水工隧洞布置设计

1．洞线选择水工隧洞洞线的选择，是隧洞设计中的重要环节之一；我国已建隧洞工程，由于洞线布置上的不合理和施工方法上的欠妥，而发生的事故不少。其原因：一是地质资料不足；二是水力学因素。隧洞布置隧洞布置

1．洞线选择（１）在洞线选择中都非常重视遵循洞线垂直于地质构造线或与构造线保持有足够角度的原则。一般与构造线夹角大于３０°时基本无塌方事故；２０°～３０°时会出现塌方；小于２０°时大多出现塌方事故。隧洞布置

1．洞线选择（２）层状岩体是典型的各向异性介质。在层状岩体中布置隧洞，洞轴线与岩层走向要有较大的夹角，碧口水电站在陡倾角较疏松的薄层千枚岩中开挖了４条隧洞、３条压力管道和其他各种洞室。洞轴线与岩层的夹角０°～２５°时，洞壁发生严重外鼓和倾倒；夹角２５°～３０°时，发生较轻微外鼓和倾倒；夹角大于４５°时，围岩基本稳定。隧洞布置

1．洞线选择（３）洞线布置应考虑地应力方向，例如，二滩水电站，２号、４号探洞三维地应力实测资料分析，最大主应力方向为北东３０°左右，如选取北东３０°方向为ｘ轴，北西６０°方向为ｙ轴，ｚ轴铅直向上，根据实测值算出这种位置的各种地应力参数，列于表１中。表１可以看出，两个水平应力分量相差很大，如果洞轴线选在ｘ轴方向，边墙将受到小的侧向压力，若选在ｙ轴上，边墙上将受到大的侧向压力，两者相比，后者边墙上单位面积所受的侧向压力，为前者的１．５７～３．６３倍。据此分析，并结合考虑了地质构造线方向进行了厂区洞群布置。结果开挖施工进行顺利。隧洞布置

２．隧洞埋设深度隧洞埋设深度，即洞顶以上岩体的覆盖厚度和山体岸边一侧的岩体厚度，一般统称为围岩的覆盖厚度。隧洞围岩的覆盖厚度涉及到围岩的稳定性、围岩的抗力及围岩的防渗能力等。隧洞布置

２．隧洞埋设深度2．1进、出口洞段及无压隧洞调查了１９个工程的进出口，其最小覆盖厚度均不足１．０倍的洞径，关键是采取了合理的施工程序和工程措施，其结果是减少了明挖，争取了工期。隧洞布置２．隧洞埋设深度隧洞布置

２．隧洞埋设深度2．2有压隧洞

隧洞布置

２．隧洞埋设深度２）雪山准则（如图２所示）：对于比较陡峭的地形，侧向覆盖常起着控制作用。澳大利亚的雪山准则［Ｄａｎｎｅｔａｌ，１９６４］。隧洞布置置２．隧洞洞埋设深深度隧洞布置置２．隧洞洞埋设深深度３）挪威威准则（如图３３所示））：早年，在在挪威当当压力隧隧洞地表表岩体坡坡度变陡陡时，设设计者只只是简单单地把所所需的围围岩覆盖盖厚度从从静水头头的０．．６倍增增加到１１．０倍倍。结果果导致一一些工程程的失败败。关于于经验系系数Ｆ的的取值问问题，宜宜根据围围岩情况况确定。。隧洞布置置２．．隧洞埋埋设深度度隧洞布置置２．隧洞洞埋设深深度对岩体坡坡角从００°～７０°的不同情情况使用用垂直向向准则、、雪山准准则和挪挪威准则则进行计计算比较较，雪山山准则和和挪威准准则相当当吻合，，它随着着坡角的的增加而而覆盖厚厚度增加加，垂直直向准则则覆盖厚厚度则随随着岩体体坡角的的增大而而减少。。显然挪挪威和雪雪山准则则均更合合理。国国内工程程推荐采采用挪威威准则。。F=1.10——1.50。隧洞布置置２．隧洞洞埋设深深度高压隧洞洞和岔洞洞虽满足足了覆盖盖厚度的的要求，，有时在在完好的的岩体中中仍会发发生水力力劈裂，，所以提提出对地地应力和和渗流稳稳定的要要求。隧洞布置置工程事例例洞线选择择不当由于洞线线选择不不当造成成重大损损失的工工程事例例，如：：十三陵电电站斜管管段附近近有一条条１０多多米宽的的大断层层，勘探探时没发发现，斜斜管段布布置在断断层处，，其走向向、倾角角几乎与与断层重重合，开开挖导洞洞时发生生严重坍坍方，延延误工期期数月；；隧洞布置置工程事例例洞线选择择不当引青济秦秦引水工工程中的的某段隧隧洞长约约５００００ｍ，，有近６６０ｍ洞洞段处于于冲沟沟沟底，开开挖过程程中出现现坍方，，几经处处理后仍仍控制不不住坍方方扩大，，造成地地面下沉沉，形成成直径约约９ｍ、、深１１１ｍ的通通天坍方方漏斗，，处理近近半年时时间，造造成巨大大损失；；隧洞布置置工程事例例洞线选择择不当×××电站发电电洞布置置于大坝坝左岸，，该大坝坝为定向向爆破成成坝，爆爆破烈度度达７度度～９度度，爆破破促使坝坝址区岩岩体震碎碎，卸荷荷裂隙张张开。１１９７３３年建成成后经多多年风化化，致使使原已张张开的裂裂隙进一一步风化化、松驰驰，卸荷荷带宽达达２０ｍｍ～３００ｍ。１１９８５５年开凿凿的发电电引水隧隧洞出口口段位于于卸荷带带中，１１９９１１年５月月充水出出现多处处渗水射射流。放放空检查查发现洞洞内岩体体变形、、钢管下下移，衬衬砌混凝凝土多处处拉裂，，岔管混混凝土开开裂，钢钢筋外露露，为此此不得不不另建一一条发电电隧洞。。隧洞布置置工程事例例洞线选择择不当碧口水电电站泄洪洪洞方案案比选时时曾进行行过左右右岸方案案比较，，最后因因右岸泄泄洪洞较较长而被被放弃，，结果选选定的左左岸泄洪洪洞因地地质构造造的不利利组合造造成大坍坍方，地地面坍陷陷面积达达１００００ｍ２２，坍方方段长１１８ｍ，，坍方量量约５００００ｍｍ３，工工程停工工处理达达数年之之久。隧洞布置置工程事例例覆盖厚度度不足由于最小小覆盖厚厚度不足足发生水水力劈裂裂和渗透透失稳造造成工程程事例，，如：江西蔡坊坊电站发发电引水水隧洞长长2770m，内径2.1m，设计水水头108m，衬砌厚厚50cm单筋5根20，黑云毌花岗岗岩，上覆厚厚度14m，1995.11.16下闸蓄水，12.15日充水高压水水沿衬砌和围围岩裂隙冲出出，形成泥石石流，冲毁开开关站，淹没没厂房。围岩压力１．自稳条件件好，开挖后后变形很快稳稳定的围岩，，可不计围岩岩压力。围岩变形（位位移）基本稳稳定的判别标标准参见国家家标准ＧＢ５５００８６－－２０００和和《岩土工程监测测手册》（中国水利水水电出版社１１９９８年版版）。由统计计规律看，一一般在变形小小于０．２ｍｍｍ/ｄ时可认为基基本稳定。在在有长期观测测（大于３个个月）成果时时，观测后期期全月平均小小于０．１ｍｍｍ/ｄ时认为是稳稳定的。围岩压力２．薄层状及碎裂裂散体结构的的围岩，作用在衬砌砌上的围岩压压力可按式（（６．２．４４－１）、式式（６．２．．４－２）计计算：围岩压力３．不能形成成稳定拱的浅浅埋隧洞，宜宜按洞室顶拱拱的上覆岩体体重力作用计计算围岩压力力，再根据施施工所采取的的支护措施予予以修正。围岩压力４．块状、中中厚层至厚层层状结构的围围岩，可根据据围岩中不稳稳定块体的作作用力来确定定围岩压力。。围岩压力５．采取了支支护或加固措措施的围岩，，根据其稳定定状况，可不不计或少计围围岩压力。围岩压力除与与地质条件、、隧洞开挖尺尺寸有关外，，与施工方法法、支护措施施、支护时间间有很大关系系。采用紧跟跟掌子面的喷喷射混凝土，，或根据变形形监测成果采采取及时锚喷喷支护，可控控制围岩变形形，即使在地地质条件较差差的围岩中，，也可大大减减少围岩变形形造成的压力力，但是，围围岩压力究竟竟减多少，目目前还只能靠靠工程经验和和对变形监测测的分析采用用类比法决定定。围岩压力６．采用掘进进机开挖、光光面爆破、控控制爆破可减减少对围岩的的扰动和破坏坏，可增加围围岩的自承能能力，使围岩岩在衬砌上形形成的压力减减少；可适当当少计围岩压压力。围岩压力７．具有流变变或膨胀等特特殊性质的围围岩，可能对对衬砌结构产产生变形压力力时，应对这这种作用进行行专门研究。。８．地应力在在衬砌上产生生的作用应进进行专门研究究。外水压力地下水压力是是设计最关注注的、也是很很难准确确定定的。外水压力1．外水压力折折减系数1．外水压力折折减系数的方方法隧洞的外水压压力作用一般般根据围岩的的渗透系数、、岩层结构、、地质构造、、渗流类型、、衬砌型式、、补给水源、、排水或出水水点等条件，，通过渗流计计算来确定。。但是，计算算工作量较大大，计算参数数难确定，不不现实。用结结构力学法计计算衬砌结构构时需先确定定作用在衬砌砌面上的外水水压力，然后后按面力进行行计算。鉴于于上述原因《水工建筑物荷荷载设计规范范》仍选用外水压压力折减系数数的方法。外水压力外水压力1．外水压力折折减系数外水压力折减减系数存在问问题：①在工程的前前期阶段，隧隧洞尚未开挖挖，无法取得得地下水活动动状态的资料料。外水压力力折减系数βe值在隧洞前期期勘察中难以以应用。②在隧洞施工工阶段，虽然然可以根据地地下水活动状状态判定βe值，但表中中变化区间大大，且上下不不同级别的βe值相互重叠，，取值困难，，不尽合理。。③表中没有阐阐明外水压力力与工程、水水文地质条件件的关系，特特别是与岩体体渗透性的关关系，从而不不利于工程地地质勘察的取取值。外水压力外水压力折减减系数修正和和补充《隧洞外水压力力折减系数工工程地质研究究》宋岳贾国国臣滕杰杰岩体渗透性与与外水压力折折减系数关系系地下水溢出状状态与外水压压力折减系数数关系外水压力2．排水设施当为抵御高地地下水压力而而需要增加衬衬砌厚度时，，我国的经验验是在满足有有关覆盖厚度度规定的条件件下，可采用用排水措施降降低外水压力力，但对于不不良地质洞段段应予以慎重重对待。外水压力2．排水设施对设有排水设设施的水工隧隧洞，可根据据排水效果和和排水设施的的可靠性，对对作用在衬砌砌结构上的外外水压力作适适当折减，其其折减值可通通过工程类比比或渗流计算算分析确定。。外水压力2．排水设施排水的几种主主要类型（1）在衬砌中设设置排水孔(孔径4cm~20cm)。（2）排水廊道或或排水洞，洞洞径一般1.5m到3m。（3）排水幕与排排水洞联合使使用，排水水幕可布置在在任意方向。。（4）设置辐射状状排水孔组成成排水带。多多用于地下厂厂房及无压隧隧洞。外水压力2．排水设施（5）设置排水盲盲沟，尺寸寸介于排水孔孔和排水洞之之间，常在隧隧洞底板下布布置排水盲沟沟。（6）土工织物物排水，利利用土工织物物透水性，在在隧洞岩壁上上铺成条带状状然后浇筑衬衬砌，岩石渗渗水通过土工工织物排水条条带排走。（7）高压钢管管贴壁式排水水，用槽钢钢或角钢或半半圆钢管点焊焊在压力钢管管外缘形成排排水网络。外水压力2．排水设施应注意的几亇亇问题(1)有压隧洞多采采用圆形断面面，它有较高高的抗外压稳稳定的能力，，所以在低压压隧洞中，很很少在衬砌中中设置排水孔孔。(2)有压隧洞设置置排水孔时应应注意内水外外渗。外水压力2．排水设施(3)为了阻止围岩岩中岩屑随水水带出，恶化化围岩，可在在排水孔中设设置软式透水水管。(4)当围岩中软弱弱面充填物有有被水溶解和和带走的可能能时，为保持持围岩稳定，，则不允许设设置排水措施施。外水压力EM1110-2-2901规范没有必要或没没有理由为外外水压力设计计衬砌。在施工、检修修和维修期内内，必须进行行隧洞排水。。如果施工期期的地下涌水水太大，可采采用灌浆减小小水流量。衬砌设计应能能承受一定比比例的外水压压力，因为排排水无法将压压力减小到零零，而且排水水管存在被堵堵塞的可能性性。采用适当当的排水措施施后，设计外外水压力可采采用低于25%的全部压力或或相当于三倍倍洞径的水柱柱高度。外水压力张有天隧洞设设计三原则(1)隧洞的外水荷荷载是作用于于地下水位以以下整个空间间的渗流场力力(2)应按渗流荷载载增量理论分分析隧洞应力力(3)衬砌与围岩有有条件地联合合作用外水压力工程事例1.由于有强渗透透的含水层、、裂隙水、强强地表水补给给，造成围岩岩稳定条件恶恶化，引起局局部失稳：××电站炭质页岩岩段隧洞，施施工中遇到地地下水，岩体体软化，围岩岩失稳，冒顶顶大坍方。外水压力工程事例2.因排水失效导导致衬砌破坏坏美国TaumSank压力隧洞，设设计水头263m，钢衬直径5.6m，运行四年后后检查发现钢钢衬压屈，进进一步检查发发现外排水系系统被碳酸盐盐类物质堵塞塞，外水压力力使钢衬压屈屈所致。外水压力工程事例3.因施工质量差差在放水时受受外水压力作作用衬砌破坏坏羊卓湖抽水蓄蓄能电站，位位于海拔4000m以上的青藏高高原，引水隧隧洞长5889m，D=2.5m，混凝土衬砌砌0.3~0.5m，深埋（50~450m）于浅变质岩岩中，放水速速度较快，发发现上水平段段混凝土衬砌砌开裂脱落，，混凝土蜂窝窝麻面，内混混模板、杂物物，钢筋未绑绑扎，最后将将2.7km混凝土衬砌段段全改为钢衬衬。外水压力工程事例4.因内水外渗受受外水压力作作用衬砌破坏坏刘家峡1#机组引水发电电隧洞，砼砼裂缝形成内内水外渗，高高压水沿着钢钢管与围岩间间的缝隙作用用在钢管上，，使钢管变形形、压屈，形形成鼓包，变变形失稳。BathCountny抽水蓄能电站站，二条平行行的混凝土衬衬砌隧洞和压压力钢管，设设计水头395m，洞径5m。1985年建成，当1#隧洞充水试验验时，由于混混凝土衬砌开开裂，内水外外渗，使2#压力钢管钢板板衬砌压屈。。外水压力对有地表水强强补给的冲沟沟，一是容易易造成围岩失失稳，二是施施工期外水内内渗，工程上上处理很困难难，运行期的的外水压力可可能较大。支护设计根据防渗要求求，隧洞衬砌砌结构设计可可分为抗裂、、限裂和不限限制裂缝宽度度设计。(１)围岩抗渗能力力差，内水外外渗造成的危危害，应提出出严格的防渗渗要求；(２)围岩具有抗渗渗能力，内水水外渗可能造造成不良地质质段的局部失失稳，宜提出出一般防渗要要求；(３)围岩具有较好好的抗渗性，，内水外渗不不存在渗透失失稳和环境破破坏问题，可可不提出防渗渗要求。支护设计１.不衬砌与锚喷喷支护不衬砌与锚喷喷支护的设计计，一般宜按按工程类比法法，对于直径径（跨度）大大于１０ｍ的的隧洞，尚应应辅以理论计计算和监控量量测。Ⅰ、Ⅱ类围围岩岩，，隧隧洞洞的的直直径径（（跨跨度度））不不大大于于５５ｍｍ时时宜宜不不支支护护，，６６ｍｍ～～１１００ｍｍ时时宜宜采采用用喷喷混混凝凝土土支支护护，，大大于于１１００ｍｍ的的隧隧洞洞，，宜宜采采用用锚锚喷喷联联合合支支护护，，遇遇有有局局部部不不稳稳定定块块体体时时，，应应采采用用锚锚杆杆加加固固。。Ⅲ、Ⅳ类围围岩岩可可采采用用锚锚喷喷、、挂挂网网或或钢钢排排架架等等联联合合支支护护，，Ⅳ类围围岩岩必必要要时时应应进进行行衬衬砌砌。。不衬衬砌砌隧隧洞洞，，必必要要时时可可设设置置不不承承载载（（平平整整））混混凝凝土土衬衬砌砌。。支护护设设计计2.混凝凝土土和和钢钢筋筋混混凝凝土土衬衬砌砌2.混凝凝土土和和钢钢筋筋混混凝凝土土衬衬砌砌支护护设设计计3.预应应力力混混凝凝土土衬衬砌砌对于于防防渗渗要要求求较较高高的的隧隧洞洞，，钢钢筋筋混混凝凝土土衬衬砌砌难难以以满满足足防防渗渗要要求求，，采采用用预预应应力力混混凝凝土土衬衬砌砌。。(1)压浆浆式式预预应应力力混混凝凝土土衬衬砌砌用灌灌浆浆方方法法来来产产生支护护设设计计3.预应应力力混混凝凝土土衬衬砌砌(2)环锚锚式式预预应应力力混混凝凝土土衬衬砌砌用机机械械方方法法产产生生预预应应力力环锚锚式式衬衬砌砌分分有有黏黏结结后后张张预预应应力力和和无无黏黏结结后后张张预预应应力力，，小小浪浪底底工工程程采采用用了了后后张张法法无无黏黏结结预预应应力力混混凝凝土土衬衬砌砌，，清清江江隔隔河河岩岩和和天天生生桥桥采采用用后后张张法法有有黏黏结结预预应应力力衬衬砌砌。。有黏黏结结后后张张预预应应力力有黏黏结结预预应应力力，，必必须须考考虑虑由由于于摩摩擦擦引引起起的的应应力力降降低低，，早早期期的的设设计计，，国国内内外外大大都都采采用用了了有有黏黏结结预预应应力力混混凝凝土土衬衬砌砌，，并并相相继继投投入入运运行行。。有黏黏结结后后张张预预应应力力技技术术，，预预埋埋波波纹纹管管堵堵塞塞现现象象严严重重，，张张拉拉时时断断丝丝和和滑滑丝丝时时有有发发生生，，施施工工程程序序复复杂杂，，结结构构应应力力不不均均匀匀，，易易引引起起混混凝凝土土裂裂缝缝。。无黏黏结结预预应应力力技技术术无黏黏结结预预应应力力技技术术，，钢钢绞绞线线分分别别放放入入充充满满油油脂脂的的ＰＰＥＥ套套管管内内，，并并逐逐根根均均匀匀分分布布在在隧隧洞洞衬衬砌砌内内。。由于于摩摩擦擦系系数数的的减减小小，，提提高高了了预预应应力力的的效效率率，，减减少少了了锚锚具具槽槽附附近近的的应应力力集集中中和和节节省省了了工工程程量量。。小小浪浪底底工工程程实实践践，，采采用用无无黏黏结结预预应应力力较较原原有有黏黏结结预预应应力力可可节节省省约约５５００％％的的锚锚具具和和相相应应的的工工程程量量。。无黏黏结