输水隧洞斜（竖）井错落布置分析

齐立伟，刘 洋，张建辉，刘文斌

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春 130021）

输水隧洞斜（竖）井错落布置分析

齐立伟，刘 洋，张建辉，刘文斌

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春 130021）

并排的纵剖面上采用斜（竖）井布置的隧洞，通常采用的完全平行的布置型式，但当水头较高时，往往有以下缺点：如两洞间施工支洞封堵稳定无法满足、封堵工期紧张、下斜井检查与维修困难等问题。采用斜（竖）井错落布置，可以有效的解决以上问题，可在并排布置的隧洞设计中参考采用，具有很好推广和借鉴意义。

并排布置隧洞；斜（竖）井错落布置；施工支洞；封堵体

1 输水系统的一般输水方式及纵剖面上的布置型式

水利水电工程输水系统的输水方式，一般采用“一洞一机”“一洞多机”“二洞多机”“多洞多机”等布置方式，需要根据地形地质条件、洞径、衬砌型式、材料、电站运行方式、首部和尾部建筑物布置、分期投入运行的可能性、施工条件以及工期和造价等因素综合确定。由于引水系统和尾水系统所承受的压力水头相差较大，地形地质条件及长度也有一定差别，进（出）水口的布置也不会完全相同，因此，引水系统与尾水系统的输水方式不一定完全相同。对于输水系统输水方式的选择，很多工程考虑以上诸多因素并结合工程自身的特点，需要采用“两洞多机”布置，甚至“多洞多机”布置，即输水系统采用两条或多条隧洞并排布置。

输水隧洞纵剖面上、下平段的连接方式，应根据输水系统其它建筑物的布置、地形地质条件、水力条件、施工和检修等因素综合确定。由于受进（出）水口位置、机组安装高程和隧洞长度的限制，很多工程的输水隧洞不可避免地采用一级或一级以上斜（竖）井布置。

目前，很多工程受以上诸多因素及工程自身特点的限制，输水隧洞采用两条或多条并排布置，纵剖面上采用一级或一级以上斜（竖）井布置。

2 并排布置的输水隧洞通常布置型式及存在的问题

水利水电工程中两条或多条并排布置的输水隧洞，通常采用平行布置。对于纵剖面上采用一级或一级以上斜（竖）井布置而言，即各条输水隧洞的斜（竖）井、中平段及上、下平段及弯段布置完全一致，其布置示意如图1。

图1 两条并排二级斜井的输水隧洞平行布置示意图

两条或多条并排布置的输水隧洞采用完平行布置型式，往往采用一条施工支洞贯穿输水隧洞。这种布置型式具有布置简单，隧洞施工顺序明确等特点，而这种布置型式往往应用于水头不高的一级斜（竖）井布置。当水头较高时，存在以下问题：

1）封堵体稳定问题

对于高水头且采用钢筋混凝土衬砌的输水隧洞，中平段或下平段水头较高，两洞间施工支洞封堵体长度受机组间距限制，封堵体稳定很难满足要求。

2）占用直线工期问题

施工支洞封堵段施工时受封堵顺序限制，工期占用较长，甚至直接影响发电或工程投入运行的直线工期。

3）封堵体渗漏问题

在充排水试验以及运行过程中，封堵体顶拱及与围岩接缝处不可避免地漏水，而两洞间的封堵体受作业空间和通道的限制，渗漏处理非常困难。

4）下斜（竖）井的检查与维修问题

对于采用二级或以上的斜（竖）井布置的输水隧洞，上斜（竖）井可以利用上平段进行检查与维修，但要实现下斜（竖）井的检查与维修，需要在中平洞设置检修门及检修通道，采用常规的一条施工支洞贯穿输水隧洞，检修通道的布置非常困难。

综上所述，鉴于目前水利水电工程输水隧洞采用两条或多条并排布置，且纵剖面上采用一级或一级以上斜（竖）井布置比较普遍的情况，研究探讨如何解决高内水压力钢筋混凝土衬砌下平段的施工支洞封堵稳定、工期紧张、封堵体渗漏处理困难等问题，以及对于采用二级或以上斜（竖）井布置的工程如何在中平洞布置检修门与检修通道的问题，已成为设计和科研人员非常关注的问题。

3 并排布置的输水隧洞斜（竖）井错落布置型式特点

针对常规的平行布置方式不能完全适用于采用两条或多条并排斜（竖）井布置的高水头输水隧洞的情况，在工程设计中突破常规，采用较为新颖的斜（竖）井错落布置型式，布置示意如图2。

两条或多条并排布置的输水隧洞，采用（斜）竖井错落布置，可以解决高水头下两洞间施工支洞封堵稳定无法满足、封堵工期紧张、下斜井检查与维修困难等问题。具体如下：

1）两条或多条并排布置的高水头钢筋混凝土衬砌隧洞，纵剖面采用斜（竖）井错落布置，下平段施工支洞分岔分别与下平段相连，解决了两洞间封堵体长度因受机组间距限制，无法满足封堵稳定要求的难题；

图2 两条并排二级斜井的输水隧洞斜井错落布置示意图

2）下平段施工支洞各支岔分别与输水隧洞相连，封堵施工时不受由内向外的封堵施工顺序限制，解决了封堵工期紧张问题；与远端隧洞相连的施工支洞封堵体接缝灌浆的预埋管可以不用跨过近端封堵体，因而缩短了预埋管的长度，保证了接缝灌浆的质量与效果；同时针对施工支洞布置方向与机组发电顺序的问题，解决了施工支洞需要布置在后发电隧洞一侧的限制，使施工支洞的布置更具有灵活性。

3）在输水系统充排水试验时或运行过程中，如果施工支洞封堵体发生渗漏需要处理时，若采用一条施工支洞贯穿输水隧洞的方案，则两洞间封堵体的处理，均需要自进人孔进入隧洞内来施工，因此受作业空间和设备的限制，处理起来非常困难。采用施工支洞分岔分别与输水隧洞相连，在处理封堵体渗漏时，可以在施工支洞封堵体外侧采用延长封堵体长度和加强灌浆等措施来处理，降低了处理难度，而且保证了处理的效果。

4）采用二级或以上的斜（竖）井时，需要在中平段设置检修门和检修通道，用于下斜（竖）井的充排水试验和后期放空时的检查、维修。对于两条或多条并排布置的输水隧洞，若采用一条施工支洞贯穿两输水隧洞，要实现远端输水隧洞的检查与维修非常困难，检修通道需要跨过近端输水隧洞，这就需要自近端输水隧洞下部或上部跨过，会造成施工支洞与近端输水隧洞相交部位的开挖断面增大较多，因而需要加强交叉部位的支护措施以保持稳定；另外，由于施工通道自输水隧洞下部或上部通过，检查和检修设备运至检修隧洞内比较困难，而且检修通道内的排水也较为困难。通过调整上斜（竖）井错落布置，使中平段施工支洞分岔分别与各中平段相连，再分别进行封堵，在各封堵体内预留检修通道，有效地解决了中平段布置检修通道困难的问题。

5）两条或多条并排布置的高内水头钢筋混凝土衬砌隧洞，采用斜（竖）井错落布置，可以有效地避开断层破碎带等不利地质条件的影响。例如在输水系统布置过程中，斜（竖）井洞段围岩遇有断层破碎带等不利地质条件，通过采取斜（竖）井错落布置，可以使斜（竖）井均可以布置在围岩地质条件相对较好区域，而且可以通过拉大相邻斜（竖）井间距离，增加相邻斜（竖）井间的岩体厚度及渗径，保证了相邻斜（竖）井间的强度稳定和渗透稳定。

4 并排布置的输水隧洞斜（竖）井错落布置型式的要求

两条或多条并排输水隧洞，采用斜（竖）井错落布置，往往受内水压力条件、地质条件以及下斜（竖）井需要布置检查和维修通道等条件的限制，因此，在布置时，应注意以下方面要求：

4.1 整体布置要求

整体布置上由上平段、上斜井段、下斜井段、中平段、下平段、施工支洞组成。

1）由于各隧洞弯点不在同一位置，因而并排布置的各上、中、下平段长度是不同的；2）输水系统纵剖面平面与各斜（竖）井组成平面不垂直，各斜井的位置及相互关系，应根据地形地质条件，上平段、中平段、下平段以及施工支洞的布置确定；3）为了实现下斜（竖）井的检查与维修，中平段需要设置检修门，与之相连的施工支洞内需要布置检修通道；4）一般的，往往为了满足施工，需要在中平洞和下平洞布置施工支洞。各施工支洞分岔布置，分别与两条隧洞相连。

4.2 并排隧洞各段间岩体厚度的确定

一般的，相邻隧洞之间的岩体厚度，应保证两洞间岩体的稳定。岩体的稳定不仅包括强度稳定，还应包括渗透稳定。强度稳定，对于水头不高的隧洞，只要洞间岩体厚度不小于2倍开挖洞径（或洞宽），围岩条件适中，即可满足。对于水头较高的隧洞，则以洞间岩柱应力不超过该处岩石的允许应力为条件。洞间岩柱应力可用弹塑性理论分析，用有限元法计算，而岩石的容许应力则由试验得出。渗透稳定，与两个指标有关，一个是内水压力，另一个是水力梯度。内水压力，要求小于最小地应力，防止水力劈裂，即

其中：P——内水压力（计算点的时均压强），MPa；σ——最小地应力,MPa2。

水力梯度，要求小于临界水力梯度，即

其中：I——水力梯度，m水柱压力/m；P——内水压力，m水柱压力；L——岩体厚度，m；Ij临界——岩体临界水力梯度，m水柱压力/m。

一般地，针对岩体临界水力梯度而言，完整岩石：15～20；节理裂隙闭合的岩体：8～10；张性节理裂隙密集带和断层破碎带：3～5；具有溶蚀性的张性节理裂隙密集带和断层破碎带等：0.6～0.2。

4.3 施工支洞布置要求

为实现两条并排隧洞斜井错落布置，需将施工支洞分岔，一岔洞直接与近端隧洞相连，另一岔洞则需绕过近端隧洞与远端隧洞相连。连接远端隧洞的施工支洞岔洞，与近端隧洞间的岩体厚度应满足岩体稳定的要求。如果不能满足，可采用以下2种措施处理：即对于不满足岩体稳定的隧洞段采用钢管衬砌或对不满足岩体稳定的施工支洞岔洞段，全部进行混凝土封堵回填处理。

5 并排布置输水隧洞斜（竖）井错落布置型式在荒沟抽水蓄能电站中的应用

荒沟抽水蓄能电站装机120万kW，2洞4机布置。电站2条引水隧洞平面上并排布置，纵剖面上为二级50°斜井。为了实现下斜井的检查与维修，为了保证引水下平段（高压洞段）的施工支洞封堵体的稳定以及封堵体的施工工期，采用斜井错落布置，中平段和下平段的施工支洞没有采用一条施工支洞贯穿引水隧洞的方案，而是将施工支洞分岔，在保证安全距离的前提下绕过近端的1号引水隧洞与远端的2号引水隧洞相连接。具体布置如下：1号引水隧洞上斜洞的上、下弯点距2号洞40 m，因此，连接中平洞的4号施工支洞可以在距1号引水隧洞约70 m处分岔，其中一岔洞与1号中平洞相连，另一岔洞从距1号引水隧洞上斜洞约38 m处绕过与2号中平洞相连，同时为保证下斜洞的检查与修，在两个岔管的封堵体内设置检修门和检修通道；1号引水隧洞下斜洞的上、下弯点距2号洞约72 m，连接下平洞的2号施工支洞可以在距1号引水隧洞约90 m处分岔，其中一岔洞与1号下平洞相连，另一岔洞从距1号引水隧洞上斜洞约50 m处绕过与2号下平洞相连。荒沟抽水蓄能电站两条并排的引水隧洞，通过采用斜井的错落布置，解决了两洞间封堵体长度受机组间距限制不能满足的难题，而且封堵施工时不受由内向外的封堵施工顺序限制，解决了封堵工期紧张问题，并实现下斜井的检查与维修。

6 结论

通过以上分析和工程实例表明，在并排布置隧洞纵剖面上采用斜（竖）井错落布置，将下平段施工支洞分岔分别与输水隧洞相接，可解决下平段施工支洞封堵稳定无法满足的难题及封堵工期紧张问题，而且可以保证封堵接缝灌浆的质量与效果，并使施工支洞的布置更具有灵活性。对于采用二级或以上的斜（竖）井，通过将上斜（竖）井错落布置，使中平段施工支洞分岔分别与各输水隧洞中平段相连，可以有效地解决中平段检修通道布置困难的问题，实现了下斜（竖）井的检查与维修功能。因此，并排布置的两条或多条隧洞纵剖面上采用斜（竖）井错落布置，丰富了并排布置隧洞的纵剖面布置型式，为设计者在隧洞布置方面提供了新思路，具有很好推广和借鉴意义。

TV67 < class="emphasis_bold"> ［文献标识码］B

B

1002—0624（2017）09—0001—03

2017-04-02