浅谈水工隧洞设计的常见问题

夏军

摘要：随着我国社会经济的快速发展，水利水电、穿山铁路公路等建设取得了快速发展，因此隧洞的需求量及规模日益增大。因传统的水工隧洞设计对隧洞周围环境破坏较严重，所以为满足建设的实际需要，水工隧洞设计模式以及设计技术方案成为投资者、建设者关注的重点问题。文章探讨了水工隧道设计的常见问题。

关键词：水工隧洞；工程设计；常见问题；水利工程；灌浆设计 文献标识码：A

中图分类号：TV221 文章编号：1009-2374（2016）36-0135-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.36.067

近年来，我国水利工程建设越来越多，这对于我国国民经济发展具有极其重要的推动作用。目前我国很多水利工程都处于山区丘陵地区，因此其灌溉渠道工程一般都需要穿山越岭，这样就会凸显出水工隧道的重要作用。只有确保水工隧道设计的经济性、科学合理性，才可以真正发挥其作用，确保水利工程建设的顺利开展。在各类水利水电工程建设的过程中，在水工建筑物体型与布置的要求下，需要挖掘不同类型的地下洞室，加之地下工程所在之地的地质条件有较大差别，所以在隧洞设计、施工过程中需考虑选取不同的支护方法。因地下工程较复杂，准确的计算参数将会难以获取。在实际的施工过程中，施工队的施工经验与水平不同，也是造成隧洞设计计算与施工控制脱节的重要原因。此外，地下水是地下洞室设计、施工中不可避免的重要因素，对洞内施工环境、支护结构荷载确定以及施工方案的选取造成严重影响。在设计、施工时，需要根据工程自身的具体要求对地下水进行处理。根据设计计算结果，讨论、总结施工经验、教训，对隧洞设计提出可靠、有效的支护与防渗排水方案，以保障工程的顺利开展。

1 合理选择水工隧洞线路

1.1 地质条件

选择隧洞路线的过程中，应该尽可能选择岩体比较坚硬、完整，而且地质构造相对简单的地区，尽量不要选择不利地质构造地区，应该尽可能避开严重渗水地段、地下水位比较高的地段，从而减轻隧洞衬砌上受到的外力压力。洞线应该和主要软弱带走向、构造断裂面以及岩层等存在较大的一个交角。如果地区是高地应力，应该保证洞线和最大的水平地应力方向尽可能保持同步，从而减轻侧向围岩对隧洞造成的压力。隧洞的覆盖厚度应该达到相应的要求，如果是有压隧洞，将弹性抗力考虑在内的话应该将围岩的覆盖厚度最低控制在3倍的洞径以上。

1.2 地形以及水流条件

洞线应该尽可能短直，地质、地形等需要进行转弯的过程中，如果是低流速隧洞弯道曲率半径、两端弯道直线段长度都比5倍洞宽或者洞径更长，而且转弯转角低于60°的情况下，高流速的隧洞进行弯道设计的过程中一定要进行试验。选择水工隧洞线路的过程中还应该考虑到水流条件，要求隧洞进口的应力和水流应该保持畅通，下游河道和出口水流应该平顺衔接，为了避免发生冲刷现象，土石坝下游坝脚和周围的建筑物应该适当保持一定的距离。

1.3 施工条件

选择水工隧洞线路的過程中，应该将施工场地布置问题以及施工出渣通道等问题充分考虑进来。设置曲线的过程中应该结合施工要求中提出的转弯半径设计弯曲半径。如果是长洞，应该综合考虑地质条件、地形条件等多方面合理布置竖井、斜洞以及施工支洞等，从而便于可以更好地进行通风、出渣、进料等工作，有效优化施工条件，进一步推进施工进度。选择水工隧洞路线的时候还应该注意整体运行以及布置等各方面要求，防止会干扰其他建筑物。

2 水工隧洞构造设计分析

2.1 水工设计以及排水设计

如果无压洞衬砌对于防渗没有要求的话，进行环向施工缝设计的过程中可以不用设置止水。如果明确提出了防渗要求或者是有压隧洞的话应该设计止水带或者止水铜片。进行排水设计的过程中，出口边坡、泄洪洞进等处应该合理设置地表排水沟以及排水渠，从而将岸坡渗水以及地面水更好地排除。无压洞的水面线以上应该合理设置排水孔，从而将山体水更好地排除干净，将外水压力尽可能减小。在出口的消能反弧段可以设置合理的排水设施，这样可以将泄流后的反弧段积水更好地排除干净，从而便于更好地检查交通情况，进行交通

维修。

2.2 结构分缝以及分块设计分析

泄洪隧洞洞身和出口消能工段和进口段之间应该合理设置伸缩缝。如果洞身段存在软弱破碎带或者通过较大断层等存在明显改变的地质条件地段的情况下也应该设置合理的伸缩缝。如果围岩地质条件比较均匀的话可以只用设置施工缝。如果无压洞衬砌没有提出明确的防渗要求的情况下，环向施工缝钢筋可以不必穿过缝面，而且混凝土也不用进行凿毛处理。如果无压隧洞具有防渗要求或者是有压洞衬砌进行环向施工的工程中，缝面一定要采取凿毛处理，而且钢筋需要穿过缝面，两块相邻的混凝土进行浇筑期间应该保持2周以上的间歇期。顶拱进行浇筑的过程中，需要注意反缝结构设计，从而确保顶拱混凝土和边墙混凝土可以密切结合。

3 对外水压力的分析处理方法

中国目前对外水压力的分析处理，主要有两种方法：一种是把外水压力作为面力；另一种是把外水压力当作体积力。前一种是中国《水工隧洞设计规范》（DL/T 5195-2004）推荐的方法，也是设计人员常采用的，其概念简单，易于用结构力学法进行分析计算；后一种采用渗流场理论，较为符合外水压力作用的实际情况，但隧洞周围的岩石节理及裂隙情况千差万别，难以较为准确地模拟，其计算结果与实际受力情况可能有较大的差别。通常在设计工作中把外水压力当作面力来处理，一般情况下，地下水位线可根据水文地质条件分析确定，但外水压力的取值差别较大，关于外水压力的取值主要有以下两种方法：

第一，《水工建筑物荷载设计规范》（DL 5077-1997）第7.4.4条：当无压隧洞和地下洞室设置排水设施时，可根据排水效果和排水设施的可靠性对外水压力标准值的作用水头做适当折减，其折减值可采用工程类比法或渗流分析确定。

第二，水工隧洞设计规范中第11.2.5条：地下水压力标准值，可采用地下水位线以下的水柱高乘以相应折减系数估算。以上方法主要涉及折减系数和设排水后的折减，由于其可操作难度大，处理具体情况仍难以取舍：折减系数取值过大，不仅显得保守和不经济，而且有时甚至无法实现设计意图；折减系数取值过小，结构的安全又难以保证。设排水后的折减也有同样的问题，而且还要考虑排水失效的可能性，故外水压力的取值需要仔细斟酌。

4 水工隧洞的灌浆设计分析

4.1 固结灌浆设计分析

根据结构设计的基本原则以及围岩处理的相关要求明确固结灌浆洞段，并且合理确定相关参数，如果洞段的围岩地质条件相对较差或者具有某些特殊要求的情况下必须采取固结灌浆技术。洞身段实施固结灌浆的过程中，每排应该至少布置6个孔，而且孔应该对称分布，设置排距大概维持在2～3m之间，压力维持在0.5～1.0MPa之间。在进口、出口部位的1倍洞宽或者洞径范围内一定要采取固结灌浆处理，压力设置为0.5～0.8MPa，排距设置在2～3m之间。对于灌浆所需材料最好是推荐选择普通的硅酸盐水泥，按照2∶1～0.5∶1的水灰比进行配比。另外，一定要注意严格检查灌浆质量，可以联合采用压力以及声波检测这两种方式。

4.2 灌漿孔深和间距选择

根据理论分析和数值计算可知，一般Ⅱ、Ⅲ类围岩条件下的水工隧洞主要内压承载区约为隧洞开挖半径的1.0～1.5倍，这也是经济合理的隧洞围岩灌浆深度，应对该区域重点灌浆，以提高其力学和防渗性能并形成可靠的预压应力圈。因此，隧洞固结灌浆一般深入围岩1.0～1.5倍隧洞半径。隧洞固结灌浆间排距一般为2～4m，高压隧洞一般为2～3m。由于水工隧洞承载内水压力，其围岩有效承载厚度约为隧洞开挖半径的1.0～1.5倍，因此在相同的工程造价条件下，固结灌浆钻孔短而密布置的性价比优于长而稀布置。

4.3 回填灌浆设计分析

完成隧洞衬砌后进行回填灌浆的时候，应该选择在顶拱90°～120°的范围内实施，通常设置灌浆压力维持在0.2～0.5MPa，而孔以及排距为4～6m，采用0.6～0.5水灰比或者采用水泥砂浆进行浆液回填，而粉煤灰的掺杂量大概是水泥总重的50%～100%。有压隧洞进行回填灌浆的过程中，要求粉煤灰的品质需要符合一级、二级的标准要求。

5 水工隧洞布置设计分析

隧洞的首部就是进水口，它的体形应该适应孔口水流的流态，防止可能会出现不利的负压或者出现空蚀破坏，而且应该最大限度地降低局部水头的损失，从而有效提高泄流能力。隧洞进口一般都是喇叭口状。深式无压隧洞进水口只是一个短管型的压力段，主要作用是增加压力段的压力，从而有效压力分布情况，一般都是在进口段的顶部设计一个倾斜压坡。通常情况下，应该在静水中打开检修门，尽可能减小启门力，因此非常有必要设置一段平压管。结束检修工作后，将检修门开启之前应该先把平压管阀门打开，然后在两道门中间放置适量水平衡两侧检修门的水压。

综上所述，水工隧洞整体性能及其质量对于水利工程的实际运行具有直接的关系，进行水工隧洞设计的过程中，设计师一定要特别注意水工隧洞线路选择以及弹性抗力等常见质量问题，确保水工隧洞设计的科学合理性，确保水利工程的顺利开展。

参考文献

[1] 刘惠雨，张博.由山东省潍坊市白浪河水系联网隧洞 谈隧洞锚喷支护的施工质量控制[J].水利建设与管 理，2009，（9）.

[2] 周进山，王小娥.深溪沟水电站导流洞工程临时支护 合同计价研究[J].四川水力发电，2012，（1）.

（责任编辑：小 燕）