（水利工程专业论文）输水隧洞工程锚喷设计技术研究及应用.pdf

中文摘要 本文以辽宁省引兰入汤输水工程输水隧洞为例，重点研究了隧洞锚喷支护设计的若 干关键技术问题。全文共分为四部分。 第一部分主要论述了输水隧洞工程建设的基本情况，并对输水隧洞锚喷设计基础理 论和施工原则了概括性的提炼与总结。 第二部分以辽宁省引兰入汤输水隧洞为例进行锚喷设计研究，着重介绍施工设计过 程中遇到实际问题的解决方案。 根据输水隧洞穿越的不同地层、地质条件，采用工程类比、弹塑性理论分析等分析 方法，针对i i i 类以上围岩段、浅埋土洞段、软弱破碎围岩段等不同部位分别锚喷支护 施工设计。 并根据工程特点，有针对性的布置旌工监测断面和监测项目，旋工监测分析结果说 明锚喷支护可以有效抑制围岩变形，保持围岩成洞稳定。 在研究隧洞欠挖段处理时，根据锚喷隧洞运用要求兼顾施工现状，通过建立对比模 型，运用理论技术对比、经济技术分析，提出了采用补喷混凝土旌工技术，调整喷层混 凝土表层起伏差，降低锚喷输水隧洞的糙率系数，提高隧洞过流能力，计算并预测本工 程锚喷隧洞糙率，并提出合理的控制措施。较好的解决了锚喷隧洞工程经常面临的欠挖 问题。 根据本工程多年运用，证明该解决方案是可行的，为锚喷隧洞设计打开一种新思。 第三部分结合引兰入汤输水隧洞面f 临的支护设计方法及支护型式、遇到地质问题的 处理、施工设计中应特别注意的事项等问题进行研究。 第四部分对整个论文进行了总结，并对隧洞锚喷设计发展前景进行了展望。 关键词：输水隧洞：锚喷：技术：研究 a b s n 曩c t b a s c do n 廿圮d e s i 弘o fd i v e r s i o nl a n 剐v e rt o t 肌gm v e rw a t e rc o n v e y a i l c e p r o j e c t ，l i a o n i n gp r o v i i l c e ，t l l i sp a p e rd e a l sw i 血s c v e 蹦t e c l l j l i q u eq u e s t i o l l so fn m n e l 锄c h o r i n j e c t i o nd e s i g t l ，缸d - tc o n s i s t so f f o u fp a r t s p a r ti ：d i s c u s s e s 吐圯b a s kc o n d 做o n so f c o n v e yt i 】n n e l s ，a i l d 吼m 埘曲r i z e st h eb 船i ct h a 幽o f d e s i g na 1 1 dc o n s t n l c t i o np r i i l c i p l e s + p a r ti i ：b a s c do n 也ec o n v c yt 吼n e lf o rd i v e r s i o nk mf i v e rt o 噩m gr i v e ri 1 1l i a 伽血gp r o v i i l c e ， p a m c u l 矾yi n 仃o d u c e st l l e s e t t l em e a g u r e so ft l l c p r o b l c m sw h i c hm a yb em c td 缸n g c o n s m l c t i o na n d d 盆s i g n p m j e c ta 1 1 a l o g ya i l de l a s t o p l a s t i ca n a l y s i sa r el l s e da c c o r d i n gt od i 虢r e n ts t r a t l l l n sa n d g e o l o g i c a lc o n d i t i o n sw h i c ht h ec o n v e yt i l 衄e l 、i up 孵sm r o u g i la r l c h o ri 坷e c t i o ns h o u l db e l l s e ds e p a m t e l ya c c o r d i n gt od i 廿b r e tp a n ss u c ha si 舯d ea n da b o v er o c km a s sz o n e ， l o 、v - l y i n gs 0 i lz o n e ，锄dw e a ：ka n dc r a c k e dz o n c a c c o r d i r t gt ot h ec h a r a c t e i s t i co fm ep r o j e c t ，c o n s t n j c t i o nm o n “o rc m s ss e t i o n sa n d c o m e n t sw e r el a y e do u tp e n i n e n u y ，t t l em o n j t o rr e s u n ss h o w e dt h a ta n e ra i l c h o r e c t i o n s u p p o r t ，m ed e f o m a t i o no fs u n d u n d i n gr o c k sc a l lb er e s t r i c t e de m c i e n t l y ，a n dt h e 慨1w 嬲 s t a b l e w h e n 咖d i e s 也e 衄d e r d i gz o n eo f t l l et 1 1 r m e l ，a c c o r d i n gt ot l l et 1 1 衄e lu t i l i z a t j o nr e q u e s t a n dp r e s e n tc o n s m j c t i o ns i t u a t i o n ，t i l r o u 曲t h ee s t a _ b l i s h m e n to fc o n 衄_ a s tm o d e i s ，t h et h e o r y t e c h n o l o g yc o n n a s t ，a n d 廿l ee c o n o i n i c a la i l a l y s i s ，t t l i sp a p c fp u tf o r v v a r dt l l et e c h n o l o g yo f s h o t c r e t e ，w 1 1 i c hr e d u c e st l l ec o e f f i c i e n to fr o u g l l i l e s so f l en l i l 】lb ya 由1 l s t i n gt h ed e g r e eo f i r r e g l l l a r i t ) ，o ft 1 1 ec o n c r e t es l l r 】沁e ，a n de n h a n c e st h cd i s c ：h a r g ea b 王i t yo ft i l 衄e l - a n dt l l i s p 印e ra l s oc a l c u l a t e da i l df o r e c a s t e d 廿1 ec o e f f i c i e mo fr o u g h i l e s so ft h et u n i l e l ，a i l dp r 叩o s e d t h er e a s o n a b i e n t r o im e a s u r e s t h u s ，t h ep r o b i e mo fu f l d e r d i g i n gw i l i c hw a s 行e q u c m i ym e t d u r i n gt h ec o n s t n l c t i o no fa i l c h o ri n j e c t i o nt u r l n e lc a nb ew e l ls o l v e d i ti sp m v e dm a tt h em e a s u r e sa r ef e a s i b l e ，a n di t 百v e sa n e w 、抛yt ot h ed e s i g i l p a ni ：b a s e do nd i v e r s i o nl a l l 融v e rt o 胁g 硒v e rc o n v e yt u 肌e lp r o j e c t ，s p e c i a ls t u d i e s w e r ec 秭e do u to nt 1 1 ep m b l e m ss u c ha st h ew a y 卸dp a t t e mo ft h es u p p o r t ，b a dg e o l o g i c a l c o n d i t i o n s ，a n di s s u e ss h o u l db ep a y e ds p e c i a la n e n t i o nt od l l r i n gt i l ec o n s t m c t i o n p a ni v ：s u r m 撕z e st l l cw h o l ea r t i c l e ，a l l dg i v e st h ep e r s p e c t i v eo ft l l ea n c h o r e c t i o n d e s i g nf o rw a t e rc o n v e y a n c et u n n e l k e yw o r d s ：c o n v e yt u m l e l ；a n c h o ri n j e c t i o n ；q u e s t i o n ；r e s e a r c h 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实， 本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：整理乙动年g 月c p 日论文作者( 签名) ：2 复匕砌年占月c 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。 论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 输水隧洞工程锚喷设计技术研究及应用 绪论 第一章绪论 1 1 输水隧洞工程建设概况 1 1 1 国外输水隧洞工程建设 根据资料记载，世界上首例采用隧道进行城市输水工程建于公元前3 世纪，当时的 古罗马采用拱券技术筑成隧道、石砌渡槽等城市输水道1 1 条，总长5 3 0 k m 1 】，揭开了输 水隧洞设计及旆工的序幕。 ? 1 8 2 5 年，英国首次使用盾构开凿泰晤士河河底隧道，标志着机械化施工的开始。由 于采用机械化施工，可以完成许多超大规模的隧洞田，施工进度达到很大提高。 已建工程中，建成于1 9 8 2 年的芬兰佩扬奈隧洞，为已知的最长隧洞，长度达1 2 0 k m ； 目前隧洞的最大断面为4 5 0 m 2 ； 施工最高月进尺达2 0 0 0 m 。 由于各国经济发展、科技及工程技术水平发展的不均衡性，各国隧洞工程建设有一 定差异。 1 1 1 1 俄罗斯 俄罗斯建成的最长隧洞是阿尔巴河向谢万湖引水的引水隧洞，长3 0 k m ；最大的隧 洞断面达2 9 0 m 2 ；罗贡水电站泄洪洞的断面尺寸为1 4 1 8 m ，水头3 0 0 m ，泄洪流量 3 5 0 0 m 3 s 【3 】。 隧洞断面型式，除有压隧洞外，多采用城门洞型。 规范中结构按允许开裂或在抗裂强度分析中按极限理论设计，考虑在各种荷载综合 作用下衬砌和围岩联合受力。 隧洞开挖施工中，稳定岩体中基本上采用钻爆法全断面掘进或上导坑阶梯式掘进， 宽1 5 2 0 m 和高8 1 0 m 以下多采用全断面一次掘进。洞高超过2 0 m 时，可相继分成 若干个台阶开挖。软弱洞室开挖中，进行喷锚支护。小断面隧洞采用自动推进式钻车出 渣，大断面隧洞采用7 2 5 t 的自卸卡车运输。 1 1 1 - 2 挪威 挪威曾于1 9 2 2 年就修建完成了伦达恩引水洞，该隧洞断面为4 3 m 2 。长度达2 8 5 k m 【4 j 。 可见该国家建造隧洞工程悠久的历史和丰富经验。 由于该国所处区域的岩石坚硬完整，地质条件优越，且有大量科学试验资料作为依 据。因此，设汁中强调工程经验，1 i 迷信理论分析，认为对已建工程的大量调查、统计 和分析，就等于进行原型试验。而且，从经验或科学意义上讲，工程实践结果无疑是正 确的，倒是有些理论分析结果却往往与工程实践有很大差别。根据地质条件和岩石质量， 对需要加固的围岩将分别情况进行支护，固定小块岩石和不良地质结构的围岩，一般用 喷混凝土；固定危岩和防j f 岩爆，使用锚杆；固定较大的松动岩石，使用灌浆锚杆；加 同直径小于0 5 m 的破碎围岩，持钢筋网喷混凝土；加网断层和破碎带，采用混凝土或 一1 一 输水隧洞工程锚喷设计技术研究及应用绪论 钢筋混凝土衬砌。 1 1 1 3 奥地利 奥地利在隧洞工程设计中，采用“经验尺寸”设计法，即衬砌和支护的设计均建立在经 验基础上，并认为这种设计方法较高深的数学分析方法优越。他们非常重视隧洞工程中 实际存在的岩石力学问题，并通过实践形成一套独自的设计方法，既所谓的“新奥法5 1 。 1 1 2 国内输水隧洞建设概况 中国作为具有悠久历史的文明古国，隧洞的建设施工在世界发展史上有一定的地 位。上世纪6 0 年代以前，隧洞开挖以手风钻钻孔爆破为主，对较大断面隧洞采用化大 为小进行施工，机械化程度低，施工速度慢。 由衬砌混凝土支护发展演变为锚喷支护起始于上世纪6 0 年代，1 9 6 3 年试制成喷射 混凝土，隧洞支护开始采用锚喷支护。 7 0 年代开始到1 9 8 5 年，渔子溪一级电站、白山电站、西洱河一级电站等工程的兴 建，采用光面爆破，锚喷支护作为永久衬砌，使我国输水隧洞工程在设计、施工进入了 一个新阶段。 据统计在已建的输水隧洞工程中： 最长的输水隧洞为辽宁省大伙房输水隧洞，隧洞长8 5 3 1 m 【6 】； 最大洞径的输水隧洞为天生桥二级引水隧洞，d = 1 0 _ 8 m ； 最大断面的导流隧洞为二滩导流洞，城门洞型，宽1 8 8 m ，高2 3 m ； 圆形有压的最大隧洞为三门峡排沙洞，隧洞直径l lm 泄洪流速最大隧洞为刘家峡泄洪洞，流速为4 0 4 5 m s ； 泄洪流量最大隧洞为龙羊峡泄洪洞，流量为3 8 0 0 m 3 s 7 】o 目前隧洞的施工开挖方法，除常规采用的钻爆法外，已有较先进的凿岩机和全断面 掘进机，虽与国外先进技术比较，掘进速度，施工管理尚有落后之处，但在隧洞的建设 规模上也达到一定的水平。 1 2 输水隧洞支护设计与施工方法 1 2 1 隧洞支护设计方法 隧洞设计中，采用的支护设计方法有三种。 ( 1 ) 经验法 以工程类比为基础，是隧洞围岩支护中确定支护参数的主要方法。 ( 2 ) 理论分析方法 根据隧洞边界条件，以理论分析计算为基础方法，这一方法可以对支护设计进行理 论论证和校核。 ( 3 ) 监测法 以现场观测为依据的方法，l j 以根据量测信息修改艾护参数，取得最终没计。 输水隧洞工程锚喷设计技术研究及应用绪论 在支护实际设计过程中，三种设计方法是互相渗透、互相补充的。 1 2 2 隧洞工程旋工方法 隧洞工程开挖主要有钻爆法和掘进机施工方法，目前以钻爆法为主。 1 2 2 1 钻爆法 ( 1 ) 作业方式和施工方案 隧洞施工的作业方式主要有：流水作业、平行作业、交叉作业和平行导坑等几种。 随着施工机械的发展，施工技术和支护技术的提高，隧洞开挖施工越来越趋向于采用流 水作业方式。 施工方案主要有：全断面施工、台阶法施工和分部施工。 全断面施工是全断面开挖、全断面一次浇筑或全断面开挖、先浇底板( 拱) 后浇边 项拱或先浇边顶拱后浇底板( 拱) ； 台阶法施工，一般是先开挖顶部，并进行混凝土衬砌，再开挖下部进行边墙和底板 混凝土衬砌； 分部施工是根据围岩稳定情况，分层分块进行开挖和衬砌。 ( 2 ) 施工支洞设置 长隧洞或隧洞工程影响总工期时，常设置施工支洞以增加工作面。施工支洞的设置 数量依据隧洞长度、工期、地质条件、地形条件、机械性能及配套设备的生产能力等因 素综合分析确定。旖工支洞一般l 1 5 k m 设置一个，随着施工机械的发展，支洞间距 也随着增加。在鲁布革9 3 8 2 m 引水隧洞设计中，仅布置3 条施工支洞，最大单向掘进工 作面长达3 6 6 6 m 【8 1 。 施工支洞布置形式多为平洞，在受地形条件限制时，也可以采用斜井和竖井型式， 斜井式施工支洞倾角不大于2 5 。【9 l 。 ( 3 ) 隧洞进出口开挖 洞脸边坡开挖 边坡开挖按设计开挖线自上而下分台阶进行。为减少对岩体的破坏和保证开挖规 格，施工中多采用预裂爆破或预留保护层，预留保护层按光面爆破进行开挖。 进出口开挖 隧洞进出口开挖方法根据围岩条件和洞跨大小确定，多采用全断面开挖方法，采取 浅孔、弱爆破、及时支护或浇筑混凝土锁口。洞口节理裂隙发育时，在洞口开挖线以外 打超前锚杆或管棚，然后边开挖边支护；若洞口段岩石较破碎、裂隙发育或因地质构造 稳定性筹时，采用预锚固、预注浆等加固方法，然后采取先导洞后扩大、分部开挖、先 墙后拱等施工方法。 ( 4 ) 隧洞开挖方法 全断而丌挖 一 一 输水隧洞工程锚喷设计技术研究及应用绪论 隧洞直径在l o m 以下，有条件时采用全断面一次开挖成型。 台阶法开挖 洞径或洞高在1 0 m 以上，基本上采用自上而下分台阶开挖。顶部高度一般为6 8 m ， 根据隧洞宽度和围岩类别采用全断面掘进或先开挖中导洞后扩两侧的方法。对稳定性差 的围岩，先开挖两侧导洞，中间岩体作为支撑，然后边开挖中间岩柱边进行混凝土衬砌； 下部扩挖采用沿边线预裂爆破中间梯段爆破或两侧预留保护层、中间梯段爆破。对稳定 性差的地段，采取中间拉槽，然后边开挖、边支护、边衬砌的方法。 钴孔爆破 隧洞开挖已普遍采用光面爆破和预裂爆破技术，使开挖面平整，隧洞围岩承载条件 好，减少超挖，减少对围岩的震动。 ( 5 ) 通风与除尘 通风与除尘是排除炮烟、粉尘及有害气体，改善施工环境，缩短循环时间，加快旋 工进度的重要工序。 目前，大型隧洞独头通风距离已超过3 6 k m ，中小型隧洞通风距离达5 3 k m 。 ( 6 ) 支护 在隧洞旖工中，适时支护既可以通过支护给围岩提供支护力，又可以通过支护与围 岩的共同作用，控制围岩变形，调整和改善围岩应力状态，发挥围岩的自承能力，达到 洞室稳定的目的【10 1 。 喷锚支护由于具有良好的力学性能和工作特性，已在隧洞施工工程中得到广泛的应用。 1 2 2 2 掘进机开挖 ( 1 ) 掘进机的发展情况 上世纪5 0 年代欧美及日本设计制造了掘进机，并在实际工程中获得较好的效果， 尽管制造成本很高并存在某些技术问题，但发展还是很快。 从上世纪6 0 年代开始，我国采用掘进机开挖隧洞，经历了科研、实验、应用等几 个阶段，先后在西洱河一级电站、引滦工程中的新王庄隧洞、古人庄隧洞、天生桥二级 引水隧洞、引大入秦盘岭隧洞等工程应用，取得很大成绩，丰富了我国在长隧洞施工中 采用掘进机开挖经验。 ( 2 ) 不同断面所采用的开挖方法 圆型断面一次成型 根据断面大小选用掘进机一次开挖成型，一般用于直径2 7 m ，中小断面的隧洞。 圆型断面多次成型 在较大隧洞开挖中( 如洞径1 0 5 m ) ，先用直径3 5 m 掘进机分两次用两套刀盘扩大， 扩大到7 6 m 后，再扩大到1 0 5 m 。 导洞扩人法 一d 一 输水隧洞工程锚喷设计技术研究及应用 绪论 在较大隧洞开挖中，先用掘进机开挖中央导洞，再用钻爆法扩大开挖。 非圆形断面一次成型 通过研制新型掘进机，可一次开挖矩形或拱形断面。 1 3 国内外隧洞支护设计技术进展 1 3 1 国外隧洞支护设计技术进展 地下工程支护结构理论的发展至今已有百余年的历史，它与岩石力学的发展有着密 切联系。地下工程支护结构理论的一个重要问题是如何确定作用在支护结构上的荷载。 因此，支护结构理论的发展离不开地压理论或围岩压力理论的作用。 支护理论的发展可以分为三个阶段。 1 3 1 1 古典山岩压力理论 上世纪2 0 年代以前主要是古典的压力理论阶段。这种理论主要是基于一些简单的 假设。 按照这类理论认为隧洞顶部的压力为上覆岩石的重力，所以也可称为自重力理论。 代表性的有亥姆、朗金、金尼克三种理论学说，他们对洞顶铅直压力的说法是一致 的，但对于隧洞水平压力的认识不一。 亥姆认为侧面的水平压力值等于上覆岩石的自重力。 朗金从土力学的观点出发，认为侧面的水平压力值等于上覆岩石的自重力乘以系数 t 9 2 ( 4 5 。一币2 ) ，甲为岩体的内摩擦角。 金尼克则从弹性力学的观点出发，认为侧面的水平压力值等于上覆岩石的自重力乘 以系数( 1 p ) ，为岩石泊松比。 多年的理论研究和实践证明，这类理论在绝大部分情况下是不适用的，只反映出岩 体的初始应力状态。 1 3 1 2 松散体理论 上世纪2 0 年代6 0 年代的松散体理论阶段。这种理论主要是把岩体视作松散体， 认为作用在支护结构上的荷载是围岩塌落拱内的松动体重量。 代表性的有太沙基、毕包尔、普氏三种理论学说。 太沙基根据洞顶水平土体下沉与侧面摩阻力的平衡关系，求得洞顶矩形塌落体的塌 高为h - “( n t 卿) ，a 为隧洞跨度的一半，p 为岩体的内摩擦角，n 为侧向压力系数。 毕包尔认为洞顶塌落体为三角形断面，最大塌高为h = 砒g 币。 普氏理论根据松散体颗粒在洞顶平衡关系求得塌落体的最大高度为h = “f n ，矗为普 氏系数。 根据最大塌高的计算公式，三种说法是大唰小异的。 太沙基及毕包尔在计算中直接用妒，这是明确的力学指标。但说塌落体是矩形或i 角形的是不符合实际的。 一一 输水隧洞工程锚喷设计技术研冤及应用绪论 1 3 1 3 锚喷支护理论 上世纪6 0 年代前后发展起来的支护与围岩共同作用的现代支护理论。这种理论一 方面是由于锚喷支护等现代支护形式的出现，保证了围岩不发生塌落，维持岩体稳定： 另一方面是由于岩体力学的发展。两方面的融合发展，形成以岩体力学原理为基础，以 锚喷支护为代表，考虑支护与围岩共同作用的现代支护理论。 早期代表性公式是芬纳尔一塔罗勃公式和卡斯特奈公式，给出围岩的弹塑性解答。 随着电子计算机的发展而建立起来的有限元、边界元数值解法，至今己成为锚喷支护计 算的主要手段。7 0 年代末，樱井春铺提出基于现场量测的分析计算方法，由于该计算方 法适应地下工程特点，成为锚喷计算的主要方法。 锚喷支护的理论设计方法，最早由奥地利拉布希维兹提出，又称为“新奥法”。 该方法的基本观点是：围岩是隧洞的承载结构的主要部分，支护仅是给岩石承载能 力不足的帮助。洞挖应减少对岩石反复的扰动和过多的破坏，应尽量保持围岩原有的强 度。围岩作支护，在于恢复原有的侧向约束，保持岩体处于三维应力状态。选用最佳的 支护方式，支护时间要适宜，支护刚度要适中。支护与岩石要全面紧密的接触，通过最 终支护使整个系统保持稳定。支护要沿隧洞四周进行，宜薄不宜厚，通过排水释放渗透 水压力，整个结构设计都要通过现场观测逐渐完善。 基本要点有如下内容： ( 1 ) 一切方法、手段和措施都要紧紧围绕维持围岩稳定为目的。 ( 2 ) 将支护与围岩视作统一的复合体，并考虑支护与围岩的共同作用。 ( 3 ) 在“围岩一支护”体系中，围岩是承载的主体，要最大限度地利用和发挥围岩的 自承自稳能力，而把支护作为加固和稳定围岩的手段。 ( 4 ) 充分发挥支护的承载能力。 ( 5 ) 凭借现场试验和监测手段，划定围岩类别等级，获得有关力学参数。了解与掌 握“围岩一支护”体系的力学动态，指导设计施工。 ( 6 ) 对不同地质构造条件的围岩，采取不同的设计方法、支护方式。 ( 7 ) 在设计和施工过程中地质勘测、设计、施工及旋工监测必须紧密结合、相互制 约、相互联系。 锚喷理论是基于上面几条要点的和谐体，适用于任何种支护系统。由于锚喷支护 同时具有向洞壁提供均匀连续的约束力并能及时掌握支护操作时机的两大特点，因此， 只有采用它，这些原理才能更好地加以利用。在工程施工中，既要遵循上述原则，同时 由采用锚喷支护的型式，才能得到原理与手段的统一。 1 3 2 国内隧洞支护设计技术进展 普氏理论于i i 世纪5 0 年代传到我国，在理论和实践中存在一些严重的问题： 普氏理论将岩体看作为松散体，其假没不符合大部分岩体的特性，实际上，只有断 6 输承隧洞工程锚喷设计技术1 开究及应用绪论 层破碎带或强风化岩才接近松散体。 在我国输水隧洞设计工作中，依据岩石性质、断裂发育情况、地下水发育情况，确 定矗值，并且创造一些反映实际经验的做法，在设计、施工中起了应有的作用。 我国从1 9 6 3 年在陆浑水库增建泄洪洞施工中，开始研究采用控制光面爆破，使用 毫秒雷管爆破技术进行较正规的爆破设计，并根据开挖岩石情况，进行支护设计，在水 力水电工程中率先采用锚杆支护。 锚喷作为稳定围岩的支护手段，经过几十年的应用，在输水隧洞工程将施工设计引 入了一个新阶段。 在这里要特别提及具有特殊意义的黄河小浪底工程。 黄河小浪底水利枢纽工程位于多沙的黄河上，安装6 台单机容量为3 0 0 m w 的水轮 发电机组，6 条发电进水口与泄洪排沙灌溉进水口布置在一起，组成一座长2 6 7 9 m ，宽 5 2 8 7 0 m 、最高为1 1 3 m 的综合进水塔群，集中布置在左岸的风雨沟内东侧。剖面上成 台阶状、一字形排列设置了3 座明流泄洪洞进水塔、3 座有压泄洪洞进水塔、3 座发电 排沙排污进水塔和l 座灌溉进水塔，l o 座塔内布置有1 6 条隧洞，再加上3 个导流洞的 进口，共1 9 个洞口，洞径为3 1 4 ，5 m ，加上地下厂房，共计1 0 6 个洞室，地下开挖量 2 6 6 万m 3 ，形成上下重叠纵横交错的蜂窝状洞群，结构复杂、工程巨大，是目前世界上 最大和最复杂的地下工程】。 该工程的设计和施工，标志着我国水力隧洞建设达到新的高度。 1 4 本文主要工作 由于锚喷支护工艺本身的原因，使其具有施工工艺简单、支护及时迅速等优点，同 时由于喷射混凝土的早强和紧密粘贴性能，因而可保证支护的及时性和有效性，在输水 隧洞工程支护设计中得到广泛的应用。 本文针对辽宁省引兰入汤输水隧洞锚喷支护施工设计过程中遇到的各种问题，研究 不同围岩地质条件下的支护型式。特别是针对锚喷支护断面施工中遇到的隧洞断面欠挖 问题，展开深入研究，并进一步确定锚喷隧洞混凝土表层起伏差和隧洞当量粗糙度关系。 提出通过采用补喷混凝土施： 技术，调整喷层混凝土表层起伏差，降低锚喷输水隧洞的 糙率系数，提高隧洞过流能力从理论和实践中均是可行的。计算并预测本工程锚喷隧洞 糙率，并提出合理的控制措施，较好的解决了欠挖问题。 结合工程实际对整个设计过程中面临的支护设计的方法及型式、遇到地质问题的处 理、施工设计中应特别注意的事项等问题进行研究。 该工程经过多年运用，满足施工要求，可为其他类似工程断面设计提供了工程经验。 输水隧洞工程锚喷设计技术研究及应用辽宁省引兰入汤输水隧洞锚喷设计研究 第二章辽宁省引兰入汤输水隧洞锚喷设计研究 2 1 辽宁省引兰入汤工程 引兰入汤工程是为解决辽宁省鞍山市城市工业及生活用水，以缓解鞍山用水紧张状 态，满足日益增长的用水需求，同时可以提高兰河水资源利用率的跨区域调水工程。 工程主要建筑物包括冲砂闸、溢流堰、护岸工程、进水闸及隧洞、出口尾水渠道等。 本工程土方开挖3 0 9 万m 3 ，石方明挖1 5 1 万m 3 ，输水隧洞( 含施工支洞) 洞内岩石开 挖8 6 6 万m 3 ，土方填筑3 8 3 万m 3 ，砌石1 5 7 万m 3 ，喷射混凝土0 7 6 万m 3 ，混凝土 2 1 8 万m 3 ，钢筋6 0 0 t 。工程总投资为7 7 0 0 万元【1 2 1 。 工程从项目建议书、可行性研究、初步设计到施工图设计都在1 9 9 5 年完成，并于 1 9 9 5 年汛后开工。1 9 9 7 年7 月1r 全线贯通，1 9 9 8 年5 月工程完工并引水试运行，1 9 9 8 年9 月1 8 日通过省计委验收，整个工程被评定为“优良”【”】。 “引兰入汤引水工程设计”获得2 0 0 年辽宁省建设厅优秀设计一等浆。 2 1 1 修建该工程的必要性和可行性 2 1 1 1 必要性 鞍山市位于辽宁省中部平原区。东、北与辽阳市接壤，南与营口市为邻，西与盘锦 市相接，下辖两县、一市、4 区，是鞍山地区的经贸文化中心，是我国重要钢铁基地， 称为“钢都”，目前已成为全国2 0 个大城市之一，城市人口1 3 3 4 万人，工业企业有1 7 0 0 余个，年创产值1 7 9 5 1 亿元( 不含鞍钢) 。以于山风景区为龙头的旅游业成为牵动全市 经济发展的新产业，近几年国民经济保持了较快的增长。随着改革开放的深入，鞍山市 高新技术开发区建设已见规模，市政和公用事业发展迅速，每年竣工住宅面积约1 0 0 万 m 2 ，极大地改善了市民的居住条件。但由于水资源匮乏，城市供水形势异常紧张，严重 缺水已经成为制约经济与社会发展的主要因素。 鞍山市城市供水存在的主要问题是：水量不足，特别是生活用水严重缺乏，部分地 区定时供水；水质欠佳，水压上不去。 当时只有靠定时给水，限制给水等措施安排供水。 由于水源不足，全市大部分地区实行定时供水，居民意见很大；水质较差，影响居 民的身体健康；水压不足，至使高层楼房上不去水，严重影响了城市居民生活水平的提 高，制约了城市发展。 单靠现有水源二r 程的供水水平远远满足不了城市需水要求，而且现有地下水源产水 量呈现逐年下降趋势，必须尽早尽快兴建新的水源工程，以适应城市发展的要求。 2 1 1 - 2 可行性 鞍山市境内地表水受矿山洗矿污水排放以及鞍山市污水排放，污染严重，已不可能 作为生活的水源。其境内的地f 水资源办不算丰富，向且现已全部得到开采。 北部已丌采到辽| ；| 1 市境内的首l h 南面已丌粟到海城市内的海城河附近。 一r 一 输水隧洞工程锚喷设计技术研冤及应用 辽宁省引兰入汤输水隧洞锚喷设计研究 汤河是太子河左岸较大支流，发源于辽阳市辽阳县吉洞峪乡寒家岭，河源海拔高程 5 9 9 m ，流经吉洞峪、隆昌、八汇、安平、小屯，并于小屯乡汇入太子河。该河全长9 0 9 k m ， 流域面积1 4 6 0k m 2 。流域内以山区为主，森林覆盖率7 0 。在距河源6 8 4 k m 处修建有 汤河水库。 汤河水库是以防洪、工业及城市生活供水为主，结合灌溉、养鱼、发电等综合利用 的大( 2 ) 型水库，水库总库容7 2 3 亿m 3 ，汤河水库控制流域面积1 2 2 8k i n 2 ，占汤河流域 面积8 4 ，坝址以上多年平均径流量为2 9 3 亿m 3 。 汤河水库始建于1 9 5 8 年，续建于1 9 6 9 年，1 9 7 8 年开始安全加固施工，于1 9 8 5 年 初竣工验收【1 4 】。 由于汤河水库库区植被发育，无污染源，水质为i i 类，适合作为各方面用水，水库 负责向鞍山市、鞍钢、辽阳市及辽化供水。 鞍山市汤河水库供水水源，于1 9 9 3 年7 月3 日建成，并于当年供水，取水头部原 设计能力为3 7 5 万m 3 d 【坫】，管线输水能力在2 0 万m 3 ，d ，当时汤河水库受供水能力限制， 分配给鞍山市的水量为l o 万m 3 d 。 。 兰河是与汤河相邻的太子河左岸一条一级支流，流域面积为5 1 3 7 k m 2 ，多年平均径 流量为1 6 l 亿m 3 。发源于辽阳市辽阳县水泉乡鸡爪山及八盘岭，流经水泉、甜水、寒 岭汇入葭窝水库。流径全长6 8 2 k m 。流域多年平均降水量为7 2 3 m m ，内总用水量为4 6 2 5 4 万m 3 ，水资源开发利用率为1 0 8 ，预测2 0 1 0 年流域内总需水量为6 1 6 2 9 万m 3 ，水 资源开发利用率为1 4 4 ，水资源开发利用程度较低，尚有余水可以利用【1 6 j 。 另外，太子河干流上的葭窝水库为不完全年调节水库，大部分年份有弃水。兰河水 质为i i 类，适合作为各方面用水，而流入稹窝水库即变为v 类水，只能灌溉。兰河引 水工程建成后，避免兰河优质水遭受污染，做到优水优用，符合水利产业政策。 引兰入汤工程建成后，通过年引水1 8 3 0 万m 3 ，减少汤河水库弃水，可为鞍山城市 提供3 0 2 0 万m 3 保证率9 5 的生活用水和工业用水。而在下游建设相同供水量的刁窝水 库，建设投资需要约4 亿元，而本工程设计投资仅为7 6 9 9 万元，且无土地淹没及人口 动迁，社会效益大。同时经济效益明显，国民经济评价中单方水效益1 元，每年产生3 0 2 0 万元经济效益：供水至鞍山市，每方水售价2 元，直接财务收益达6 0 4 0 万元。 为此，经鞍山市政府申请，辽宁省水利厅规划，省计委批准，修建引兰入汤工程。 2 1 2 工程主要建筑物 工程主要建筑物包括：取水枢纽建筑物及隧洞、出口尾水渠道 取水枢纽建筑物包括：冲砂闸、溢流堰、护岸 程、进水闸。 根据防洪标准g b 5 0 2 0 l 一9 4 ，确定本工程等别为i i i 等，建筑物级别：丰要建筑 物为3 级，次要建筑物4 级，临时建筑物5 级| 1 7 j 。 冲砂闸、溢流堰、进水闸、输水隧洞按2 0 年遇洪水没计，1 0 0 年一遇洪水校核。 一q 输水隧洞工程锚喷设计技术研究及应用 辽宁省引兰入汤输水隧洞锚喷设计研究 次要建筑物按l o 年一遇洪水设计，3 0 年一遇洪水校核。防护堤及出口尾水渠道防洪标 准为5 年一遇洪水设计，1 0 年一遇洪水校核。 工程区范围内地震基本烈度为v i 度。 2 1 2 1 取水枢纽建筑物 取水枢纽工程位于辽宁省辽阳市辽阳县甜水乡解家铺下游8 0 0 m 。 枢纽工程包括挡水建筑物及取水建筑物。 ( 1 ) 挡水建筑物 冲砂闸 冲砂闸设在河床左侧主河槽内，为3 孔，每孔各设一扇平面定轮钢闸门，启闭设备 选用q p q 型手电动两用式固定卷扬式启闭 机，冲砂闸每孔净宽4 0 0 m ，共1 2 o o m 。 冲砂闸底板高程为v 2 1 9 4 0 m ，闸墩顶高程 为v 2 2 5 0 0 m ，闸底板厚1 2 0 m 。其上游设 铁丝石笼铺盖长1 0 0 0 m ，厚o 6 0 m ；钢筋 混凝土铺盖长1 5 0 0 m ，厚o 6 0 m 。下游设 消力池长1 7 5 0 m ，底板厚0 8 0 m ；钢筋混 凝土护坦长l o o o m ，厚0 6 0 m ，铁丝石笼 海漫段长1 5 o o m ，厚0 8 0 m 。冲砂闸左侧 上下游设有钢筋混凝土导流墙，上游导流 墙总长3 0 7 0 m ，其中圆弧段1 5 7 0 m ，直线段1 5 0 0m ，墙顶高程为v 2 2 5 o o m ；下游导 流墙长4 8 2 0m ，其中消力池段1 7 5 0 m ，混凝土护坦段1 0 0 0 m ，铁丝石笼段2 0 7 0 m ， 墙顶高程为v 2 2 5 0 0 m 。检修桥设在v 2 2 5 0 0 m ，工作桥设在v 2 3 0 5 0 m ，上部设有启闭 机室。 溢流堰 冲砂闸右侧为混凝土溢流堰，两者间设有钢筋混凝土中导流墙，墙顶高程为 v 2 2 1 9 2 m 。溢流堰型式采用实用堰型式，反弧半径为3 9 0m ，挑坎高程为v 2 2 1 0 9 m 。 溢流堰体剖面总宽度为4 8 0 m ，堰顶高程为v 2 2 1 9 2m ，堰长5 2 m 。溢流堰右侧靠近右 岸段上下游设有混凝土导流墙，墙顶高程为v 2 2 2 5 0 m ，上游导流墙长3 0 m ，下游导流 墙长2 0 m 。 溢流堰右侧，刺墙插入右岸，刺墙顶长1 0 m ，底长5 m ，墙厚l m 座于基岩上。 防护堤 为保护枢纽上游两岸解家铺村镇及农田，修建防护堤。 定岸防护堤总长度为7 5 0 m 。由于河岸较低，采用修筑防护堤型式，标准断面堤顶 高程v 2 2 2 5 0 m ，堤顶宽度为4 m ，上下游边坡均为1 ：2 o ，l ：游采用0 3 0 m 厚干砌石护 一i n 输水隧洞工程锚喷设计技术研究及应用 辽宁省引兰入汤输水隧洞锚喷设计研究 坡，基础采用深1 2 m 宽为0 5 m 浆砌石护脚。 左岸防护堤总长度为7 5 0 m ，根据地形条件，z 0 3 0 0 0 z 0 5 5 0 m 段，由于河岸较低， 采用修筑防护堤型式，标准断面堤顶高程v 2 2 2 5 0 m ，堤顶宽度为4 o o m ，上下游边坡 均为l ：2 o ，上游采用o 3 0 m 厚干砌石护坡，基础采用深1 2 m 宽为0 5 m 浆砌石护脚， z o 一6 0 0 o o z 0 7 5 0 m 段，由于河岸较高，现有岸坡稳定条件好，采用护岸型式，采用修 筑浆砌石护坡型式，厚度为0 4 5 m ，坡度为l ：1 5 ，基础埋入地面下1 2 0 m 。 ( 2 ) 取水建筑物 进水闸布置在冲砂闸上游9 m ，进水闸与冲砂闸轴线成9 4 0 ，进水闸由闸室段和消力 池组成。闸室段长9 0 0 m ，闸孔宽为3 m ，闸底板高程为v 2 2 0 4 0 m ，闸底板厚1 2 0 m 。 闸孔尺寸为3 0 m 2 4 5 m ，闸前设有胸墙并设直立式拦污栅，设有一扇潜孔平面定轮钢 闸门，动水启闭，调节流量，启闭设备选用y p o l _ 2 5 0 k n 手电动两用式固定卷扬式启 闭机，进水闸可手动控制也可以自动控制，其自动控制系统由单片微机组成，可保证在 不同水位下自动调节闸门开度以保证引水流量达到预定要求，进水闸的控制及监视设于 中控室内。 闸后为陡坡段长5 m ，闸底板高程由2 2 0 4 0 m 降至2 1 9 4 0 m ，后接1 0 m 长渐变段消 力池，池深1 o o m ，消力池末端与隧洞进口相接。 2 1 2 2 隧洞 ( 1 ) 输水隧洞 本引水工程主体建筑物为引兰入汤输水隧洞，隧洞进口位于辽宁省辽阳市辽阳县甜 水乡解家铺下游8 0 0 m ，隧洞进口底高程为 2 1 9 4 0 m 。 隧洞出口位于辽宁省辽阳市辽阳县河栏乡 青风寺夕沟，出口底高程为2 1 3 3 0 m 。 隧洞为无压流，隧洞全长6 1 4 5 k m ，隧洞底 坡为1 ，隧洞设计流量为7 m 3 ，s ，圆拱直墙断 面，型式分为两种类型： 衬砌断面为( 2 5 m 2 5 m ) 底宽2 5 m ，直墙 高1 2 5 m ，拱半径1 2 5 m ，圆心角1 8 0 0 ： 锚喷支护断面为( 3 o m 2 7 0 m ) 底宽3 0 m ，直墙高1 5 5 m ，拱半径1 5 5 m ，圆心角 1 5 0 0 。 根据地形地质条件，并考虑施工支洞设置，隧洞平面布置如下： 隧洞进口接进水闸，走向为n e 7 2 0 0 7 至桩号3 + 2 8 2 7 m 拐向s e l 0 3 0 4 0 t 至桩号 4 + 9 3 3 1 m ，然后拐向s e l l 3 0 4 9 至隧洞出口，隧洞转弯处采用半径为2 5 m 的圆弧段连接。 洞线穿越的罔岩分别为二云片岩、泥质狄岩、打英岩、变粒岩、石英砂岩、页岩等。 一1 1 输水隧洞工程锚喷设计技术研究及应用 辽宁省引兰入汤输水隧洞锚喷设计研究 根据地质勘察资料，隧洞支护型式按照围岩地质条件初步分为3 类： 隧洞进出口、采用钢筋混凝土衬砌，侧墙及顶拱为4 0 0 n u n 钢筋混凝土衬砌，底板 为4 0 嘶m 钢筋混凝土。 浅埋段、断层破碎带、发育的沟谷段等、v 类围岩段，采用复合衬砌型式，侧墙 及顶拱一次支护采用锚喷混凝土1 0 0 1 5 0 l n m ，二次支护为2 5 0 3 0 0 啪钢筋混凝土衬 砌，底板为3 0 0 4 0 0 m m 钢筋混凝土。 对于围岩新鲜、完整的洞身i i i i 类围岩段，采用“新奥法”施工设计，断面进行光 面爆破，采用锚喷混凝土作为永久支护，侧墙及顶拱锚喷混凝土厚度为1 0 0 i i 姗哑，底板 现浇混凝土厚度为2 0 0 i 衄。 钢筋混凝土衬砌段与锚喷支护段设置6 m 长混凝土渐变段。 ( z ) 施工支洞 输水隧洞在崇山峻岭中穿越，洞底距地表多在2 0 0 3 0 0 m 间，为施工考虑，设置4 条施工支洞，每条支洞承担主洞作业面长度控制在2 k m 以内。 其中o 撑支洞位于输水隧洞桩号o + 0 4 3 7 8 m 处，长6 5 m ，与主洞水平交角4 5 0 ，支洞 坡比l ：1 5 ，采用平洞出渣，隧洞断面与主洞一致。该隧洞进口紧临取水枢纽，交通方便， 可以作为永久检修洞。施工完后汽车可由此洞进入主洞内检修维护保养隧洞，支洞进口 设置钢大门。 1 挣、2 撑、3 撑支洞采用斜井式，总长9 3 0 m 。施工支洞断面( 2 7 m 2 7 m ) 为底宽2 7 m ， 直墙高1 5 m ，拱半径1 3 6 m ，拱矢高l 2 m ，圆心角1 6 6 0 5 。，圆拱直墙开口式。支洞进 口全风化的、v 类围岩段带采用钢筋混凝土衬砌，侧墙及顶拱为4 0 0 m m 钢筋混凝土 衬砌，强风化带采用锚喷支护，侧墙及顶拱锚喷混凝土1 0 0 m m ，微弱风化一新鲜岩可 采用毛洞，局部锚喷。支洞内