不襯砌有壓輸水隧洞設(shè)計(jì)與研究

陳曉年，蘇 凱，楊繼華，翟 鑫

（1.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003；2.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072）

隨著國(guó)家水網(wǎng)戰(zhàn)略的實(shí)施，長(zhǎng)距離引調(diào)水工程呈現(xiàn)越來越多的趨勢(shì)，有壓輸水隧洞因布置靈活、運(yùn)行方便等優(yōu)點(diǎn)逐漸成為工程設(shè)計(jì)首選的一種輸水形式。常規(guī)有壓輸水隧洞，特別是水頭100 m以上的高壓隧洞，為了工程安全和運(yùn)行需要，一般采用鋼筋混凝土襯砌或預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌，高壓隧洞甚至采用鋼襯形式，其主要目的是為了防止內(nèi)水外滲耦合水力劈裂，確保隧洞的安全運(yùn)行。

有壓輸水隧洞是否采用襯砌，主要受兩方面因素控制：一是圍巖滿足隧洞受力要求。有壓輸水隧洞的內(nèi)水壓力作用到圍巖上是否會(huì)發(fā)生水力劈裂和大量滲漏［1］，影響到隧洞的安全，如果隧洞的埋深足夠大、圍巖條件足夠好，那么在不襯砌或透水襯砌的情況下，即使高內(nèi)水壓力直接作用在圍巖上，也不會(huì)發(fā)生水力劈裂和大量滲漏，否則隧洞就要采用限裂設(shè)計(jì)或直接采用鋼襯。二是工程設(shè)計(jì)的自身需要（如水力條件要求）。近年來，隨著施工方法的進(jìn)步，長(zhǎng)距離引調(diào)水工程采用TBM掘進(jìn)的情況越來越多，TBM輸水隧洞不同于常規(guī)鉆爆法施工，TBM掘進(jìn)過程中對(duì)圍巖擾動(dòng)較小，掘進(jìn)后形成的隧洞斷面較為光滑，因此在水頭條件允許的情況下，一般不需要采用混凝土襯砌來減小糙率以降低水頭損失。

與常規(guī)襯砌有壓輸水隧洞相比，不襯砌有壓輸水隧洞具有成本低、施工快等顯著優(yōu)點(diǎn)，因此在同時(shí)滿足上述兩方面要求的前提下，建議修建不襯砌有壓輸水隧洞，但是不襯砌有壓輸水隧洞目前尚無系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。本文以福建龍巖萬安溪引水工程為依托，在綜合分析大量地質(zhì)資料和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，基于挪威準(zhǔn)則框架，提出有壓輸水隧洞不襯砌設(shè)計(jì)的邊界條件，針對(duì)不同圍巖類型采用不襯砌＋鋼筋混凝土透水襯砌的組合支護(hù)形式，構(gòu)建不襯砌設(shè)計(jì)思路與準(zhǔn)則，進(jìn)一步探討不襯砌有壓輸水隧洞設(shè)計(jì)難題。

1 不襯砌設(shè)計(jì)理論分析

從結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，有壓輸水隧洞是否采用襯砌主要看圍巖上是否會(huì)發(fā)生水力劈裂和大量滲漏。本文基于挪威準(zhǔn)則框架和最小地應(yīng)力理論，結(jié)合引水隧洞水力學(xué)要求，提出不襯砌有壓輸水隧洞設(shè)計(jì)流程。

1.1 挪威準(zhǔn)則和最小地應(yīng)力理論

對(duì)于有壓隧洞，巖體作為承擔(dān)內(nèi)水壓力的結(jié)構(gòu)主體，需要同時(shí)滿足覆蓋巖體不上抬、不發(fā)生水力劈裂和滲透失穩(wěn)破壞等要求［2］，最小巖體覆蓋層厚度一般應(yīng)滿足挪威準(zhǔn)則要求，但滿足挪威準(zhǔn)則并不能保證不發(fā)生水力劈裂和滲透失穩(wěn)，原因是在深埋巖體中一般存在不同的地質(zhì)構(gòu)造，可能出現(xiàn)最小地應(yīng)力值小于自重應(yīng)力最小值的情況，此時(shí)隧洞內(nèi)最小地應(yīng)力可能小于隧洞內(nèi)水壓力，有壓隧洞將發(fā)生水力劈裂和滲透失穩(wěn)，危及工程安全。因此，對(duì)于有壓輸水隧洞，在滿足挪威準(zhǔn)則的條件下，還要特別對(duì)地應(yīng)力進(jìn)行判別，以合理選擇隧洞襯砌支護(hù)形式，并兼顧安全性和經(jīng)濟(jì)性。

1.2 不襯砌有壓輸水隧洞設(shè)計(jì)思路

從目前的工程設(shè)計(jì)和研究成果來看，一般對(duì)于埋深足夠大、圍巖條件足夠好的有壓輸水隧洞，隧洞埋深滿足挪威準(zhǔn)則和最小地應(yīng)力要求，有壓輸水隧洞高內(nèi)水壓力作用在圍巖上，不會(huì)發(fā)生水力劈裂和大量滲漏，并且不需要采用混凝土襯砌來減小糙率，水工有壓隧洞設(shè)計(jì)中宜優(yōu)先考慮不襯砌隧洞方案，這在理論及工程實(shí)踐中是可行的。

不襯砌有壓輸水隧洞是有條件限制的，尤其是對(duì)圍巖條件要求很高時(shí)，因此它的應(yīng)用范圍受到了一定的限制。隧洞的圍巖具有非均勻性、不連續(xù)性、環(huán)境賦存性、各向異性等特點(diǎn)［3］，還存在一定的構(gòu)造應(yīng)力，因此不同工程相同類別的圍巖，其穩(wěn)定性程度會(huì)有較大的差別，甚至同一工程相同類別的圍巖，其穩(wěn)定性程度也有較大的差異。因此，不襯砌有壓輸水隧洞設(shè)計(jì)條件很難準(zhǔn)確量化，目前也尚無統(tǒng)一的理論標(biāo)準(zhǔn)，隧洞是否進(jìn)行襯砌還應(yīng)與工程的功能和需求結(jié)合起來，做到系統(tǒng)分析和整體設(shè)計(jì)。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外幾個(gè)輸水隧洞工程［4－5］設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在已有研究的基礎(chǔ)上，依托龍巖萬安溪引水工程，提出一套不襯砌有壓輸水隧洞設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法（見圖 1），為類似工程提供參考和借鑒。

圖1 不襯砌有壓輸水隧洞設(shè)計(jì)流程

2 典型工程設(shè)計(jì)與研究

龍巖萬安溪引水工程是解決龍巖市主城區(qū)中、遠(yuǎn)期供水需求的引調(diào)水工程，工程平均引水流量為2.34 m3／s，設(shè)計(jì)引水流量2.93 m3／s，多年平均引水量0.723 9億m3，工程規(guī)模為中型，等別為Ⅲ等，主要建筑物為3級(jí)。工程從大灌水電站發(fā)電尾水取水，通過引水隧洞及管道引水至新羅區(qū)北翼水廠，主要建筑物有大灌水電站尾水取水建筑物、輸水隧洞、沿線交叉建筑物、引水管道等，線路總長(zhǎng)約35 km，全程采用有壓重力流輸水。其中輸水隧洞長(zhǎng)約28 km，以樁號(hào)13＋000為界，上游隧洞采用鉆爆法施工、下游隧洞采用TBM法施工，TBM開挖斷面洞徑為3.8 m，輸水隧洞最大埋深約800 m，隧洞最大內(nèi)水壓力水頭約80 m。

2.1 地質(zhì)條件分析

輸水隧洞洞室上覆巖體厚度一般為100～800 m，沖溝段厚度較小，弱－微風(fēng)化巖體透水性微弱（見圖 2）。其中樁號(hào)0＋000—24＋700段隧洞圍巖為燕山早期侵入巖，巖性主要為黑云母花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖，以Ⅱ～Ⅲ類為主；樁號(hào)24＋700—27＋936段隧洞圍巖為泥盆系上統(tǒng)沉積巖，巖性主要為泥質(zhì)粉砂巖夾砂礫巖、礫巖、石英礫巖、砂礫巖等，以Ⅲ～Ⅳ類為主；斷層帶附近和進(jìn)出口段為Ⅴ類圍巖。

圖2 輸水隧洞縱斷面示意

參照附近其他引水工程圍巖分類經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合本工程的巖質(zhì)類型、地震縱波速度、RQD值、風(fēng)化程度、斷裂發(fā)育情況、巖體結(jié)構(gòu)特征及強(qiáng)度、地下水狀態(tài)等，將工程區(qū)隧洞圍巖分為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ四大類，同時(shí)考慮圍巖性質(zhì)，將Ⅲ類又分為ⅢA、ⅢB兩個(gè)亞類，侵入巖體圍巖分類見表1。

表1 侵入巖體圍巖分類

輸水隧洞Ⅱ類圍巖洞段累計(jì)長(zhǎng)約15 479 m、占55.9%，Ⅲ類圍巖洞段累計(jì)長(zhǎng)約74 42 m、占26.8%，Ⅳ類圍巖洞段累計(jì)長(zhǎng)約4 114 m、占14.8%，Ⅴ類圍巖洞段累計(jì)長(zhǎng)約695 m、占2.5%。

2.2 不襯砌隧洞設(shè)計(jì)

2.2.1 挪威準(zhǔn)則復(fù)核

根據(jù)上述不襯砌有壓輸水隧洞設(shè)計(jì)思路及流程，首先針對(duì)隧洞進(jìn)行挪威準(zhǔn)則復(fù)核。根據(jù)工程布置，洞室上覆巖體厚度一般為100～800 m，根據(jù)相關(guān)規(guī)范［6］規(guī)定，大部分洞段均能滿足挪威準(zhǔn)則要求，僅在隧洞的進(jìn)、出口一定范圍及覆蓋層厚度較小洞段不滿足最小巖體覆蓋要求，需要考慮工程措施［7］，該段隧洞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要受內(nèi)水壓力控制，考慮采用鋼襯＋回填C20自密實(shí)混凝土襯砌形式（見表 2）。

表2 壓力鋼襯段設(shè)計(jì)成果

2.2.2 最小地應(yīng)力復(fù)核

在樁號(hào)23＋500附近的CZK06鉆孔進(jìn)行9組水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試，結(jié)果表明工程區(qū)總體的應(yīng)力規(guī)律滿足SH＞Sv＞Sh（其中：SH為最大水平主應(yīng)力，Sh為最小水平主應(yīng)力，Sv為垂直主應(yīng)力），在實(shí)測(cè)深度范圍內(nèi)（204.73～398.37 m），最大水平主應(yīng)力值5.22～17.31 MPa，最小水平主應(yīng)力值4.28～11.00 MPa，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹 24°—54°W，應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)以NW向的擠壓為主。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果繪制鉆孔地應(yīng)力與測(cè)試深度關(guān)系曲線（見圖 3），從圖3可以看出應(yīng)力與深度呈一定線性關(guān)系，隨著深度增加應(yīng)力增大，即深度與應(yīng)力正相關(guān)，最大、最小水平主應(yīng)力與深度H的關(guān)系見式（1）。

圖3 地應(yīng)力與測(cè)試深度關(guān)系

為進(jìn)一步驗(yàn)證本次地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，收集了福建龍巖附近工程的地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果（見表 3）。從表3可以看出附近各地下工程上覆巖體厚度為300～420 m處最大水平主應(yīng)力基本在11.0～16.3 MPa范圍內(nèi)、最小水平主應(yīng)力基本在7.0～13.0 MPa范圍內(nèi)，屬中等偏低地應(yīng)力場(chǎng)。

表3 龍巖附近工程地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)

綜上所述，工程區(qū)最小地應(yīng)力以構(gòu)造應(yīng)力為主，分析測(cè)試數(shù)據(jù)可得出最小水平主應(yīng)力與自重應(yīng)力比為0.67～1.11，平均值為0.89，考慮到隧洞圍巖條件整體較好，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)判斷［8］，最小地應(yīng)力可取自重應(yīng)力的0.8倍，在挪威準(zhǔn)則的框架下，對(duì)鋼襯外其余洞段進(jìn)行計(jì)算復(fù)核，結(jié)果均滿足最小地應(yīng)力要求。

2.2.3 圍巖穩(wěn)定計(jì)算與復(fù)核

本工程地質(zhì)條件較好，尤其是Ⅱ類、ⅢA類圍巖段，圍巖整體性較好，自穩(wěn)能力強(qiáng)，通過挪威準(zhǔn)則和最小地應(yīng)力復(fù)核，滿足不襯砌條件，因此推薦采用Ⅱ類、ⅢA類圍巖不進(jìn)行襯砌；但是ⅢB類、Ⅳ類和Ⅴ類圍巖（破碎及涌水段）的整體性較差，圍巖壓力和外水壓力較大，自穩(wěn)能力差，需要進(jìn)行襯砌，襯砌設(shè)計(jì)時(shí)不以內(nèi)水壓力為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制，主要考慮抗外水壓力和圍巖壓力的作用。

襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算采用國(guó)際通用的有限元分析設(shè)計(jì)軟件LUSAS建立有限元分析模型，使用BEAM單元模擬襯砌結(jié)構(gòu)、彈簧單元JPH3模擬襯砌與圍巖之間的相互作用，通過計(jì)算可知，檢修工況襯砌在圍巖壓力、外水壓力、自重等荷載組合作用下，在襯砌的底部出現(xiàn)了較大的彎矩和軸力，結(jié)構(gòu)以受壓為主，見圖4。最后，根據(jù)有限元計(jì)算出來的彎矩和軸力再進(jìn)行結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算（見表 4）。

圖4 檢修期襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力云圖

表4 配筋計(jì)算成果

另外，深埋隧洞考慮影響隧洞安全的荷載主要為外水壓力，為了進(jìn)一步減小外水壓力對(duì)隧洞襯砌的影響，針對(duì)外水壓力較大的Ⅳ類、Ⅴ類圍巖，在隧洞頂拱部位設(shè)置了排水孔，可有效降低外水壓力，保證隧洞的安全［9］。

2.2.4 水力學(xué)條件復(fù)核

該工程設(shè)計(jì)輸水流量為2.93 m3／s，隧洞的截面大小由施工斷面控制，故隧洞內(nèi)水流流速相對(duì)較小，沿程水頭損失也較小。按照糙率的經(jīng)驗(yàn)取值［10］對(duì)不襯砌隧洞的水頭損失進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，其中：鉆爆法施工段襯砌部分糙率取0.014、不襯砌部分糙率取0.043；TBM法施工段的襯砌部分糙率取0.014、不襯砌部分糙率取0.025；倒虹吸及埋鋼管段糙率取0.015，其他局部損失系數(shù)、流量等參數(shù)均取上限。通過計(jì)算，整個(gè)輸水線路水頭損失為18.71 m，全線滿足有壓重力流輸水的要求，工程末端規(guī)劃的北翼水廠調(diào)流調(diào)壓閥前末端壓力水頭為5.79 m，滿足一般水廠大于3.0 m的設(shè)計(jì)要求，因此設(shè)計(jì)時(shí)不需要考慮降低糙率措施，該工程具備不襯砌的設(shè)計(jì)條件。

3 結(jié) 論

針對(duì)不襯砌有壓輸水隧洞，國(guó)內(nèi)一些學(xué)者進(jìn)行了研究討論，但主要集中在洞室圍巖穩(wěn)定理論的研究。因受制于地質(zhì)條件的復(fù)雜性和不確定性，實(shí)際工程建設(shè)過程中很難進(jìn)行有效的判別，且目前無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，筆者結(jié)合實(shí)際工程針對(duì)不襯砌有壓輸水隧洞的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行研究，得出主要結(jié)論如下：

（1）不襯砌有壓輸水隧洞的關(guān)鍵是保證洞室圍巖的自身穩(wěn)定，同時(shí)滿足隧洞的埋深足夠深和圍巖條件相對(duì)好的要求，但是目前圍巖條件好壞準(zhǔn)確判別在實(shí)際工程上比較困難，受制于地質(zhì)條件的復(fù)雜性和不確定性，導(dǎo)致一些參數(shù)無法進(jìn)行量化，因此設(shè)計(jì)上需要簡(jiǎn)單有效的判別方法（即挪威準(zhǔn)則和最小地應(yīng)力理論）。

（2）不同地質(zhì)條件下的有壓輸水隧洞的襯砌作用機(jī)制是不同的，如果設(shè)計(jì)者不加以區(qū)分、均按照內(nèi)水壓力來控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是不正確的。對(duì)于不襯砌有壓輸水隧洞，在圍巖條件較差洞段考慮襯砌作用主要是抗外水壓力而非內(nèi)水壓力。

（3）對(duì)于不襯砌有壓輸水隧洞，除了考慮挪威準(zhǔn)則、最小地應(yīng)力理論、圍巖穩(wěn)定、水力條件外，筆者認(rèn)為還應(yīng)考慮地下水位情況，在滿足挪威準(zhǔn)則和最小地應(yīng)力的條件下，還應(yīng)滿足外水壓力大于內(nèi)水壓力，保證內(nèi)水不外滲。

雖然不襯砌有壓輸水隧洞主要受制于地質(zhì)條件，但與工程本身?xiàng)l件也息息相關(guān)，需要設(shè)計(jì)者進(jìn)行綜合判斷，在設(shè)計(jì)過程中根據(jù)隧洞開挖的圍巖揭露情況進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，以進(jìn)一步保證工程的安全。