水工隧洞几个问题浅议

王玉孝

(国家电投集团黄河上游水电开发有限责任公司,西宁 810003)

0 前 言

水工隧洞在设计、施工运行过程中，不可避免会遇到诸如软岩变形、固结灌浆及外水压力取值等问题。其中水电工程中地下洞室软岩类围岩大变形是困扰水电工程建设的重要问题。在国内多个交通隧道、水工隧洞建设中，均发生过严重的软岩大变形问题，如国内兰武二线乌鞘岭铁路隧道、黄河上游拉西瓦、羊曲水电站输水隧洞开挖等[1]。外水压力是水工隧洞所受外荷载中的主要荷载之一，特别是对城门洞型隧洞断面及压力钢管，外水压力的折减取值对工程结构影响较大。引水隧洞的固接灌浆目前尚未有明确的标准,隧洞是否需要固结灌浆,仅凭经验而定,从电站综合效益角度考虑较少[2-3]。因此，本文结合黄河上游拉西瓦、羊曲、玛尔挡等几座电站水工隧洞的实际设计、施工、运行情况，对软岩地层隧洞的变形机理、成洞条件、围岩稳定性及其支护处理措施进行分析总结，为水工隧洞的设计、施工及运行管理提供依据。

1 预留变形量问题

TB 10003-2016《铁路隧道设计规范》及JTG 3370.1-2018《公路隧道设计规范》[4-5]中规定：各级围岩在确定开挖断面时，除应满足隧道建筑限界要求外，还应预留适当的围岩变形量，其量值可根据围岩级别、隧道宽度、埋置深度、施工方法和支护情况等条件，采用工程类比法确定；当无类比资料时，可参照以表1、2进行取值。

表1 铁路隧道设计规范预留变形 /mm

表2 公路隧道设计规范预留变形量 /mm

虽然SL 279-2016《水工隧洞设计规范》对隧洞是否预留变形量没有明确的规定，但在隧洞支护与衬砌章节中有如下说明，即“具有流变或膨胀等特殊性质的围岩，可能对衬砌结构产生变形压力时，应对这种作用进行专门研究，并宜采取措施减小其对衬砌的不利作用”的规定[6]。因此，在隧洞穿越特殊性质的围岩地段，设置预留变形量很有必要。更何况国内兰武二线乌鞘岭铁路隧道、兰渝线木寨岭隧道、羊曲水电站引水隧洞下平段穿越特殊性质的地层均发生过大变形，具体情况如下：

乌鞘岭隧道：隧道长20 050 m，纵坡约为11‰，由两座平行的单线隧道组成，两单线隧道间距40 m，基本为直线隧道，隧道最大埋深约1 100 m，在岭脊约7 km范围分布由四条区域性大断层组成的宽大“挤压构造带”，岩性复杂，岩质相对较软。隧道施工中，在4条区域大断裂范围内的辅助坑道和正洞，特别在F4和F7断层及影响带、志留系板岩夹千枚岩地层，围岩破碎，洞室自稳能力极差，发生过较为严重的变形, 乌鞘岭隧道变形情况见图1。经过现场测试，在板岩为主的区段中，支护收敛变形在200 mm以内，在千枚岩为主的区段，支护收敛变形在500～700 mm；因此，通过大量的前期测试及试验，确定在以千枚岩为主的地层，预留变形量取30～35 cm，以板岩为主的地层，预留变形量取20～25 cm，并且辅助相应的工程措施控制变形。

图1 乌鞘岭隧道变形情况图

木寨岭隧道：兰渝线木寨岭隧道全长19 km，为极高风险隧道，隧道穿越炭质板岩、灰岩及多条断裂带，存在软岩、岩溶水、断层等不良地质，地质条件差，施工难度极大。全隧道共设置8座斜井，施工中有5座斜井出现不同程度的大变形，变形速率大多大于100 mm/d，累计最大位移已超1 300 mm，主要为结构水平收敛变形，呈现出变形快、变形量较大的特点。根据现场测试及变形控制措施的分析，初步确定对产生较大变形段斜井开挖时预留变形量按单侧15 cm进行控制，同时再辅助其他相关控制变形的工程措施处理，木寨岭隧道变形情况见图2。

图2 木寨岭隧道变形情况图

羊曲水电站引水隧洞下平段：羊曲水电站压力引水隧洞从电站进水口到厂房，按“1机1洞”方式供水，3条引水隧洞平行布置，间距29 m。设计断面为圆形断面，衬砌洞径10 m，开挖洞径11.6 m。下平段出口岩性为千枚状板岩夹千枚岩，岩性较软弱，片理发育，局部受断裂构造切割影响，岩体破碎，可研设计阶段采用二维弹塑性有限元仿真计算方法进行了围岩稳定分析计算，在不采取支护措施的情况下洞周最大位移6.2 mm。下平段在实际施工过程中局部洞室变形较大，出现塌方掉块现象。为确保工程施工及运行安全，且洞周变形及临时支护结构不侵占永久衬砌体型，设计将局部洞段开挖洞径调整为11.9 m，全断面采用钢支撑进行初期支护，后期实施钢筋混凝土永久衬砌。目前下平段开挖完成已4 a之久，累计最大变形量3.6 mm，情况良好，羊曲水电站引水隧洞下平段施工情况见图3。

图3 羊曲水电站引水隧洞下平段施工情况图

拉西瓦水电站左岸上坝洞：拉西瓦左岸上坝交通洞进口段约100 m长为红层洞室，原设计为10 m×10 m的双车道城门洞型断面，施工过程中洞室变形较大，临时钢支撑明显压弯内鼓，为确保施工安全，设计将一大洞改为上下单行两小洞，洞径5 m×5 m，全断面钢支撑初期支护，后期混凝土二衬[7]。

玛尔挡水电站进场交通洞也是红层洞室，设计过程中借鉴了拉西瓦水电站的施工经验，混凝土二衬预留了10 cm的变形量，目前交通洞已运行5 a，情况良好。

综上所述，对于交通隧道、水工隧洞等地下洞室，在穿越云母石英片岩段、千枚岩段及第三系红层等可能产生变形的地层段落，应考虑一定的预留变形量，以保证隧洞交通及过水流量的安全运行要求。

2 衬砌是否考虑外水压力问题

SL 279-2016《水工隧洞设计规范》中规定衬砌除了考虑围岩压力外还应考虑作用在衬砌上的外水压力，外水压力根据围岩地下水活动状态及地下水对围岩的稳定影响考虑一定的折减系数。其折减系数：在极微～微透水岩体洞段，洞壁为干燥～潮湿状，其外水压力折减系数趋近于0；在强～极强透水的岩溶、断层发育段，呈股状涌水，其折减系数值趋近于1；在弱～中等透水洞段，地下水呈滴～线状溢出，折减系数值介于0～1.0之间[6]。

经分析，在岩体的裂隙和孔隙中赋存地下水，根据分布形态产生渗流，隧洞根据埋深和地下水位的位置关系，处于地下水渗流场中。地下水在渗流过程中因岩体中存在的裂隙或孔隙，对地下水的物理性质(如粘滞力)和渗流过程产生摩阻力的影响，会产生水头损失。地下水渗流的水头损失与岩体渗透性反相关，因而当隧洞围岩体的渗透性越强，地下水渗流的水头损失越小，其开挖涌水量和外水压力越大，即相应的外水压力折减系数也越大。反之，岩体的渗透性越弱，地下水渗流的水头损失越大，则隧洞涌水量和外水压力越小，相应的外水压力折减系数越小，甚至趋近于零。

拉西瓦水电站地下水折减系数值：水电站主要地层岩性为花岗岩，地下水类型主要为基岩裂隙水，深部有脉状裂隙水。外水压力折减系数根据岩体渗透性确定，从深部向地表岩体渗透性逐渐增强，埋深50～70 m以下，透水率q<2 Lu，不少地段q=0；埋深50～70m，透水率q=2～7Lu，个别10 Lu，断层或张开裂隙岩体透水率q≥5 Lu。外水压力折减系数建议值为：埋深70 m以内，折减系数=0.8～0.6；埋深70～150 m，折减系数=0.6～0.4；埋深150～300 m，折减系数=0.4～0.2；埋深300～500 m，折减系数=0.3～0.1。综上所述，衬砌的外水压力与地下水的渗透性关联较强。本水电站工程隧洞洞身埋深均在300 m以上，最大埋深达1 000 m以上，洞身地质围岩完整性较好，地下水渗透性较弱，隧洞开挖过程过程中，洞室基本处于干燥状态，鲜有裂隙水出露。因此对引水隧洞，考虑水库蓄水后的情况，外水压力折减系数取值为0.2；进场交通洞，洞室顶拱及边墙设置有排水孔，地下水有出路，设计不再考虑外水压力。经计算，衬砌结构设计满足要求。目前该水电站已发电运行10a，交通运输洞、水工隧洞等均运行正常。

3 固结灌浆问题

SL 279-2016《水工隧洞设计规范》中规定围岩的固结灌浆应根据隧洞工程地质和水文地质条件、衬砌型式、施工对围岩的影响程度以及运行要求，通过技术经济比较确定，对有特殊要求的固结灌浆可通过工程类比和现场试验确定其各项参数[6]。本条规定条文解释为并非所有水工隧洞都要固结灌浆，国内已建工程对固结灌浆范围都有不同要求，有全断面固结，有部分顶拱固结，有顶拱固结、边墙固结，以及有不进行固结，说明应根据具体工程确定固结灌浆的必要性和范围[5]。

固结灌浆的目的是加固岩体，改善围岩的承载能力，提高围岩分担率和抗渗性。灌浆孔一般对称布置，根据围岩地质情况，排距为2～4 m，每排不宜少于6孔，钻孔入岩深度不低于1倍隧洞半径(洞室跨度)，要超过松弛区1.0 m。对于钢筋混凝土衬砌，灌浆压力一般为1.0～2.0倍的静内水压力；另外，高水头压力隧洞，固结灌浆压力宜小于1.5倍的静内水压力，并小于围岩最小主应力。对于钢衬混凝土衬砌，灌浆压力一般为0.3～0.5倍的静内水压力。根据日本11座埋藏式压力管道资料统计，其中也只有4座做了固结灌浆，其余的7座未做。我国目前已运行的十三陵等多个水电站的压力管道也未进行固结灌浆。

拉西瓦水电站尾水调压室施工时，鉴于本工程隧洞洞身段围岩大部分为硬质岩石，其岩石裂隙多不太发育，且张开程度及连通性较差，全部洞段采取固结灌浆的必要性不是很大，且影响工期。根据类似地段的固接灌浆试验并结合调压室的具体地质条件，经各方联合商议，取消了部分洞段的固接灌浆，不仅简化了施工程序，节约了工期并取得了一定的经济效果。因此，隧洞是否需进行固结灌浆，建议在实施前进行灌浆试验，验证隧洞固结灌浆的可灌性，同时若需进行固结灌浆，可确定灌浆的孔位布置、孔距、排距、孔深及灌浆压力等设计参数。

4 结 论

(1) 对于交通隧道、水工隧洞等地下洞室，在穿越云母石英片岩段、千枚岩段及第三系红层等可能产生变形的地层段落，应考虑一定的预留变形量，以保证隧洞交通及过水流量的安全运行要求。具体变形量应根据现场监测及数值分析计算确定。

(2) 衬砌的外水压力与地下水的渗透性关联较大。取值一般根据三维渗流计算分析确定，也可根据水文地质分析判断。地下水渗流的水头损失与岩体渗透性反相关，因而当隧洞围岩体的渗透性越强，地下水渗流的水头损失越小，其开挖涌水量和外水压力越大，也即相应的外水压力折减系数也越大。反之，岩体的渗透性越弱，地下水渗流的水头损失越大，则隧洞涌水量和外水压力越小，相应的外水压力折减系数越小，甚至趋近于零。

(3) 固结灌浆的目的是加固岩体，改善围岩的承载能力，提高围岩分担率和抗渗性。当围岩大部分为硬质岩石，裂隙不发育，且张开程度及连通性较差时，应慎重灌浆，若需固结灌浆，建议在实施前进行灌浆试验，验证隧洞固结灌浆的可灌性。