水工隧洞布置设计

1．洞线选择水工隧洞洞线的选择，是隧洞设计中的重要环节之一；我国已建隧洞工程，由于洞线布置上的不合理和施工方法上的欠妥，而发生的事故不少。其原因：一是地质资料不足；二是水力学因素。隧洞布置隧洞布置

1．洞线选择（１）在洞线选择中都非常重视遵循洞线垂直于地质构造线或与构造线保持有足够角度的原则。一般与构造线夹角大于３０°时基本无塌方事故；２０°～３０°时会出现塌方；小于２０°时大多出现塌方事故。隧洞布置

1．洞线选择（２）层状岩体是典型的各向异性介质。在层状岩体中布置隧洞，洞轴线与岩层走向要有较大的夹角，碧口水电站在陡倾角较疏松的薄层千枚岩中开挖了４条隧洞、３条压力管道和其他各种洞室。洞轴线与岩层的夹角０°～２５°时，洞壁发生严重外鼓和倾倒；夹角２５°～３０°时，发生较轻微外鼓和倾倒；夹角大于４５°时，围岩基本稳定。隧洞布置

1．洞线选择（３）洞线布置应考虑地应力方向，例如，二滩水电站，２号、４号探洞三维地应力实测资料分析，最大主应力方向为北东３０°左右，如选取北东３０°方向为ｘ轴，北西６０°方向为ｙ轴，ｚ轴铅直向上，根据实测值算出这种位置的各种地应力参数，列于表１中。表１可以看出，两个水平应力分量相差很大，如果洞轴线选在ｘ轴方向，边墙将受到小的侧向压力，若选在ｙ轴上，边墙上将受到大的侧向压力，两者相比，后者边墙上单位面积所受的侧向压力，为前者的１．５７～３．６３倍。据此分析，并结合考虑了地质构造线方向进行了厂区洞群布置。结果开挖施工进行顺利。隧洞布置

２．隧洞埋设深度隧洞埋设深度，即洞顶以上岩体的覆盖厚度和山体岸边一侧的岩体厚度，一般统称为围岩的覆盖厚度。隧洞围岩的覆盖厚度涉及到围岩的稳定性、围岩的抗力及围岩的防渗能力等。隧洞布置

２．隧洞埋设深度2．1进、出口洞段及无压隧洞调查了１９个工程的进出口，其最小覆盖厚度均不足１．０倍的洞径，关键是采取了合理的施工程序和工程措施，其结果是减少了明挖，争取了工期。隧洞布置２．隧洞埋设深度隧洞布置

２．隧洞埋设深度2．2有压隧洞

隧洞布置

２．隧洞埋设深度２）雪山准则（如图２所示）：对于比较陡峭的地形，侧向覆盖常起着控制作用。澳大利亚的雪山准则［Ｄａｎｎｅｔａｌ，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。。隧洞布置工程事例洞线选择不当当碧口水电站泄泄洪洞方案比比选时曾进行行过左右岸方方案比较，最最后因右岸泄泄洪洞较长而而被放弃，结结果选定的左左岸泄洪洞因因地质构造的的不利组合造造成大坍方，，地面坍陷面面积达１００００ｍ２，坍坍方段长１８８ｍ，坍方量量约５００００ｍ３，工程程停工处理达达数年之久。。隧洞布置工程事例覆盖厚度不足足由于最小覆盖盖厚度不足发发生水力劈裂裂和渗透失稳稳造成工程事事例，如：江西蔡坊电站站发电引水隧隧洞长2770m，内径2.1m，设计水头108m，衬砌厚50cm单筋5根20，黑云毌花岗岗岩，上覆厚厚度14m，1995.11.16下闸蓄水，12.15日充水高压水水沿衬砌和围围岩裂隙冲出出，形成泥石石流，冲毁开开关站，淹没没厂房。围岩压力１．自稳条件件好，开挖后后变形很快稳稳定的围岩，，可不计围岩岩压力。围岩变形（位位移）基本稳稳定的判别标标准参见国家家标准ＧＢ５５００８６－－２０００和和《岩土工程监测测手册》（中国水利水水电出版社１１９９８年版版）。由统计计规律看，一一般在变形小小于０．２ｍｍｍ/ｄ时可认为基基本稳定。在在有长期观测测（大于３个个月）成果时时，观测后期期全月平均小小于０．１ｍｍｍ/ｄ时认为是稳稳定的。围岩压力２．薄层状及碎裂裂散体结构的的围岩，作用在衬砌砌上的围岩压压力可按式（（６．２．４４－１）、式式（６．２．．４－２）计计算：围岩压力３．不能形成成稳定拱的浅浅埋隧洞，宜宜按洞室顶拱拱的上覆岩体体重力作用计计算围岩压力力，再根据施施工所采取的的支护措施予予以修正。围岩压力４．块状、中中厚层至厚层层状结构的围围岩，可根据据围岩中不稳稳定块体的作作用力来确定定围岩压力。。围岩压力５．采取了支支护或加固措措施的围岩，，根据其稳定定状况，可不不计或少计围围岩压力。围岩压力除与与地质条件、、隧洞开挖尺尺寸有关外，，与施工方法法、支护措施施、支护时间间有很大关系系。采用紧跟跟掌子面的喷喷射混凝土，，或根据变形形监测成果采采取及时锚喷喷支护，可控控制围岩变形形，即使在地地质条件较差差的围岩中，，也可大大减减少围岩变形形造成的压力力，但是，围围岩压力究竟竟减多少，目目前还只能靠靠工程经验和和对变形监测测的分析采用用类比法决定定。围岩压力６．采用掘进进机开挖、光光面爆破、控控制爆破可减减少对围岩的的扰动和破坏坏，可增加围围岩的自承能能力，使围岩岩在衬砌上形形成的压力减减少；可适当当少计围岩压压力。围岩压力７．具有流变变或膨胀等特特殊性质的围围岩，可能对对衬砌结构产产生变形压力力时，应对这这种作用进行行专门研究。。８．地应力在衬砌砌上产生的作用应应进行专门研究。。外水压力地下水压力是设计计最关注的、也是是很难准确确定的的。外水压力1．外水压力折减系系数1．外水压力折减系系数的方法隧洞的外水压力作作用一般根据围岩岩的渗透系数、岩岩层结构、地质构构造、渗流类型、、衬砌型式、补给给水源、排水或出出水点等条件，通通过渗流计算来确确定。但是，计算算工作量较大，计计算参数难确定，，不现实。用结构构力学法计算衬砌砌结构时需先确定定作用在衬砌面上上的外水压力，然然后按面力进行计计算。鉴于上述原原因《水工建筑物荷载设设计规范》仍选用外水压力折折减系数的方法。。外水压力外水压力1．外水压力折减系系数外水压力折减系数数存在问题：①在工程的前期阶阶段，隧洞尚未开开挖，无法取得地地下水活动状态的的资料。外水压力力折减系数βe值在隧洞前期勘察察中难以应用。②在隧洞施工阶段段，虽然可以根据据地下水活动状态态判定βe值，但表中变化化区间大，且上下下不同级别的βe值相互重叠，取值值困难，不尽合理理。③表中没有阐明外外水压力与工程、、水文地质条件的的关系，特别是与与岩体渗透性的关关系，从而不利于于工程地质勘察的的取值。外水压力外水压力折减系数数修正和补充《隧洞外水压力折减减系数工程地质研研究》宋岳贾国臣滕滕杰岩体渗透性与外水水压力折减系数关关系地下水溢出状态与与外水压力折减系系数关系外水压力2．排水设施当为抵御高地下水水压力而需要增加加衬砌厚度时，我我国的经验是在满满足有关覆盖厚度度规定的条件下，，可采用排水措施施降低外水压力，，但对于不良地质质洞段应予以慎重重对待。外水压力2．排水设施对设有排水设施的的水工隧洞，可根根据排水效果和排排水设施的可靠性性，对作用在衬砌砌结构上的外水压压力作适当折减，，其折减值可通过过工程类比或渗流流计算分析确定。。外水压力2．排水设施排水的几种主要类类型（1）在衬砌中设置排排水孔(孔径4cm~20cm)。（2）排水廊道或排水水洞，洞径一般1.5m到3m。（3）排水幕与排水洞洞联合使用，排排水幕可布置在任任意方向。（4）设置辐射状排水水孔组成排水带。。多用于地下厂房房及无压隧洞。外水压力2．排水设施（5）设置排水盲沟，，尺寸介于排水水孔和排水洞之间间，常在隧洞底板板下布置排水盲沟沟。（6）土工织物排水水，利用土工织织物透水性，在隧隧洞岩壁上铺成条条带状然后浇筑衬衬砌，岩石渗水通通过土工织物排水水条带排走。（7）高压钢管贴壁壁式排水，用槽槽钢或角钢或半圆圆钢管点焊在压力力钢管外缘形成排排水网络。外水压力2．排水设施应注意的几亇问题题(1)有压隧洞多采用圆圆形断面，它有较较高的抗外压稳定定的能力，所以在在低压隧洞中，很很少在衬砌中设置置排水孔。(2)有压隧洞设置排水水孔时应注意内水水外渗。外水压力2．排水设施(3)为了阻止围岩中岩岩屑随水带出，恶恶化围岩，可在排排水孔中设置软式式透水管。(4)当围岩中软弱面充充填物有被水溶解解和带走的可能时时，为保持围岩稳稳定，则不允许设设置排水措施。外水压力EM1110-2-2901规范没有必要或没有理理由为外水压力设设计衬砌。在施工、检修和维维修期内，必须进进行隧洞排水。如如果施工期的地下下涌水太大，可采采用灌浆减小水流流量。衬砌设计应能承受受一定比例的外水水压力，因为排水水无法将压力减小小到零，而且排水水管存在被堵塞的的可能性。采用适适当的排水措施后后，设计外水压力力可采用低于25%的全部压力或相当当于三倍洞径的水水柱高度。外水压力张有天隧洞设计三三原则(1)隧洞的外水荷载是是作用于地下水位位以下整个空间的的渗流场力(2)应按渗流荷载增量量理论分析隧洞应应力(3)衬砌与围岩有条件件地联合作用外水压力工程事例1.由于有强渗透的含含水层、裂隙水、、强地表水补给，，造成围岩稳定条条件恶化，引起局局部失稳：××电站炭质页岩段隧隧洞，施工中遇到到地下水，岩体软软化，围岩失稳，，冒顶大坍方。外水压力工程事例2.因排水失效导致衬衬砌破坏美国TaumSank压力隧洞，设计水水头263m，钢衬直径5.6m，运行四年后检查查发现钢衬压屈，，进一步检查发现现外排水系统被碳碳酸盐类物质堵塞塞，外水压力使钢钢衬压屈所致。外水压力工程事例3.因施工质量差在放放水时受外水压力力作用衬砌破坏羊卓湖抽水蓄能电电站，位于海拔4000m以上的青藏高原，，引水隧洞长5889m，D=2.5m，混凝土衬砌0.3~0.5m，深埋（50~450m）于浅变质岩中，，放水速度较快，，发现上水平段混混凝土衬砌开裂脱脱落，混凝土蜂窝窝麻面，内混模板板、杂物，钢筋未未绑扎，最后将2.7km混凝土衬砌段全改改为钢衬。外水压力工程事例4.因内水外渗受外水水压力作用衬砌破破坏刘家峡1#机组引水发电隧洞洞，砼裂缝形成成内水外渗，高压压水沿着钢管与围围岩间的缝隙作用用在钢管上，使钢钢管变形、压屈，，形成鼓包，变形形失稳。BathCountny抽水蓄能电站，二二条平行的混凝土土衬砌隧洞和压力力钢管，设计水头头395m，洞径5m。1985年建成，当1#隧洞充水试验时，，由于混凝土衬砌砌开裂，内水外渗渗，使2#压力钢管钢板衬砌砌压屈。外水压力对有地表水强补给给的冲沟，一是容容易造成围岩失稳稳，二是施工期外外水内渗，工程上上处理很困难，运运行期的外水压力力可能较大。支护设计根据防渗要求，隧隧洞衬砌结构设计计可分为抗裂、限限裂和不限制裂缝缝宽度设计。(１)围岩抗渗能力差，，内水外渗造成的的危害，应提出严严格的防渗要求；；(２)围岩具有抗渗能力力，内水外渗可能能造成不良地质段段的局部失稳，宜宜提出一般防渗要要求；(３)围岩具有较好的抗抗渗性，内水外渗渗不存在渗透失稳稳和环境破坏问题题，可不提出防渗渗要求。支护设计１.不衬砌与锚喷支护护不衬砌与锚喷支护护的设计，一般宜宜按工程类比法，，对于直径（跨度度）大于１０ｍ的的隧洞，尚应辅以以理论计算和监控控量测。Ⅰ、Ⅱ类围岩，隧洞的直直径（跨度）不大大于５ｍ时宜不支支护，６ｍ～１００ｍ时宜采用喷混混凝土支护，大于于１０ｍ的隧洞，，宜采用锚喷联合合支护，遇有局部部不稳定块体时，，应采用锚杆加固固。Ⅲ、Ⅳ类围岩可采用锚喷喷、挂网或钢排架架等联合支护，Ⅳ类围岩必要时应进进行衬砌。不衬砌隧洞，必要要时可设置不承载载（平整）混凝土土衬砌。支护设计2.混凝土和钢筋混凝凝土衬砌2.混凝土和钢筋混凝凝土衬砌支护设计3.预应力混凝土衬砌砌对于防渗要求较高高的隧洞，钢筋混混凝土衬砌难以满满足防渗要求，采采用预应力混凝土土衬砌。(1)压浆式预应力混凝凝土衬砌用灌浆方法来产生生预应力的混凝土土衬砌，我国白山山工程；支护设计3.预应力混凝土衬砌砌(2)环锚式预应力混凝凝土衬砌用机械方法产生预预应力环锚式衬砌分有黏黏结后张预应力和和无黏结后张预应应力，小浪底工程程采用了后张法