水工隧洞線路布置的技術(shù)要點(diǎn)探析

董延城

(福建省福鼎市水利技術(shù)隊，福建 福鼎 355203)

0 前 言

根據(jù)現(xiàn)有經(jīng)驗可知，水工隧洞在供水、發(fā)電以及引水工程中具有廣泛的應(yīng)用前景，而線路布置是水工隧洞設(shè)計當(dāng)中的重要環(huán)節(jié)，對工程施工、造價以及水力計算等產(chǎn)生直接影響。所以在水工隧洞線路布置的設(shè)計中，相關(guān)人員需要對諸多影響因素進(jìn)行判斷，合理選擇線路布置工藝，這樣才能全面提高水工隧洞的質(zhì)量，值得關(guān)注。

1 水工隧洞的總體布局與線路選擇

1.1 水工隧洞的總體布局

水工隧洞的總體布局必須要考慮其他外部因素對線路的影響，所以在設(shè)計過程中，設(shè)計人員應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注以下問題：

1)根據(jù)樞紐的任務(wù)，總體規(guī)劃泄水建筑物。

2)在合理選定隧洞線路的基礎(chǔ)上，按照當(dāng)?shù)氐乃鳁l件、地質(zhì)地形等，重點(diǎn)確定進(jìn)口位置與進(jìn)口結(jié)構(gòu)，這樣才能確定閘門等部件的參數(shù)[1]。

3)了解洞身的縱坡以及洞身的斷面形狀。

4)按照地質(zhì)、地形以及尾水位等判斷建筑物之間的相互關(guān)系。

1.2 線路的選擇

水工隧洞的線路選擇是一個十分重要的問題，對工程造價、施工的難易程度等都產(chǎn)生直接影響，所以在線路選擇過程中，工作人員需要重點(diǎn)關(guān)注以下問題：①隧洞內(nèi)線路應(yīng)該盡量避開不良地質(zhì)結(jié)構(gòu)，在保證圍巖穩(wěn)定的情況下，避開滲流量多的地段；②水工隧洞的線路盡量保證平直，這樣才能降低工程項目成本，減少成本支出；對于必須要轉(zhuǎn)彎的項目，應(yīng)該保證轉(zhuǎn)彎的直線半徑≥5倍的洞寬；③水工隧洞應(yīng)該具有良好的埋藏深度；④隧洞的縱坡應(yīng)該考慮水利運(yùn)輸條件、水利工程項目的用途以及上下游的現(xiàn)階段情況；⑤對于長隧洞，在選擇線路時還應(yīng)該盡量的利用地質(zhì)條件，合理布設(shè)一定的斜井、豎井、支洞，達(dá)到增加工作面、提高施工進(jìn)度的目的；⑥具有良好的水流條件，在施工中能夠盡可能的降低水頭損失；⑦便于施工支洞等特殊要求。

而有研究認(rèn)為，目前影響水工隧洞線路的因素很多，包括隧洞的埋深、洞口設(shè)置以及相鄰建筑物的處理等，都會對水工隧洞線路產(chǎn)生直接影響，在設(shè)計過程中若不能充分認(rèn)識到上述因素對隧洞結(jié)構(gòu)的影響，將會嚴(yán)重降低隧洞的穩(wěn)定性與施工安全[2]。

2 水工隧洞線路布置的關(guān)鍵問題與處理技術(shù)

2.1 進(jìn)口段的處理

在水工隧洞中，進(jìn)口段是其中的重要一環(huán)，根據(jù)其布置形式，可以分為豎井式、塔式、岸塔式、斜坡式四種類型，不同類型的優(yōu)劣勢如表1所示。

表1 進(jìn)口段形式的優(yōu)劣性分析

進(jìn)口段的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以在關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計中，需要根據(jù)隧洞的相關(guān)參數(shù)要求來確定進(jìn)口段的數(shù)據(jù)。以進(jìn)水喇叭口位置，位于水工隧洞的首部，一般在設(shè)計過程中，要保證進(jìn)水喇叭口在體形上能夠與孔口的水流想適應(yīng)，確保水流能夠順利通過，不會出現(xiàn)脫壁的問題；在喇叭口的設(shè)計上，普遍采用矩形斷面結(jié)構(gòu)，使邊墻、頂板沿著水流方向收縮，其中的表達(dá)關(guān)系式為：

(1)

式中：x與y分別為喇叭口在X軸與Y軸上的參數(shù)；a為場長半軸；b為短半軸。

例如在福鼎市龍安供水工程中，吉坑水庫進(jìn)水口的設(shè)計成為重點(diǎn)內(nèi)容，設(shè)計人員根據(jù)實際地形情況，比較了豎井式進(jìn)水口和岸塔式進(jìn)水口兩個建設(shè)方案。豎井式進(jìn)水口將攔污柵和閘門井分開布置，由進(jìn)口喇叭段、閘門井前隧洞段及閘門井組成，閘門井后為 5m 長漸變段與引水隧洞連接；岸塔式進(jìn)水口將攔污柵、事故檢修閘門井布置在一起，由進(jìn)口喇叭段、閘室段組成，閘門井后為5m長漸變段與引水隧洞連接。在充分分析兩同施工方案的可比投資之后，豎井式進(jìn)水口方案比岸塔式進(jìn)水口方案節(jié)省約53萬元，但由于進(jìn)水口緊臨村道，且距同三高速公路邊坡僅29m，豎井式進(jìn)水口爆破開挖時對周邊交通影響較大，而岸塔式進(jìn)水口開挖工程量小，且無需進(jìn)行爆破開挖，因此最終選擇岸塔式進(jìn)水口方案。而最終的實踐經(jīng)驗也證明，這種設(shè)計方法是可行的。

2.2 平面轉(zhuǎn)彎點(diǎn)設(shè)施

在水工隧洞中，平面轉(zhuǎn)彎點(diǎn)的設(shè)置應(yīng)該考慮水工建筑物的布置、最小覆蓋層厚度要求，并按照地質(zhì)構(gòu)造的走向，評估沖溝、控制性斷層等因素的限制，盡量選擇最短距離的穿越路線，這樣才能達(dá)到規(guī)避施工風(fēng)險、縮短工期的目的。以福鼎市龍安供水工程為例，在該工程項目5#引水隧洞中，隧洞總長5110m，設(shè)兩個施工支洞，1#施工支洞長228m，位于缸窯村萬安亭上游約650m的左側(cè)山坡，支洞口底高程約31m，山坡地形坡度23°-30°；2#施工支洞長158m，位于嵐亭村慶元寺后山坡，支洞口底高程約31m，山坡地形坡度25°-30°。因此根據(jù)實際地形情況，在該項目中5#引水隧洞設(shè)計了2個轉(zhuǎn)彎點(diǎn)，2個轉(zhuǎn)彎點(diǎn)均用于布置施工支洞。

2.3 隧道的埋深問題

在水工隧洞內(nèi)，隨著隧洞埋深的增加，地質(zhì)條件會逐漸改善，并且項目中的繞溝線路少，因此很多設(shè)計人員習(xí)慣于通過增加埋深的方法來減少繞溝線路。但是隨著埋深增加，會導(dǎo)致施工的支洞長度或者縱坡增加，對工程項目的灌漿處理能力、襯砌范圍與強(qiáng)度等都提出了更高的要求。所以在水工隧洞線路的選擇上，并非埋深約深越好，而是要合理選擇埋深深度。在埋深處理中，為了能夠有效使用不同環(huán)境的處置要求，可以通過變縱坡的方法布置隧洞。例如在福鼎市龍安供水工程，吉坑水庫進(jìn)水口至4#洞出口的隧洞縱坡坡度為0.4%，5#洞進(jìn)口至1#施工支洞的隧洞縱坡為0.3%；1號施工支洞至2號施工支洞間的隧洞縱坡為0.2%；2號施工支洞至隧洞出口的隧洞縱坡坡度為0.7%。本項目中進(jìn)洞口底高程為36m，設(shè)計斷面的型式均為2.6m×3.0m(寬×高)的矩形型，保證水庫水能夠順利的從洞中流出。而該項目的最終實踐經(jīng)驗也證明，通過這種設(shè)計方法，使引水隧洞縱坡平順，沒有斜洞段，減少隧洞混凝土襯砌施工的工程量。

但是在施工過程中需要注意的是，針對埋深隧洞，在施工期間可能會出現(xiàn)巖爆的問題，所以在施工之前就應(yīng)該形成具體的防御措施，通過提前釋放應(yīng)力、柔性支護(hù)等有效方法，降低巖爆破壞，并做好記錄，形成詳細(xì)的巖爆規(guī)律圖，適當(dāng)調(diào)整。

2.4 強(qiáng)化相鄰建筑物的處理

在一些水工隧洞施工過程中會遇到一些建筑物，對于相關(guān)人員而言，必須要正確認(rèn)識到水工隧洞施工對建筑物的影響，采用多種方法避開建筑物，避免增加工程項目投資；而很多情況下，水工隧洞無法有效避開建筑物，則需要通過相應(yīng)的設(shè)計方法來處置。

例如在福鼎市龍安供水工程中，考慮到工程項目的特殊性，為了能夠有效解決隧洞較低的情況，支洞口底高程為35m，前段山體覆蓋僅2-5m，建議洞口明挖50-80m，邊坡按1∶1坡比開挖，并在洞頂設(shè)置排水溝。針對這種情況，該項目的設(shè)計人員進(jìn)行了特殊處理，在水工隧洞施工階段，隧洞混凝土澆筑主要包括隧洞襯砌混凝土、洞底找平混凝土、隧洞噴混凝土襯砌和鋼襯段回填混凝土等方法，在主體結(jié)構(gòu)施工后，還對其中的關(guān)鍵部位進(jìn)行了固結(jié)灌漿等強(qiáng)化處置措施，取得滿意效果[3]。

2.5 跨越?jīng)_溝問題

目前很多的水工隧洞需要跨越?jīng)_溝，但是一些地質(zhì)條件復(fù)雜的沖溝往往會跨越蝕變帶或者斷裂構(gòu)造帶等特殊地段，并伴有地表水補(bǔ)給等情況，施工難度較大。所以在人工隧洞設(shè)計中，需要充分考慮跨溝與繞溝的施工方法，合理設(shè)計，這樣才能避免質(zhì)量問題發(fā)生。一般在水工隧洞跨越?jīng)_溝的情況下，所采取的施工方案為平面轉(zhuǎn)彎繞開或者提高埋深等，至于需要采用哪種施工方案，需要根據(jù)施工條件、造價與工期等多個因素進(jìn)行評價。

例如在某項目中，引水隧洞必須要穿越?jīng)_溝，而沖溝的縱坡小，所以為了能夠滿足最小覆蓋層的厚度要求，隧洞的長度增加會降低工程項目的經(jīng)濟(jì)效益。因此本項目的相關(guān)設(shè)計人員在經(jīng)過多方的評價后，決定采用了倒虹吸方案和管橋方案進(jìn)行比較。其中倒虹吸的施工方法，是在明挖之后埋鋼管從河床底部位置穿越，期間采用Q345鋼管鋼襯，鋼管的內(nèi)徑為2.8m，外包C20混凝土，厚度為60cm，整個施工方案的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 跨越?jīng)_溝倒虹吸方案縱剖面

而在管橋方案中，需要在跨溝段設(shè)置若干個橋墩，在保證橋墩中心間距均勻分布的基礎(chǔ)上，采用了橋涵結(jié)構(gòu)的鋼管鋪設(shè)方法，壓力鋼管從橋面水平通過；明鋼管每間隔4m設(shè)加勁環(huán)一道，每間隔12m設(shè)支撐環(huán)一道，在支撐環(huán)下方砌筑混凝土橋臺為承臺，該施工方法的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 跨越?jīng)_溝管橋方案縱剖面

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在充分分析上述不同施工方案的經(jīng)濟(jì)效益之后，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，方案2(圖2)的工程項目總投資與圖1相比要節(jié)省約220萬元，其中在圖2的方案中，管橋方案鋼管短104.6m，并且水頭的損失也要顯著優(yōu)于圖1。從設(shè)計方案的運(yùn)行評價結(jié)果來看，上述兩個方案都能滿足水利工程項目復(fù)雜工況下的運(yùn)行要求，但是相比之下，圖2由于采用了明鋼管結(jié)構(gòu)，顯然維修難度低，所以與圖1的方案相比更有優(yōu)勢。最后從施工條件來看，圖1所介紹的施工方案采用了明挖以及明管外包的方案，所以施工難度??；而如圖2方案需要澆筑橋墩，施工難度大。在綜合不同施工方案的特征之后，決定施工圖2所介紹的結(jié)構(gòu)。

3 結(jié) 語

水工隧洞的線路布置受多方面因素影響，并且相關(guān)因素之間相互影響，不容忽視。結(jié)合文章的研究結(jié)果可知，在水工隧洞設(shè)計中，需要全面評估隧洞坡度、平面轉(zhuǎn)彎點(diǎn)以及巖層走向等外界因素的限制，合理選擇不同的施工方案；同時文章所介紹的案例，均在水工隧洞施工中取得了一定的成績，對其他工程項目施工具有一定的借鑒指導(dǎo)作用，值得關(guān)注。