水工压力隧洞结构设计问题探讨

□孙飞合（大方县水利局）

1.引言

水工隧洞以水电站有压引水隧洞和水利枢纽中的各种泄水隧洞为典型讨论其布置方式。概括说，它们也可视为都由进口段、洞身段、出口段所组成，进口前和出口后当然还需长短深浅不等的引水渠和尾水渠。布置在开挖面的四周，一般最后起爆（采用预裂爆破例外），其作用是控制开挖轮廓线。为了保证开挖面的规格，每个角上要布置角孔。在开挖面底部的周边孔，考虑到抬炮（从下向上）的夹制影响，应将孔距适当加密或适当加大药量。

2.总体布置

炮孔其余用1∶3粘土与砂的混合物堵塞,爆破顺序一般是由内向外逐层进行，即按掏槽孔、崩落孔、周边孔的顺序进行,起爆应采用电爆法，用延期或毫秒电雷管控制爆破顺序。隧洞爆破，应采用光面爆破或预裂爆破技术，以保证开挖面光滑平整。无论前者或后者，洞内一般具有较高流速，出口段要设消能工。有压隧洞显然必为深孔进水口,无压隧洞则既可为表孔进口，也可为深孔进口，后者的洞身无压流态是靠进口后断面突扩实现的。布置在开挖面中心部位，首先爆出一个小的槽穴，其作用是增加爆破临空面，提高周围炮孔的爆破效果。常见的掏槽孔布置方式有楔形掏槽、锥形掏槽和垂直掏槽等，掏槽方式的选择，主要根据岩石性质、岩层构造、断面大小和钻爆方法确定。

2.1 表孔泄洪隧洞

当隧洞用作水利枢纽的主要泄洪建筑物时，一般应尽量做成以表孔堰流方式进水。较典型的表孔泄洪隧洞是正堰斜井溢洪道，它由正向溢流堰、陡坡斜井、隧洞及其出口消能设备等组成，闸门安装于堰顶，泄水时斜井及隧洞内常处于无压流态，从水力学观点来说，类似于河岸正槽溢洪道，不过泄水陡槽以封闭式代替开敞式而已。

2.2 深孔泄水隧洞

用作深孔泄水的隧洞由位于水下的进水口、洞身及出口消能段等组成。这类隧洞虽然进口段是有压的，但洞身水流既可为有压流，也可通过工作闸门后断面扩大而为无压流。就进口位置而言还可有两种布置方式，一种是低位进水口，即进水口底部与洞身底部为同一平面；另一种是较高位的进水口，即所谓龙抬头式，进口段与洞身之间以竖曲线及斜井相连。

3.水工隧洞施工方法

3.1 钻孔作业

钻孔作业在掘进循环时间中占有很大的比重,钻机有风钻、钻孔台车和液压凿岩机。

3.1.1 风钻钻孔

风钻是以高压空气为动力的冲击凿岩机械。风钻钻孔在隧洞断面不大或机械化程度不高的情况下应用最广泛，按作用条件和架立方法，可分为手持式、伸缩式、柱架式和气腿式风钻。

3.1.2 钻孔台车钻孔

钻孔台车是一种具有钻孔、装药、支撑等多种用途的移动式工作平台，主要用于全断面开挖。台车尺寸与台车层数，应根据开挖断面的大小和不同要求(如钻孔、支护、立模、扎筋等要求)，专门设计制造。钻孔台车各层安装的钻机数量，一般按照在一次掘进循环工作中，每台钻机能钻7～10个炮孔来装备,台车的行驶装置有轮胎式、履带式和轨道式3种。

3.1.3 液压凿岩机

液压凿岩机按工作特点有两臂、三臂和四臂机型，主要是进口机械，厂家有：瑞典的At 1 as公司、英国的Boart公司、芬兰的Tam ror公司、日本的古河公司和法国的赛可马公司等。

3.2 装碴运输作业

装碴和出碴是隧洞开挖中一项很繁重的工作，约占循环时间的50%～60%，是控制掘进速度的关键工序，包括装碴和运输两项作业。

3.2.1 装碴

3.2.1.1 人工装碴

常在装碴地点设置钢板，使爆破石碴落在钢板上，以便用铁铲装车。如果先埋设松碴炸药包将堆碴翻松，将有利于装碴。为了提高装碴效率，当采用下导洞开挖方式时，常利用漏斗棚架装碴；当采用上导洞开挖方式时，常利用工作平台车装碴。

3.2.1.2 机械装碴

机械装碴常用的设备有：斗容为0.2～0.44 m3的装岩机，其生产率为20～48 m3/h；斗容为1～3 m3的装载机；还有适合地下工程特点的1m3短臂正向铲。

3.2.2 运输

石碴运输多采用窄轨铁路及装碴斗车，一般用电气机车或电瓶机车牵引。当运距短、出碴量少时，也可采用人力推运或卷扬机牵引0.6 m3的窄轨式斗车运输。洞内有轨运输宜铺设双线，并每隔300～400 m设置道岔，以满足装卸及调车的需要。如采用单线时，应每隔100～200 m设置错车道岔，其有效长度应满足停放一列斗车的要求。堆碴地点应设在洞口附近，其高程应比洞底低些，以便重车下坡，并可利用废碴铺设路基，逐渐向外延伸。当隧洞断面较大时，也可以采用自卸汽车运输石碴，但应加强洞内通风，以排除内燃机产生的有害气体。

3.3 隧洞临时支撑

临时支撑的形式很多，根据所使用的材料不同，有以下几种：

3.3.1 木支撑

木支撑具有质量轻、加工架立方便、损坏前有显著变形不会突然折断等优点。但承受的压力小，所占净空面积大，耗用木材多，费用高，因此逐渐被其他材料所代替。木支撑的结构形式有门框形、拱形和扇形等。其中门框形架立最方便，形式简单，适用于断面积等不大的导洞和临时性支洞的支撑。拱形支撑构件承压能力大，其断面小、用料省，支撑下面空间大，适用于较坚硬的岩石中，可作隧洞扩大后的支撑。

3.3.2 钢支撑

钢支撑适用于破碎而不稳定的岩层，能承受很大的山体压力，耐久性好、所占空间小。钢支撑可以多次使用，也可以留在永久性衬砌中不再拆除;由于钢支撑使用钢材多，费用高，一般只有在不良地质地段施工时才采用。

3.3.3 预制混凝土及钢筋混凝土支撑

适用于岩石软弱、山岩压力大、支撑必须留在衬砌层内、跨度不大的断面中。其特点是刚性大，耐久性好，可作为永久性支护的一部分留在衬砌中.但质量大，安装运输不便，需用机械施工。

3.4 隧洞开挖的辅助作业

隧洞开挖的辅助作业有通风、防尘、防有害气体、供水、排水、供电、照明等。做好这些辅助作业，可以改善施工人员的作业环境，为加快隧洞施工创造良好的条件。

3.4.1 通风与防尘

通风和防尘的目的是为了排除因钻孔、爆破等原因而产生的有害气体和岩尘，保证供给工人必要的新鲜空气，并改善洞内温度、湿度和气流速度。

3.4.2 排水与供水

隧洞施工，需要排出地下涌水和施工废水。当隧洞开挖是向上坡进行，且水量不大时，可沿洞底设置排水沟，使水顺沟排出。当隧洞开洞是向下坡进行或洞底是水平时，应将隧洞沿纵向分数段，每段设置排水沟和集水井，用水泵排出洞外。洞内钻孔、洒水和混凝土养护等施工用水，一般可在洞外较高处设置水池，或直接用水泵加压供水，使压力水沿洞内敷设的供水管道送到工作面。

3.4.3 供电与照明

洞内供电线路一般采用三相四线制。动力线电压为380 V，成洞段照明用220 V，工作段照明用24～36 V。在工作面较大的地段，也可采用220 V的投光灯照明。由于洞内空间小、潮湿，所有线路、灯具、电气设备都必须注意绝缘、防水、防爆，防止安全事故的发生。开挖区的电力起爆主线，必须单独设置，与一般供电线路分两侧架设，以示区别。

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[3]肖阳，马震岳.水工压力隧洞设计与计算方法研究[J].武汉：水电能源科学，2004.03：120-122.