水工隧洞设计需注意的几个方面

发表时间：2013-01-09T14:18:44.200Z 来源：《建筑学研究前沿》2012年11月Under供稿 作者： 彭清华1 何明泽2[导读] 洞室支护与衬砌、防水与排水设计等相关问题是影响水利水电工程建设质量的关键因素。

彭清华1 何明泽2

(云南秀川水利水电勘察设计有限公司 云南 昆明 650021; 临沧市双江县水利局 临沧 双江 677300)

摘要：水工隧洞设计过程中，有关洞室支护与衬砌、防水与排水设计等相关问题是影响水利水电工程建设质量的关键因素。本文深入探讨了支护与衬砌、防水与排水设计等方面的相关方面，旨在为水工隧洞的实际设计施工提供可参考。关键词：水工；隧洞设计；支护；防水 引言

在水利水电工程实际建设过程中，由于水工建筑物的区域位置以及体型要求，施工时往往会要求根据实际情况开挖不同类型的地下洞室。地下工程区域的地质条件差异很大，因此，在考虑支护措施时，往往会从工程设计、施工等方面进行综合考虑。地下工程是项复杂的建设过程，到目前为止，还没有较为精确、合理的地下支护结构设计、计算方法。为此，支护结构计算设计过程常以理论分析为基础，依托工程类比设计为主的经验法。另外，实际施工过程中，参与施工的人员队伍由于专业素质及水平存在较大的差异，也可能使实际的设计计算结果与实际的施工控制出现脱节，影响最终的施工质量。

地下水是地下洞室设计和施工中不可忽略的重要因素。地下水不仅对洞内施工环境有很大影响，而且对确定支护结构荷载和选取施工方案也有直接的关联。不同工程的自身条件影响着地下水的处理流程。因此，笔者基于多年的水工工程施工经验，探讨水工隧洞设计时需注意的问题，如支护、地下水处理等，旨在对实际施工提供有价值的参考。 1支护与衬砌

1.1支护与衬砌的相关概念

目前，很多隧洞和地下洞室均采用喷锚支护或者喷锚以及钢筋混凝土衬砌复合衬砌结构。该类支护结构是采用现代支护结构而设计。关于支护和衬砌，各种行业规范有稍微的差异，但是其本质是一致的，即按照支护原理，前期先施加的柔性支护大幅度减弱围岩的变形和地压，后施加的刚性支护则可承受剩下的围岩变形和压力。总而言之，喷锚支护和衬砌均为承载结构。 1.2 设计施工中存在的问题与对策

根据支护理论的基本原理以及概念，锚喷支护作为首次支护，通常能够承担一部分或者整理的围岩压力，从而使洞室开挖断面可以保持稳定。国内的锚喷支护设计规范主要依据洞室的宽度以及围岩的类别，采取工程类比法，及时明确支护的相关类型与参数，必要时，可以使用理论验算法与监控量测法进行辅助，提供相应的锚喷支护设计参数表。现段阶，锚喷支护的相关技术规范还没有达到这个目标，一般来讲，设计支护的参数与围岩的地质条件、工程规划以及不同的设计手法有着很大的关系，通常是在洞室进行开挖之前，首先应确定一个初期支护参数，再通过监控量测出的数据以及开挖面地质的详勘结果，将初期支护的类型与参数进行调整，以确定最终的支护类型与参数。在实际的设计以及施工过程中，主要存在以下几种问题：

(1)在施工过程中，认为初期支护只是一种临时支护，只需维持施工期间的稳定，从而降低了设计标准。

(2) 设计支护的参数未对施工过程及施工设备起到束缚性的作用，由于受到施工水平与施工设备的局限，设计与施工过程的控制出现了脱节的情况；例如，在10m以下且跨度较软的围岩洞室内，原则上应该及时进行封闭与锚喷支护，但是由于施工成本的约束，施工单位通常不采用凿岩台车、多臂钻等各种先进设备。

(3) 片面地认为围岩可以有一定程度的塑性变形，以最大限度地提高围岩自身的承受能力，最终导致支护时间滞后，引起塌方。

(4) 监控量测不全面，地质编录资料没有进行深入地分析，在一些中小型洞室施工过程中，基本没有监控量测，滞后的地质资料导致支护参数最佳的调整时间。

(5) 有些工程根据工程量清单招标和设计规范进行施工，但是若在洞室开挖后再调整支护参数，则会直接引起商务合同的改变。 因此，对于这些问题，笔者基于多年的工作经验，在参照各种简易锚喷支护参数规范的基础上，提出如下措施。

(1) 支护参数选取时，应该依据不同围岩压力的特点，同时对拱墙也选择与之对应的支护参数。选择的参数应该体现喷锚支护的本质功能特点，即实现围岩的局部加固以及整体加固。对于Ⅲ类及以上的较为稳定的围岩，则可按照“拱是重点、拱墙有别”的原则，让支护承受松动压力。但是在Ⅳ或者Ⅴ不稳定岩体的条件下，支护主要作用是承受变形地压，此时，拱墙也应该选择同样的支护参数。

(2) 喷层厚度的控制以及喷护时机掌握。第一次喷护时，厚度最好控制在3 ～ 10 cm 之间，喷层的总厚度宜控制于10～20cm。从喷层厚度有限元应力分析结果可知，如果喷层厚度太薄或者太后，如厚度小于4cm，或者超过30cm，其应力会降低15%左右，而结果也显示，过厚的喷层对围岩变形限制的效果并不是特别好。因此，对于断面较小的洞室，最佳的喷层厚度应控制于8～15cm。另外，初次支护的时间以及支护时采用的施工顺序均会对围岩自稳时间产生直接的关联。若围岩自稳时间比较长，则最好选择先锚后喷的方式；若围岩自稳时间较短，则宜采用喷—锚—喷的施工顺序。值得注意的是，第一次喷护时，应该尽量缩短施工时间，保证在围岩自稳时间内至少完成半数以上的喷层作业量。如果喷层厚度大于5 cm，最好采用分次喷护的方式进行。

(3) 合理确定锚杆长度。确定锚杆长度的方法很多，Rabcewicz 经验法则是欧洲广泛采的方法之一。Rabcewicz 经验法则指出：锚杆有效长度应该不小于开挖宽度三分之一；锚杆间距宜小于锚杆有效长度的一半。例如，在常见的10m以下隧洞施工时，凿孔工作通常选择简易台车配以手风钻实现，而锚杆长度则往往不会大于4.0m，最好为3 m或者4 m。锚杆间距确定为锚杆有效长度的一半。

(4) 强化施工过程资料的整理及信息反馈。洞室的跨度超过15 m，若仅仅根据工程类比经验法则确定和设计洞室的锚固系统，不能满足洞室对安全及质量的要求。一般情况下，应该根据工程类比经验法则确定洞室的支护参数，然后对围岩的稳定性进行验算和分析。但是围岩稳定性测算时，所选择的岩石参数对测算的准确性有非常直接的影响。因此，地质编录资料是否能及时反馈，在一定程度上决定着围岩稳定性的测算，应强化施工过程资料的整理及信息反馈。

(5) 考虑支护参数调整变更带来的合同经济诉求。水工隧洞设计时，若仅侧重于隧洞优化设计带来的潜在的经济利益，而忽略设计变更

带来的支护参数调整，会引起工程合同经济的纠纷。所以，应该规范和协调不同建筑物支护参数的确定及变更，防止出现由于支护参数的调整和变更带来商务合同各方的利益诉求。 2防渗与排水设计

2.1 防渗与排水设计的基本原则

在隧洞设计和施工过程中，如何有效处理地下水是施工环节中不可忽略的重要方面。防渗和排水设计需在综合考虑隧洞沿线围岩的地质水文条件，工程设计要求的基础上，结合工程的实际情况，选用堵( 注浆) 、截(防渗帷幕) 、排( 设排水孔或者排水廊道) 等措施有效处理地下水。

2.2注浆的作用与标准

注浆的本质作用在于“堵”。它指的是通过回填和固结灌浆的方式，防止地下水渗透。固结灌浆的主要功能是提升围岩整体性，增加围岩的变形模量。但是是否需要固结灌浆，还应该从具体工程的实际情况出发，并不是全部的水工隧洞都需要进行固结灌浆施工。很多情况下，工程并不需要进行固结灌浆，例如围岩单位吸水率ω＜0.01L/(min.m.m)；吃浆量较少；裂隙不吃浆（如泥质充填）；围岩不需要起减小内水压作用或者无抗渗要求等。 2.3降压的作用与标准

随着社会文化进程的推进，环境保护愈来愈受到人们的重视。水工隧洞在设计时应该充分考虑洞内水流对周边环境带来的可能影响，如隧洞排水边界对天然地下水位产生的可能影响；内水外渗抬高地下水位，导致山体滑坡、坍塌等地质灾害等，特别是长度较长的引水隧洞要尤为注意对环境的影响。

因此，在研究处理高地下水位的深埋山岭隧道对环境的影响时，可从两个方面入手，即“大堵小排”。“大堵”主要作用是控制流量，而“小排”的主要功能为降低水压。如在衬砌后设立排导系统，降低水压力；通过地层注浆技术减缓地下水排放流量。 结束语

洞室支护与衬砌、防水与排水设计等相关问题是影响水利水电工程建设质量的关键因素。笔者基于多年的工作经验，深入分析了上述领域需注意的几个方面，希望对后续的实际施工作业有较好的参考价值。参考文献：

[1] 汪银宝.水工隧洞混凝土施工质量控制措施分析[J]. 中国新技术新产品. 2009(20) [2] 刘英丽,刘晓娟,赵文海.隧洞施工技术方法探讨[J]. 黑龙江水利科技. 2008(04)、 [3] 王建宇.对隧道工程中监控测量问题的讨论［J］． 现代隧道技术，2008．