng)用

荒溝抽水蓄能電站裝機120萬kW，2洞4機布置。電站2條引水隧洞平面上并排布置，縱剖面上為二級50°斜井。為了實現(xiàn)下斜井的檢查與維修，為了保證引水下平段（高壓洞段）的施工支洞封堵體的穩(wěn)定以及封堵體的施工工期，采用斜井錯落布置，中平段和下平段的施工支洞沒有采用一條施工支洞貫穿引水隧洞的方案，而是將施工支洞分岔，在保證安全距離的前提下繞過近端的1號引水隧洞與遠端的2號引水隧洞相連接。具體布置如下：1號引水隧洞上斜洞的上、下彎點距2號洞40 m，因此，連接中平洞的4號施工支洞可以在距1號引水隧洞約70 m處分岔，其中一岔洞與1號中平洞相連，另一岔洞從距1號引水隧洞上斜洞約38 m處繞過與2號中平洞相連，同時為保證下斜洞的檢查與修，在兩個岔管的封堵體內(nèi)設(shè)置檢修門和檢修通道；1號引水隧洞下斜洞的上、下彎點距2號洞約72 m，連接下平洞的2號施工支洞可以在距1號引水隧洞約90 m處分岔，其中一岔洞與1號下平洞相連，另一岔洞從距1號引水隧洞上斜洞約50 m處繞過與2號下平洞相連。荒溝抽水蓄能電站兩條并排的引水隧洞，通過采用斜井的錯落布置，解決了兩洞間封堵體長度受機組間距限制不能滿足的難題，而且封堵施工時不受由內(nèi)向外的封堵施工順序限制，解決了封堵工期緊張問題，并實現(xiàn)下斜井的檢查與維修。

6 結(jié)論

通過以上分析和工程實例表明，在并排布置隧洞縱剖面上采用斜（豎）井錯落布置，將下平段施工支洞分岔分別與輸水隧洞相接，可解決下平段施工支洞封堵穩(wěn)定無法滿足的難題及封堵工期緊張問題，而且可以保證封堵接縫灌漿的質(zhì)量與效果，并使施工支洞的布置更具有靈活性。對于采用二級或以上的斜（豎）井，通過將上斜（豎）井錯落布置，使中平段施工支洞分岔分別與各輸水隧洞中平段相連，可以有效地解決中平段檢修通道布置困難的問題，實現(xiàn)了下斜（豎）井的檢查與維修功能。因此，并排布置的兩條或多條隧洞縱剖面上采用斜（豎）井錯落布置，豐富了并排布置隧洞的縱剖面布置型式，為設(shè)計者在隧洞布置方面提供了新思路，具有很好推廣和借鑒意義。

TV67 < class="emphasis_bold"> ［文獻標識碼］B

B

1002—0624（2017）09—0001—03

2017-04-02