水工隧洞布置設(shè)計(jì)

1、1洞線(xiàn)選擇 水工隧洞洞線(xiàn)的選擇，是隧洞設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)之一；我國(guó)已建隧洞工程，由于洞線(xiàn)布置上的不合理和施工方法上的欠妥，而發(fā)生的事故不少。其原因：一是地質(zhì)資料不足；二是水力學(xué)因素。隧洞布置隧洞布置 1洞線(xiàn)選擇（）在洞線(xiàn)選擇中都非常重視遵循洞線(xiàn)垂直于地質(zhì)構(gòu)造線(xiàn)或與構(gòu)造線(xiàn)保持有足夠角度的原則。一般與構(gòu)造線(xiàn)夾角大于時(shí)基本無(wú)塌方事故；時(shí)會(huì)出現(xiàn)塌方；小于時(shí)大多出現(xiàn)塌方事故。隧洞布置 1洞線(xiàn)選擇（）層狀巖體是典型的各向異性介質(zhì)。在層狀巖體中布置隧洞，洞軸線(xiàn)與巖層走向要有較大的夾角，碧口水電站在陡傾角較疏松的薄層千枚巖中開(kāi)挖了條隧洞、條壓力管道和其他各種洞室。洞軸線(xiàn)與巖層的夾角時(shí)，洞壁發(fā)生嚴(yán)重外鼓和傾倒；夾

2、角時(shí)，發(fā)生較輕微外鼓和傾倒；夾角大于時(shí)，圍巖基本穩(wěn)定。隧洞布置 1洞線(xiàn)選擇（）洞線(xiàn)布置應(yīng)考慮地應(yīng)力方向，例如，二灘水電站，號(hào)、號(hào)探洞三維地應(yīng)力實(shí)測(cè)資料分析，最大主應(yīng)力方向?yàn)楸睎|左右，如選取北東方向?yàn)檩S，北西方向?yàn)檩S，軸鉛直向上，根據(jù)實(shí)測(cè)值算出這種位置的各種地應(yīng)力參數(shù)，列于表中。表可以看出，兩個(gè)水平應(yīng)力分量相差很大，如果洞軸線(xiàn)選在軸方向，邊墻將受到小的側(cè)向壓力，若選在軸上，邊墻上將受到大的側(cè)向壓力，兩者相比，后者邊墻上單位面積所受的側(cè)向壓力，為前者的倍。據(jù)此分析，并結(jié)合考慮了地質(zhì)構(gòu)造線(xiàn)方向進(jìn)行了廠(chǎng)區(qū)洞群布置。結(jié)果開(kāi)挖施工進(jìn)行順利。隧洞布置 隧洞埋設(shè)深度隧洞埋設(shè)深度，即洞頂以上巖體的覆蓋厚度和山體

3、岸邊一側(cè)的巖體厚度，一般統(tǒng)稱(chēng)為圍巖的覆蓋厚度。隧洞圍巖的覆蓋厚度涉及到圍巖的穩(wěn)定性、圍巖的抗力及圍巖的防滲能力等。隧洞布置 隧洞埋設(shè)深度21進(jìn)、出口洞段及無(wú)壓隧洞調(diào)查了個(gè)工程的進(jìn)出口，其最小覆蓋厚度均不足倍的洞徑，關(guān)鍵是采取了合理的施工程序和工程措施，其結(jié)果是減少了明挖，爭(zhēng)取了工期。隧洞布置 隧洞埋設(shè)深度隧洞布置 隧洞埋設(shè)深度22有壓隧洞 隧洞布置 隧洞埋設(shè)深度）雪山準(zhǔn)則（如圖所示）：對(duì)于比較陡峭的地形，側(cè)向覆蓋常起著控制作用。澳大利亞的雪山準(zhǔn)則，。隧洞布置 隧洞埋設(shè)深度隧洞布置 隧洞埋設(shè)深度）挪威準(zhǔn)則（如圖所示）：早年，在挪威當(dāng)壓力隧洞地表巖體坡度變陡時(shí)，設(shè)計(jì)者只是簡(jiǎn)單地把所需的圍巖覆蓋厚度

4、從靜水頭的倍增加到倍。結(jié)果導(dǎo)致一些工程的失敗。關(guān)于經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的取值問(wèn)題，宜根據(jù)圍巖情況確定。隧洞布置 隧洞埋設(shè)深度隧洞布置 隧洞埋設(shè)深度對(duì)巖體坡角從的不同情況使用垂直向準(zhǔn)則、雪山準(zhǔn)則和挪威準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算比較，雪山準(zhǔn)則和挪威準(zhǔn)則相當(dāng)吻合，它隨著坡角的增加而覆蓋厚度增加，垂直向準(zhǔn)則覆蓋厚度則隨著巖體坡角的增大而減少。顯然挪威和雪山準(zhǔn)則均更合理。國(guó)內(nèi)工程推薦采用挪威準(zhǔn)則。F=1.101.50。隧洞布置 隧洞埋設(shè)深度 高壓隧洞和岔洞雖滿(mǎn)足了覆蓋厚度的要求，有時(shí)在完好的巖體中仍會(huì)發(fā)生水力劈裂，所以提出對(duì)地應(yīng)力和滲流穩(wěn)定的要求。隧洞布置 工程事例洞線(xiàn)選擇不當(dāng) 由于洞線(xiàn)選擇不當(dāng)造成重大損失的工程事例，如：十三陵

5、電站斜管段附近有一條多米寬的大斷層，勘探時(shí)沒(méi)發(fā)現(xiàn)，斜管段布置在斷層處，其走向、傾角幾乎與斷層重合，開(kāi)挖導(dǎo)洞時(shí)發(fā)生嚴(yán)重坍方，延誤工期數(shù)月；隧洞布置 工程事例洞線(xiàn)選擇不當(dāng)引青濟(jì)秦引水工程中的某段隧洞長(zhǎng)約，有近洞段處于沖溝溝底，開(kāi)挖過(guò)程中出現(xiàn)坍方，幾經(jīng)處理后仍控制不住坍方擴(kuò)大，造成地面下沉，形成直徑約、深的通天坍方漏斗，處理近半年時(shí)間，造成巨大損失；隧洞布置 工程事例洞線(xiàn)選擇不當(dāng)電站發(fā)電洞布置于大壩左岸，該大壩為定向爆破成壩，爆破烈度達(dá)度度，爆破促使壩址區(qū)巖體震碎，卸荷裂隙張開(kāi)。年建成后經(jīng)多年風(fēng)化，致使原已張開(kāi)的裂隙進(jìn)一步風(fēng)化、松馳，卸荷帶寬達(dá)。年開(kāi)鑿的發(fā)電引水隧洞出口段位于卸荷帶中，年月充水出現(xiàn)多

6、處滲水射流。放空檢查發(fā)現(xiàn)洞內(nèi)巖體變形、鋼管下移，襯砌混凝土多處拉裂，岔管混凝土開(kāi)裂，鋼筋外露，為此不得不另建一條發(fā)電隧洞。隧洞布置 工程事例洞線(xiàn)選擇不當(dāng)碧口水電站泄洪洞方案比選時(shí)曾進(jìn)行過(guò)左右岸方案比較，最后因右岸泄洪洞較長(zhǎng)而被放棄，結(jié)果選定的左岸泄洪洞因地質(zhì)構(gòu)造的不利組合造成大坍方，地面坍陷面積達(dá)，坍方段長(zhǎng)，坍方量約，工程停工處理達(dá)數(shù)年之久。隧洞布置 工程事例覆蓋厚度不足由于最小覆蓋厚度不足發(fā)生水力劈裂和滲透失穩(wěn)造成工程事例，如： 江西蔡坊電站發(fā)電引水隧洞長(zhǎng)2770m，內(nèi)徑2.1m，設(shè)計(jì)水頭108m，襯砌厚50cm單筋5根20，黑云毌花崗巖，上覆厚度14m，1995.11.16下閘蓄水，12.

7、15日充水高壓水沿襯砌和圍巖裂隙沖出，形成泥石流，沖毀開(kāi)關(guān)站，淹沒(méi)廠(chǎng)房。圍巖壓力自穩(wěn)條件好，開(kāi)挖后變形很快穩(wěn)定的圍巖，可不計(jì)圍巖壓力。圍巖變形（位移）基本穩(wěn)定的判別標(biāo)準(zhǔn)參見(jiàn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和巖土工程監(jiān)測(cè)手冊(cè)（中國(guó)水利水電出版社年版）。由統(tǒng)計(jì)規(guī)律看，一般在變形小于/時(shí)可認(rèn)為基本穩(wěn)定。在有長(zhǎng)期觀(guān)測(cè)（大于個(gè)月）成果時(shí)，觀(guān)測(cè)后期全月平均小于/時(shí)認(rèn)為是穩(wěn)定的。圍巖壓力薄層狀及碎裂散體結(jié)構(gòu)的圍巖，作用在襯砌上的圍巖壓力可按式（）、式（）計(jì)算：圍巖壓力不能形成穩(wěn)定拱的淺埋隧洞，宜按洞室頂拱的上覆巖體重力作用計(jì)算圍巖壓力，再根據(jù)施工所采取的支護(hù)措施予以修正。圍巖壓力塊狀、中厚層至厚層狀結(jié)構(gòu)的圍巖，可根據(jù)圍巖中不穩(wěn)定塊

8、體的作用力來(lái)確定圍巖壓力。圍巖壓力采取了支護(hù)或加固措施的圍巖，根據(jù)其穩(wěn)定狀況，可不計(jì)或少計(jì)圍巖壓力。圍巖壓力除與地質(zhì)條件、隧洞開(kāi)挖尺寸有關(guān)外，與施工方法、支護(hù)措施、支護(hù)時(shí)間有很大關(guān)系。采用緊跟掌子面的噴射混凝土，或根據(jù)變形監(jiān)測(cè)成果采取及時(shí)錨噴支護(hù)，可控制圍巖變形，即使在地質(zhì)條件較差的圍巖中，也可大大減少?lài)鷰r變形造成的壓力，但是，圍巖壓力究竟減多少，目前還只能靠工程經(jīng)驗(yàn)和對(duì)變形監(jiān)測(cè)的分析采用類(lèi)比法決定。圍巖壓力采用掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖、光面爆破、控制爆破可減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)和破壞，可增加圍巖的自承能力，使圍巖在襯砌上形成的壓力減少；可適當(dāng)少計(jì)圍巖壓力。圍巖壓力具有流變或膨脹等特殊性質(zhì)的圍巖，可能對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)

9、生變形壓力時(shí)，應(yīng)對(duì)這種作用進(jìn)行專(zhuān)門(mén)研究。地應(yīng)力在襯砌上產(chǎn)生的作用應(yīng)進(jìn)行專(zhuān)門(mén)研究。外水壓力地下水壓力是設(shè)計(jì)最關(guān)注的、也是很難準(zhǔn)確確定的。外水壓力 1外水壓力折減系數(shù)1外水壓力折減系數(shù)的方法隧洞的外水壓力作用一般根據(jù)圍巖的滲透系數(shù)、巖層結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、滲流類(lèi)型、襯砌型式、補(bǔ)給水源、排水或出水點(diǎn)等條件，通過(guò)滲流計(jì)算來(lái)確定。但是，計(jì)算工作量較大，計(jì)算參數(shù)難確定，不現(xiàn)實(shí)。用結(jié)構(gòu)力學(xué)法計(jì)算襯砌結(jié)構(gòu)時(shí)需先確定作用在襯砌面上的外水壓力，然后按面力進(jìn)行計(jì)算。鑒于上述原因水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范仍選用外水壓力折減系數(shù)的方法。外水壓力外水壓力 1外水壓力折減系數(shù)外水壓力折減系數(shù)存在問(wèn)題：在工程的前期階段，隧洞尚未開(kāi)挖

10、，無(wú)法取得地下水活動(dòng)狀態(tài)的資料。外水壓力折減系數(shù)e值在隧洞前期勘察中難以應(yīng)用。在隧洞施工階段，雖然可以根據(jù)地下水活動(dòng)狀態(tài)判定e值，但表 中變化區(qū)間大，且上下不同級(jí)別的e值相互重疊，取值困難，不盡合理。表中沒(méi)有闡明外水壓力與工程、水文地質(zhì)條件的關(guān)系，特別是與巖體滲透性的關(guān)系，從而不利于工程地質(zhì)勘察的取值。外水壓力 外水壓力折減系數(shù)修正和補(bǔ)充隧洞外水壓力折減系數(shù)工程地質(zhì)研究 宋岳 賈國(guó)臣 滕杰巖體滲透性與外水壓力折減系數(shù)關(guān)系地下水溢出狀態(tài)與外水壓力折減系數(shù)關(guān)系 外水壓力 2排水設(shè)施 當(dāng)為抵御高地下水壓力而需要增加襯砌厚度時(shí)，我國(guó)的經(jīng)驗(yàn)是在滿(mǎn)足有關(guān)覆蓋厚度規(guī)定的條件下，可采用排水措施降低外水壓力，但

11、對(duì)于不良地質(zhì)洞段應(yīng)予以慎重對(duì)待。外水壓力 2排水設(shè)施 對(duì)設(shè)有排水設(shè)施的水工隧洞，可根據(jù)排水效果和排水設(shè)施的可靠性，對(duì)作用在襯砌結(jié)構(gòu)上的外水壓力作適當(dāng)折減，其折減值可通過(guò)工程類(lèi)比或滲流計(jì)算分析確定。外水壓力 2排水設(shè)施排水的幾種主要類(lèi)型（1）在襯砌中設(shè)置排水孔 (孔徑 4cm20cm)。（2）排水廊道或排水洞，洞徑一般1.5m到3m。（3）排水幕與排水洞聯(lián)合使用， 排水幕可布置在任意方向。（4）設(shè)置輻射狀排水孔組成排水帶。多用于地下廠(chǎng)房及無(wú)壓隧洞。外水壓力 2排水設(shè)施（5）設(shè)置排水盲溝， 尺寸介于排水孔和排水洞之間，常在隧洞底板下布置排水盲溝。（6） 土工織物排水， 利用土工織物透水性，在隧洞巖

12、壁上鋪成條帶狀然后澆筑襯砌，巖石滲水通過(guò)土工織物排水條帶排走。（7） 高壓鋼管貼壁式排水， 用槽鋼或角鋼或半圓鋼管點(diǎn)焊在壓力鋼管外緣形成排水網(wǎng)絡(luò)。外水壓力 2排水設(shè)施應(yīng)注意的幾亇問(wèn)題(1) 有壓隧洞多采用圓形斷面，它有較高的抗外壓穩(wěn)定的能力，所以在低壓隧洞中，很少在襯砌中設(shè)置排水孔。(2) 有壓隧洞設(shè)置排水孔時(shí)應(yīng)注意內(nèi)水外滲。外水壓力 2排水設(shè)施(3) 為了阻止圍巖中巖屑隨水帶出，惡化圍巖，可在排水孔中設(shè)置軟式透水管。(4) 當(dāng)圍巖中軟弱面充填物有被水溶解和帶走的可能時(shí)，為保持圍巖穩(wěn)定，則不允許設(shè)置排水措施。外水壓力 EM1110-2-2901規(guī)范沒(méi)有必要或沒(méi)有理由為外水壓力設(shè)計(jì)襯砌。在施工、

13、檢修和維修期內(nèi)，必須進(jìn)行隧洞排水。如果施工期的地下涌水太大，可采用灌漿減小水流量。襯砌設(shè)計(jì)應(yīng)能承受一定比例的外水壓力，因?yàn)榕潘疅o(wú)法將壓力減小到零，而且排水管存在被堵塞的可能性。采用適當(dāng)?shù)呐潘胧┖?，設(shè)計(jì)外水壓力可采用低于25%的全部壓力或相當(dāng)于三倍洞徑的水柱高度。外水壓力 張有天隧洞設(shè)計(jì)三原則(1) 隧洞的外水荷載是作用于地下水位以下整個(gè)空間的滲流場(chǎng)力(2) 應(yīng)按滲流荷載增量理論分析隧洞應(yīng)力(3) 襯砌與圍巖有條件地聯(lián)合作用外水壓力 工程事例1.由于有強(qiáng)滲透的含水層、裂隙水、強(qiáng)地表水補(bǔ)給，造成圍巖穩(wěn)定條件惡化，引起局部失穩(wěn)：電站炭質(zhì)頁(yè)巖段隧洞，施工中遇到地下水，巖體軟化，圍巖失穩(wěn)，冒頂大坍方。

14、外水壓力 工程事例2. 因排水失效導(dǎo)致襯砌破壞美國(guó)TaumSank壓力隧洞，設(shè)計(jì)水頭263m，鋼襯直徑5.6m，運(yùn)行四年后檢查發(fā)現(xiàn)鋼襯壓屈，進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)外排水系統(tǒng)被碳酸鹽類(lèi)物質(zhì)堵塞，外水壓力使鋼襯壓屈所致。外水壓力 工程事例3. 因施工質(zhì)量差在放水時(shí)受外水壓力作用襯砌破壞羊卓湖抽水蓄能電站，位于海拔4000m以上的青藏高原，引水隧洞長(zhǎng)5889m，D=2.5m，混凝土襯砌0.30.5m，深埋（50450m）于淺變質(zhì)巖中，放水速度較快，發(fā)現(xiàn)上水平段混凝土襯砌開(kāi)裂脫落，混凝土蜂窩麻面，內(nèi)混模板、雜物，鋼筋未綁扎，最后將2.7km混凝土襯砌段全改為鋼襯。外水壓力 工程事例4.因內(nèi)水外滲受外水壓力作用

15、襯砌破壞劉家峽1#機(jī)組引水發(fā)電隧洞， 砼裂縫形成內(nèi)水外滲，高壓水沿著鋼管與圍巖間的縫隙作用在鋼管上，使鋼管變形、壓屈，形成鼓包，變形失穩(wěn)。Bath Countny抽水蓄能電站，二條平行的混凝土襯砌隧洞和壓力鋼管，設(shè)計(jì)水頭395m，洞徑5m。1985年建成，當(dāng)1#隧洞充水試驗(yàn)時(shí)，由于混凝土襯砌開(kāi)裂，內(nèi)水外滲，使2#壓力鋼管鋼板襯砌壓屈。外水壓力對(duì)有地表水強(qiáng)補(bǔ)給的沖溝，一是容易造成圍巖失穩(wěn)，二是施工期外水內(nèi)滲，工程上處理很困難，運(yùn)行期的外水壓力可能較大。 支護(hù)設(shè)計(jì)根據(jù)防滲要求，隧洞襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可分為抗裂、限裂和不限制裂縫寬度設(shè)計(jì)。() 圍巖抗?jié)B能力差，內(nèi)水外滲造成的危害，應(yīng)提出嚴(yán)格的防滲要求；()

16、 圍巖具有抗?jié)B能力，內(nèi)水外滲可能造成不良地質(zhì)段的局部失穩(wěn)，宜提出一般防滲要求；() 圍巖具有較好的抗?jié)B性，內(nèi)水外滲不存在滲透失穩(wěn)和環(huán)境破壞問(wèn)題，可不提出防滲要求。支護(hù)設(shè)計(jì) .不襯砌與錨噴支護(hù)不襯砌與錨噴支護(hù)的設(shè)計(jì)，一般宜按工程類(lèi)比法，對(duì)于直徑（跨度）大于的隧洞，尚應(yīng)輔以理論計(jì)算和監(jiān)控量測(cè)。、類(lèi)圍巖，隧洞的直徑（跨度）不大于時(shí)宜不支護(hù)，時(shí)宜采用噴混凝土支護(hù)，大于的隧洞，宜采用錨噴聯(lián)合支護(hù)，遇有局部不穩(wěn)定塊體時(shí)，應(yīng)采用錨桿加固。、類(lèi)圍巖可采用錨噴、掛網(wǎng)或鋼排架等聯(lián)合支護(hù)，類(lèi)圍巖必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行襯砌。不襯砌隧洞，必要時(shí)可設(shè)置不承載（平整）混凝土襯砌。支護(hù)設(shè)計(jì) 2. 混凝土和鋼筋混凝土襯砌2. 混凝土和鋼

17、筋混凝土襯砌支護(hù)設(shè)計(jì) 3. 預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌對(duì)于防滲要求較高的隧洞，鋼筋混凝土襯砌難以滿(mǎn)足防滲要求，采用預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌。 (1) 壓漿式預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌用灌漿方法來(lái)產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力的混凝土襯砌，我國(guó)白山工程；支護(hù)設(shè)計(jì) 3. 預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌(2) 環(huán)錨式預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌用機(jī)械方法產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力環(huán)錨式襯砌分有黏結(jié)后張預(yù)應(yīng)力和無(wú)黏結(jié)后張預(yù)應(yīng)力，小浪底工程采用了后張法無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌，清江隔河巖和天生橋采用后張法有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力襯砌。有黏結(jié)后張預(yù)應(yīng)力有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力，必須考慮由于摩擦引起的應(yīng)力降低，早期的設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)外大都采用了有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌，并相繼投入運(yùn)行。有黏結(jié)后張預(yù)應(yīng)力技術(shù)，預(yù)埋波紋管堵塞現(xiàn)象嚴(yán)重，張拉時(shí)斷絲和滑絲時(shí)有發(fā)生，施工程序復(fù)雜，結(jié)構(gòu)應(yīng)力不均勻，易引起混凝土裂縫。無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)，鋼絞線(xiàn)分別放入充滿(mǎn)油脂的套管內(nèi)，并逐根均勻分布在隧洞襯砌內(nèi)。由于摩擦系數(shù)的減小，提高了預(yù)應(yīng)力的效率，減少了錨具槽附近的應(yīng)力集中和節(jié)省了工程量。小浪底工程實(shí)踐，采用無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力較原有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力可節(jié)省約的錨具和相應(yīng)的工程量。無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌具