水工隧洞布置设计

1．洞线选择水工隧洞洞线线的选择，是是隧洞设计中中的重要环节节之一；我国国已建隧洞工工程，由于洞洞线布置上的的不合理和施施工方法上的的欠妥，而发发生的事故不不少。其原因因：一是地质质资料不足；；二是水力学学因素。隧洞布置隧洞布置1．洞线选择（１）在洞线线选择中都非非常重视遵循循洞线垂直于地地质构造线或或与构造线保保持有足够角角度的原则。一般般与构造线夹夹角大于３００°时基本无塌方方事故；２００°～３０°时会出现塌方方；小于２００°时大多出现塌塌方事故。隧洞布置1．洞线选择（２）层状岩岩体是典型的的各向异性介介质。在层状岩体中布布置隧洞，洞洞轴线与岩层层走向要有较较大的夹角，，碧口水电站在在陡倾角较疏疏松的薄层千千枚岩中开挖挖了４条隧洞洞、３条压力力管道和其他他各种洞室。。洞轴线与岩岩层的夹角００°～２５°时，洞壁发生生严重外鼓和和倾倒；夹角角２５°～３０°时，发生较轻轻微外鼓和倾倾倒；夹角大大于４５°时，围岩基本本稳定。隧洞布置1．洞线选择（３）洞线布置应考考虑地应力方方向，例如，二滩滩水电站，２２号、４号探探洞三维地应应力实测资料料分析，最大大主应力方向向为北东３００°左右，如选取取北东３０°方向为ｘ轴，，北西６０°方向为ｙ轴，，ｚ轴铅直向向上，根据实实测值算出这这种位置的各各种地应力参参数，列于表表１中。表１可以看出出，两个水平平应力分量相相差很大，如如果洞轴线选选在ｘ轴方向向，边墙将受受到小的侧向向压力，若选选在ｙ轴上，，边墙上将受受到大的侧向向压力，两者者相比，后者者边墙上单位位面积所受的的侧向压力，，为前者的１１．５７～３３．６３倍。。据此分析，，并结合考虑虑了地质构造造线方向进行行了厂区洞群群布置。结果果开挖施工进进行顺利。隧洞布置２．隧洞埋设设深度隧洞埋设深度度，即洞顶以以上岩体的覆覆盖厚度和山山体岸边一侧侧的岩体厚度度，一般统称称为围岩的覆覆盖厚度。隧隧洞围岩的覆覆盖厚度涉及及到围岩的稳稳定性、围岩岩的抗力及围围岩的防渗能能力等。隧洞布置２．隧洞埋设设深度2．1进、出口洞段段及无压隧洞洞调查了１９个个工程的进出出口，其最小小覆盖厚度均均不足１．００倍的洞径，，关键是采取取了合理的施施工程序和工工程措施，其其结果是减少少了明挖，争争取了工期。。隧洞布置２２．隧洞埋设设深度隧洞布置２．隧洞埋设设深度2．2有压隧洞隧洞布置２．隧洞埋设设深度２）雪山准则则（如图２所示示）：对于比较陡峭峭的地形，侧侧向覆盖常起起着控制作用用。澳大利亚亚的雪山准则则［Ｄａｎｎｎｅｔａｌ，，１９６４］］。隧洞布置２．隧洞埋设设深度隧洞布置２．隧洞埋设设深度３）挪威准则则（如图３所示示）：早年，在挪威威当压力隧洞洞地表岩体坡坡度变陡时，，设计者只是是简单地把所所需的围岩覆覆盖厚度从静静水头的０．．６倍增加到到１．０倍。。结果导致一一些工程的失失败。关于经经验系数Ｆ的的取值问题，，宜根据围岩岩情况确定。。隧洞布置２２．隧洞埋设设深度隧洞布置２．隧洞埋设设深度对岩体坡角从从０°～７０°的不同情况使使用垂直向准准则、雪山准准则和挪威准准则进行计算算比较，雪山山准则和挪威威准则相当吻吻合，它随着着坡角的增加加而覆盖厚度度增加，垂直直向准则覆盖盖厚度则随着着岩体坡角的的增大而减少少。显然挪威威和雪山准则则均更合理。。国内工程推推荐采用挪威威准则。F=1.10—1.50。隧洞布置２．隧洞埋设设深度高压隧洞和岔岔洞虽满足了了覆盖厚度的的要求，有时时在完好的岩岩体中仍会发发生水力劈裂裂，所以提出出对地应力和和渗流稳定的的要求。隧洞布置工程事例洞线选择不当当由于洞线选择择不当造成重重大损失的工工程事例，如如：十三陵电站斜斜管段附近有有一条１０多多米宽的大断断层，勘探时时没发现，斜斜管段布置在在断层处，其其走向、倾角角几乎与断层层重合，开挖挖导洞时发生生严重坍方，，延误工期数数月；隧洞布置工程事例洞线选择不当当引青济秦引水水工程中的某某段隧洞长约约５０００ｍｍ，有近６００ｍ洞段处于于冲沟沟底，，开挖过程中中出现坍方，，几经处理后后仍控制不住住坍方扩大，，造成地面下下沉，形成直直径约９ｍ、、深１１ｍ的的通天坍方漏漏斗，处理近近半年时间，，造成巨大损损失；隧洞布置工程事例洞线选择不当当×××电站发电洞布布置于大坝左左岸，该大坝坝为定向爆破破成坝，爆破破烈度达７度度～９度，爆爆破促使坝址址区岩体震碎碎，卸荷裂隙隙张开。１９９７３年建成成后经多年风风化，致使原原已张开的裂裂隙进一步风风化、松驰，，卸荷带宽达达２０ｍ～３３０ｍ。１９９８５年开凿凿的发电引水水隧洞出口段段位于卸荷带带中，１９９９１年５月充充水出现多处处渗水射流。。放空检查发发现洞内岩体体变形、钢管管下移，衬砌砌混凝土多处处拉裂，岔管管混凝土开裂裂，钢筋外露露，为此不得得不另建一条条发电隧洞。。隧洞布布置工程事事例洞线选选择不不当碧口水水电站站泄洪洪洞方方案比比选时时曾进进行过过左右右岸方方案比比较，，最后后因右右岸泄泄洪洞洞较长长而被被放弃弃，结结果选选定的的左岸岸泄洪洪洞因因地质质构造造的不不利组组合造造成大大坍方方，地地面坍坍陷面面积达达１０００００ｍ２２，坍坍方段段长１１８ｍｍ，坍坍方量量约５５００００ｍｍ３，，工程程停工工处理理达数数年之之久。。隧洞布布置工程事事例覆盖厚厚度不不足由于最最小覆覆盖厚厚度不不足发发生水水力劈劈裂和和渗透透失稳稳造成成工程程事例例，如如：江西蔡蔡坊电电站发发电引引水隧隧洞长长2770m，内径径2.1m，设计计水头头108m，衬砌砌厚50cm单筋5根20，黑云云毌花花岗岩岩，上上覆厚厚度14m，1995.11.16下闸蓄蓄水，，12.15日充水水高压压水沿沿衬砌砌和围围岩裂裂隙冲冲出，，形成成泥石石流，，冲毁毁开关关站，，淹没没厂房房。围岩压压力１．自自稳条条件好好，开开挖后后变形形很快快稳定定的围围岩，，可不不计围围岩压压力。。围岩变变形（（位移移）基基本稳稳定的的判别别标准准参见见国家家标准准ＧＢＢ５０００８８６－－２０００００和《岩土工工程监监测手手册》（中国国水利利水电电出版版社１１９９９８年年版））。由由统计计规律律看，，一般般在变变形小小于００．２２ｍｍｍ/ｄ时可可认为为基本本稳定定。在在有长长期观观测（（大于于３个个月））成果果时，，观测测后期期全月月平均均小于于０．．１ｍｍｍ/ｄ时认认为是是稳定定的。。围岩压压力２．薄层状状及碎碎裂散散体结结构的的围岩岩，作用用在衬衬砌上上的围围岩压压力可可按式式（６６．２２．４４－１１）、、式（（６．．２．．４－－２））计算算：围岩压压力３．不不能形形成稳稳定拱拱的浅浅埋隧隧洞，，宜按按洞室室顶拱拱的上上覆岩岩体重重力作作用计计算围围岩压压力，，再根根据施施工所所采取取的支支护措措施予予以修修正。。围岩压压力４．块块状、、中厚厚层至至厚层层状结结构的的围岩岩，可可根据据围岩岩中不不稳定定块体体的作作用力力来确确定围围岩压压力。。围岩压压力５．采采取了了支护护或加加固措措施的的围岩岩，根根据其其稳定定状况况，可可不计计或少少计围围岩压压力。。围岩压压力除除与地地质条条件、、隧洞洞开挖挖尺寸寸有关关外，，与施施工方方法、、支护护措施施、支支护时时间有有很大大关系系。采采用紧紧跟掌掌子面面的喷喷射混混凝土土，或或根据据变形形监测测成果果采取取及时时锚喷喷支护护，可可控制制围岩岩变形形，即即使在在地质质条件件较差差的围围岩中中，也也可大大大减减少围围岩变变形造造成的的压力力，但但是，，围岩岩压力力究竟竟减多多少，，目前前还只只能靠靠工程程经验验和对对变形形监测测的分分析采采用类类比法法决定定。围岩压压力６．采采用掘掘进机机开挖挖、光光面爆爆破、、控制制爆破破可减减少对对围岩岩的扰扰动和和破坏坏，可可增加加围岩岩的自自承能能力，，使围围岩在在衬砌砌上形形成的的压力力减少少；可可适当当少计计围岩岩压力力。围岩压压力７．具具有流流变或或膨胀胀等特特殊性性质的的围岩岩，可可能对对衬砌砌结构构产生生变形形压力力时，，应对对这种种作用用进行行专门门研究究。８．地地应力力在衬衬砌上上产生生的作作用应应进行行专门门研究究。外水压压力地下水水压力力是设设计最最关注注的、、也是是很难难准确确确定定的。。外水压压力1．外水水压力力折减减系数数1．外水水压力力折减减系数数的方方法隧洞的的外水水压力力作用用一般般根据据围岩岩的渗渗透系系数、、岩层层结构构、地地质构构造、、渗流流类型型、衬衬砌型型式、、补给给水源源、排排水或或出水水点等等条件件，通通过渗渗流计计算来来确定定。但但是，，计算算工作作量较较大，，计算算参数数难确确定，，不现现实。。用结结构力力学法法计算算衬砌砌结构构时需需先确确定作作用在在衬砌砌面上上的外外水压压力，，然后后按面面力进进行计计算。。鉴于于上述述原因因《水工建建筑物物荷载载设计计规范范》仍选用用外水水压力力折减减系数数的方方法。。外水压压力外水压压力1．外水水压力力折减减系数数外水压压力折折减系系数存存在问问题：：①在工工程的的前期期阶段段，隧隧洞尚尚未开开挖，，无法法取得得地下下水活活动状状态的的资料料。外外水压压力折折减系系数βe值在隧隧洞前前期勘勘察中中难以以应用用。②在隧隧洞施施工阶阶段，，虽然然可以以根据据地下下水活活动状状态判判定βe值，但但表中中变变化区区间大大，且且上下下不同同级别别的βe值相互互重叠叠，取取值困困难，，不尽尽合理理。③表中中没有有阐明明外水水压力力与工工程、、水文文地质质条件件的关关系，，特别别是与与岩体体渗透透性的的关系系，从从而不不利于于工程程地质质勘察察的取取值。。外水压压力外水压压力折折减系系数修修正和和补充充《隧洞外外水压压力折折减系系数工工程地地质研研究》宋岳贾贾国臣臣滕滕杰杰岩体渗渗透性性与外外水压压力折折减系系数关关系地下水水溢出出状态态与外外水压压力折折减系系数关关系外水压压力2．排水水设施施当为抵抵御高高地下下水压压力而而需要要增加加衬砌砌厚度度时，，我国国的经经验是是在满满足有有关覆覆盖厚厚度规规定的的条件件下，，可采采用排排水措措施降降低外外水压压力，，但对对于不不良地地质洞洞段应应予以以慎重重对待待。外水压压力2．排水水设施施对设有有排水水设施施的水水工隧隧洞，，可根根据排排水效效果和和排水水设施施的可可靠性性，对对作用用在衬衬砌结结构上上的外外水压压力作作适当当折减减，其其折减减值可可通过过工程程类比比或渗渗流计计算分分析确确定。。外水压压力2．排水水设施施排水的的几种种主要要类型型（1）在衬衬砌中中设置置排水水孔(孔径4cm~20cm)。（2）排水水廊道道或排排水洞洞，洞洞径一一般1.5m到3m。（3）排水水幕与与排水水洞联联合使使用，，排排水幕幕可布布置在在任意意方向向。（4）设置置辐射射状排排水孔孔组成成排水水带。。多用用于地地下厂厂房及及无压压隧洞洞。外水压压力2．排水水设施施（5）设置置排水水盲沟沟，尺尺寸寸介于于排水水孔和和排水水洞之之间，，常在在隧洞洞底板板下布布置排排水盲盲沟。。（6）土土工织织物排排水，，利利用土土工织织物透透水性性，在在隧洞洞岩壁壁上铺铺成条条带状状然后后浇筑筑衬砌砌，岩岩石渗渗水通通过土土工织织物排排水条条带排排走。。（7）高高压钢钢管贴贴壁式式排水水，用用槽槽钢或或角钢钢或半半圆钢钢管点点焊在在压力力钢管管外缘缘形成成排水水网络络。外水压压力2．排水水设施施应注意意的几几亇问问题(1)有压隧隧洞多多采用用圆形形断面面，它它有较较高的的抗外外压稳稳定的的能力力，所所以在在低压压隧洞洞中，，很少少在衬衬砌中中设置置排水水孔。。(2)有压隧隧洞设设置排排水孔孔时应应注意意内水水外渗渗。外水压压力2．排水水设施施(3)为了阻阻止围围岩中中岩屑屑随水水带出出，恶恶化围围岩，，可在在排水水孔中中设置置软式式透水水管。。(4)当围岩岩中软软弱面面充填填物有有被水水溶解解和带带走的的可能能时，，为保保持围围岩稳稳定，，则不不允许许设置置排水水措施施。外水压压力EM1110-2-2901规范没有必必要或或没有有理由由为外外水压压力设设计衬衬砌。。在施工工、检检修和和维修修期内内，必必须进进行隧隧洞排排水。。如果果施工工期的的地下下涌水水太大大，可可采用用灌浆浆减小小水流流量。。衬砌设设计应应能承承受一一定比比例的的外水水压力力，因因为排排水无无法将将压力力减小小到零零，而而且排排水管管存在在被堵堵塞的的可能能性。。采用用适当当的排排水措措施后后，设设计外外水压压力可可采用用低于于25%的全部部压力力或相相当于于三倍倍洞径径的水水柱高高度。。外水压压力张有天天隧洞洞设计计三原原则(1)隧洞的的外水水荷载载是作作用于于地下下水位位以下下整个个空间间的渗渗流场场力(2)应按渗渗流荷荷载增增量理理论分分析隧隧洞应应力(3)衬砌与与围岩岩有条条件地地联合合作用用外水压压力工程事事例1.由于有有强渗渗透的的含水水层、、裂隙隙水、、强地地表水水补给给，造造成围围岩稳稳定条条件恶恶化，，引起起局部部失稳稳：××电站炭炭质页页岩段段隧洞洞，施施工中中遇到到地下下水，，岩体体软化化，围围岩失失稳，，冒顶顶大坍坍方。。外水压压力工程事事例2.因排水水失效效导致致衬砌砌破坏坏美国TaumSank压力隧隧洞，，设计计水头头263m，钢衬衬直径径5.6m，运行行四年年后检检查发发现钢钢衬压压屈，，进一一步检检查发发现外外排水水系统统被碳碳酸盐盐类物物质堵堵塞，，外水水压力力使钢钢衬压压屈所所致。。外水压压力工程事事例3.因施工工质量量差在在放水水时受受外水水压力力作用用衬砌砌破坏坏羊卓湖湖抽水水蓄能能电站站，位位于海海拔4000m以上的的青藏藏高原原，引引水隧隧洞长长5889m，D=2.5m，混凝凝土衬衬砌0.3~0.5m，深埋埋（50~450m）于浅浅变质质岩中中，放放水速速度较较快，，发现现上水水平段段混凝凝土衬衬砌开开裂脱脱落，，混凝凝土蜂蜂窝麻麻面，，内混混模板板、杂杂物，，钢筋筋未绑绑扎，，最后后将2.7km混凝土土衬砌砌段全全改为为钢衬衬。外水压压力工程程事事例例4.因内内水水外外渗渗受受外外水水压压力力作作用用衬衬砌砌破破坏坏刘家家峡峡1#机组组引引水水发发电电隧隧洞洞，，砼砼裂裂缝缝形形成成内内水水外外渗渗，，高高压压水水沿沿着着钢钢管管与与围围岩岩间间的的缝缝隙隙作作用用在在钢钢管管上上，，使使钢钢管管变变形形、、压压屈屈，，形形成成鼓鼓包包，，变变形形失失稳稳。。BathCountny抽水水蓄蓄能能电电站站，，二二条条平平行行的的混混凝凝土土衬衬砌砌隧隧洞洞和和压压力力钢钢管管，，设设计计水水头头395m，洞洞径径5m。1985年建建成成，，当当1#隧洞洞充充水水试试验验时时，，由由于于混混凝凝土土衬衬砌砌开开裂裂，，内内水水外外渗渗，，使使2#压力力钢钢管管钢钢板板衬衬砌砌压压屈屈。。外水水压压力力对有有地地表表水水强强补补给给的的冲冲沟沟，，一一是是容容易易造造成成围围岩岩失失稳稳，，二二是是施施工工期期外外水水内内渗渗，，工工程程上上处处理理很很困困难难，，运运行行期期的的外外水水压压力力可可能能较较大大。。支护护设设计计根据据防防渗渗要要求求，，隧隧洞洞衬衬砌砌结结构构设设计计可可分分为为抗抗裂裂、、限限裂裂和和不不限限制制裂裂缝缝宽宽度度设设计计。。(１)围岩岩抗抗渗渗能能力力差差，，内内水水外外渗渗造造成成的的危危害害，，应应提提出出严严格格的的防防渗渗要要求求；；(２)围岩岩具具有有抗抗渗渗能能力力，，内内水水外外渗渗可可能能造造成成不不良良地地质质段段的的局局部部失失稳稳，，宜宜提提出出一一般般防防渗渗要要求求；；(３)围岩岩具具有有较较好好的的抗抗渗渗性性，，内内水水外外渗渗不不存存在在渗渗透透失失稳稳和和环环境境破破坏坏问问题题，，可可不不提提出出防防渗渗要要求求。。支护护设设计计１.不衬衬砌砌与与锚锚喷喷支支护护不衬衬砌砌与与锚锚喷喷支支护护的的设设计计，，一一般般宜宜按按工工程程类类比比法法，，对对于于直直径径（（跨跨度度））大大于于１１００ｍｍ的的隧隧洞洞，，尚尚应应辅辅以以理理论论计计算算和和监监控控量量测测。。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生预预应应力力的的混混凝凝土土衬衬砌砌，，我我国国白白