实例探析水工隧洞工程的设计

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1、实例探析水工隧洞工程的设计李天群（贵州省水利水电勘测设计研究院 ）摘 要： 随着水利水电工程的快速发展和施工技术的不断提高， 越来越多的水利工程在丘陵山区建造， 水工隧洞就是其工程的主体建筑之一。 由于隧洞工程的工程量大， 工序繁多， 且受限制于地形因素， 施工较为困难， 因此对于水工隧道工程设计的合理性和 高技术性就成为保证工程质量的关键。本文将结合具体的工程实例， 从隧洞开挖、 隧洞支护与衬砌、 围岩的开挖与支护、 混凝土衬 砌、 喷混凝土、 隧洞灌浆等几个方面， 探讨隧洞工程的设计技术问题。关键词： 水利工程； 隧洞设计； 实例； 施工； 解决措施兴义市境内，引马入兴工程是把流经兴义七舍

2、镇马格闹村江底河上游河段的河水引入兴西湖水库的跨流域引水工程。引 马入兴工程主要的建筑物有： 拦河坝、 冲沙底孔、 无压引水系统。 无压引水系统由 6 条隧洞及明渠组成， 总长度约为 4500m， 其中 无压引水隧洞总长 4300m， 隧洞的断面设计为城门洞型， 工程隧 洞设计内空尺寸宽度为 2.0m， 高度为 2.4m(隧洞洞顶圆弧夹角 为 120， 隧洞衬砌厚度为 300mm)。下文主要对该隧洞工程的 设计和施工进行探讨。1. 隧洞挖掘前期工作在进行隧洞挖掘的工作之前，测量人员要按照设计好的比 例在洞脸上做好标识， 施工人员沿着标记， 按照规定好的坡比向 前挖掘。在挖掘中， 要注意保护进出

3、洞脸和两侧的边坡， 必要时 需要开挖工作与支护措施同时进行。在设计隧洞挖掘的横截面大小时，要考虑到方便大型挖掘 设备和机器出入的方面，同时也要涉及到经济因素，通常情况 下， 如果断面设计成圆形， 其内径至少要在 1.8m 以上， 如果是非 圆形截面， 要保证高度1.8m， 宽度在 1.5m 以上。 在施工过程中， 为了保证施工人员和建筑体的安全， 最好先将洞 外的建筑建设完毕， 同时清理好所有的岩石、 砂砾和土块， 再引 导隧洞进洞， 这样可以有效提高在洞口施工的安全性。 根据相关 的安全规定， 在洞室内的挖掘一定要注意控制深度， 其径直方向 上超过的深度不能大于 10cm， 对超挖的部分必须

4、使用相同标号 的混凝土进行回填处理。2. 隧洞的支护和衬砌设计一般来说，对隧洞支护形式和结构的选择需要考虑到多方 面的因素， 隧洞围岩的岩性、 隧洞的施工空间、 支护材料的性能等等都对支护设计有着直接影响。 由于技术水平的不断提高， 隧洞支护的方法已经多达十几种， 常见的有锚喷混凝土、 格栅钢架 喷混凝土、 混凝土衬砌、 钢筋混凝土衬砌等， 根据围岩的不同性 质， 需要采用不同的支护方式。 引马入兴工程的隧洞主要以软弱 易碎的砂页岩为主， 因此在挖掘前要做好预支护工作， 本工程采 用超前锚杆、 超前小导管、 管棚、 预衬砌、 水平高压旋喷压注、 围 岩注浆等手段。 对于一些岩性较为特殊的隧洞，

5、 则需要根据具体 情况采用合理的支护设计。在设计衬砌结构时，要根据施工地段的具体水文地质条件 来进行合理的选择。 衬砌的常见形式有衬砌一般为平整衬砌、 单 层衬砌、 锚喷衬砌、 混凝土衬砌、 钢筋混凝土衬砌和预应力混凝 土衬砌。如果围岩的岩性干燥， 常年处于没有水源流动的状态， 则可以不用设计防水隔离层和二次衬砌，直接采用单层的喷锚 支护即可。 这时就对混凝土的浇灌工艺提出了更高的要求， 要使 衬砌的表面保持平整光滑的状态，并且衬砌结构要有足够的抗 风化性， 防止在混凝土初凝的过程中出现裂缝。 如果隧道围岩的 整体稳定性较强，且在施工设计时对支护系统的防水性没有过 多的要求， 则可以放弃初期支

6、护和防水隔离层的设计， 直接采用 单层的模注混凝土衬砌结构。当隧洞穿越断层和软弱破碎带时，常常会出现大幅度的高 层位移，这时候就需要对衬砌结构进行加厚设置横向变形缝的 设计。 根据在实际施工中混凝土浇灌的能力和内外温差的情况， 合理确定变形缝的分段长度。3. 隧道围岩的挖掘和支护设计由于在不同的地质条件下， 隧洞内的围岩性质不同， 施工的 技艺和方式也就不一样， 因此要针对不同类型的围岩， 设计出合175河南水利与南水北调 2 0 1 2 年第 1 4 期百家谭理的挖掘方法和支护形式。3.1 隧洞 V 类围岩：对于这类围岩的挖掘一般是采用先从 上导洞进入， 再从围岩两侧同时施工的环形挖掘方式。

7、 在隧洞口 使用明挖法进行挖掘， 支护工作结束后， 采用大断面开掘的方式 进行隧洞的挖掘工作。3.2 隧洞-类围岩： 这类围岩的挖掘工作对施工技艺的 要求要高， 具体表现为进尺短、 爆破弱、 循环工序多， 因此宜采用 分部分层挖掘的方法。其支护方式可以考虑选用挂网锚喷的形 式。3.3 隧洞类围岩： 由于这类围岩的性质较稳定， 所以可以 直接选用全断面整体挖掘的施工技术， 在施工中， 控制钻孔的深 度为3.5m 即可。在对以上三类围岩进行挖掘时，都要在隧洞内部安置开挖 炮孔， 利用爆破技术来配合围岩的挖掘工作， 其爆破参数要根据 现场爆破试验来确定。隧洞中爆破孔安置方位的设计如图 1 所 示：和

8、堆积物清理干净， 对受喷面要进行冲洗处理， 对于岩性较弱的 岩层， 可以使用高压风来清扫岩面。对隧洞喷射混凝土时， 要先从底拱开始喷射， 然后从两侧匀 速进行， 最后升高到顶拱处。在喷射期间， 对各层之间的结合部 位和支护结构的接缝处要仔细喷注， 绝对不能出现漏喷的现象， 避免在使用过程中出现质量问题。喷射工序结束 2h 之后， 可以 对受喷面进行喷水养护措施， 一般养护的时间要持续一周， 对于 重点工程项目则要养护至少 14d。 如果施工气温过低， 就不能对 隧洞采用喷水养护的方法， 必要时需采取相应的保温措施。6. 隧洞灌浆设计对混凝土或是钢筋混凝土衬砌结构的顶部，在施工时必须 进行回填灌

9、浆的处理。 通过这种途径， 可以将混凝土衬砌和拱顶 部岩面间的空隙填充密实， 防止在隧洞通水之后， 拱部出现塌方 砸坏拱圈， 对正常的供水产生影响。 在对衬砌结构的顶部回填灌 浆之前， 要结合隧洞的衬砌结构类型和实际运作条件， 对回填灌 浆的范围、 孔距、 排距、 灌浆压力及灌浆浓度等方面进行合理设 计。如果在建设隧洞的衬砌结构时， 遇到围岩塌陷、 溶洞、 较大 超挖等不利情况，要在衬砌结构的顶部位置预埋灌浆管及排气 管， 同时对隧洞顶部封堵体的也要进行回填灌浆的处理。 一旦封 堵体及其周边由于各种原因产生裂缝时，要对封堵体和围岩间 进行接触灌浆的工序， 这样就能确保衬砌结构的稳定性能， 保证

10、 隧洞工程的质量。7. 结论综上所述， 本文结合具体的工程实例， 对水利工程隧洞工程 的设计做了一个简要介绍，目前水利水电工程逐步进入到深度 发展阶段， 隧洞工程得到了越来越广泛的关注， 对于隧洞工程的 结构设计也在不断进步之中。目前水工隧洞工程的设计还有很 多技术难点没有得到解决，对于不同地质条件下施工的技艺也 没有很好的经验总结。相信随着水工隧洞工程设计水平的提高 和各项施工技艺的完善， 隧洞工程将得到越来越广泛的应用。 参考文献 1 刘英丽, 刘晓娟, 赵文海. 隧洞施工技术方法探讨 J . 黑龙江 水利科技， 2008, 36( 4) . 2 王铁梦. 工程结构裂缝控制 M . 北京：

11、 中国建筑工业出版社，1997. 3 SDJ 5785， 水利水电地下工程锚喷支护施工技术规范 S . 4 汪银宝. 水工隧洞混凝土施工质量控制措施分析 J . 中国新技术新产品， 2009.收稿日期： 2012- 05- 20图 1 爆破孔安置方位的设计图 4. 隧洞混凝土衬砌的设计与城市隧道工程只对排水性能提出要求不同，水利工程隧 洞的混凝土结构还要具有高抗渗性，因此混凝土粗骨料一般要 求双级配及以上。在设计混凝土衬砌时，其单层的衬砌厚度以250300mm 为最佳， 若是双层结构， 则厚度至少要达到 300mm以上。钢筋混凝土衬砌的施工工序从伸缩缝处开始，按照工程的 设计方案， 分仓对其浇

12、筑， 控制每一层的厚度在 50cm 以内。混 凝土从搅拌站运送至施工现场后， 直接经过导管的运输， 由模板 的下料口入仓。下料时， 要注意从底拱先进入， 然后两侧配合均 匀下料， 最后升到至顶拱处。对于混凝土的振捣要密实， 严防空 气和外掺合剂的进入。在浇筑时， 要注意不能中途停止， 整个浇 筑工作要一次性完成。 如果出现了浇筑工序中断的情况， 要及时 采取相应的补救措施， 对于出现大面积裂缝的混凝土， 则要求返 工处理。5. 隧洞喷混凝土在对隧洞喷注混凝土时， 要合理选择喷射机。 根据引马入兴 工程隧洞的工程量大小和工艺流程的设计，施工人员选用了湿 式喷射机。 这种喷射机在使用时对选用黄砂的细度模数、 含泥比 例和含水量的大小要求很高，因此在搅拌混凝土时要注意对黄 砂质量和掺水量的控制。在喷注前， 要将隧洞的内的石料、 废材176HENAN