承受高內(nèi)、外水壓力的隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建議

趙 妍，劉致彬，孫粵琳，王榮魯，柴冬梅

(1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京100038；2.河北供水有限責(zé)任公司，河北石家莊050050)

1 研究背景

國內(nèi)外多采用有粘結(jié)或無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土襯砌隧洞[1]，如清江隔河巖及天生橋一級水電站的發(fā)電隧洞均為有粘結(jié)鋼束，黃河小浪底水利樞紐，3條排沙洞隧洞襯砌則采用無粘結(jié)鋼束。由于后張法預(yù)應(yīng)力混凝土均需耗費(fèi)大量預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)、低松弛鋼材和錨具以及相當(dāng)多的普通鋼筋，施工麻煩。同時(shí)，因沿程預(yù)應(yīng)力損失，致使環(huán)向預(yù)壓應(yīng)力分布不均勻，受力狀態(tài)欠佳。因此，選用外加預(yù)應(yīng)力法，是一種經(jīng)濟(jì)、合理的選擇。

對于高外水壓力的處理方法一般是：①采用排水方式，由排水洞與排水孔組成的排水系統(tǒng)將地下水排出從而降低外水壓力，天生橋二級水電站隧洞采用的就是此法[2]；②采用“以堵為主，堵排結(jié)合”的方式。文獻(xiàn)[3，4]認(rèn)為首先采取固結(jié)灌漿處理措施，形成良好的抗?jié)B灌漿圈，可將高地下水壓力控制在灌漿圈的外部。寧夏固原地區(qū)7號(hào)大灣隧洞[5]，選擇固結(jié)灌漿層厚度2.5 m，排水孔深入圍巖2 m。對于壓力隧洞的排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)[6]，則多是利用已有探洞、施工支洞或根據(jù)圍巖地質(zhì)構(gòu)造等因素專門設(shè)計(jì)用于排水目的的排水洞，然后在洞內(nèi)布置水平斜向和垂直斜向排水孔。

以上解決高外水壓力的方法都存在一定缺點(diǎn)：如對壓力隧洞排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要是設(shè)置排水洞，洞內(nèi)布置排水孔，但設(shè)置排水洞會(huì)增加工程量和造價(jià)。也有研究將排水管出口布置在洞內(nèi)，在出水口設(shè)壓力閥[7]，但是此方法存在技術(shù)缺點(diǎn)，例如彈簧的銹蝕，連接套管的淤堵，因此尚未推廣應(yīng)用。

對于封堵的設(shè)計(jì)，主要是采用固結(jié)灌漿。灌漿時(shí)間有兩種：一是襯砌完成后進(jìn)行，質(zhì)量有保證，但對排水孔可能造成堵塞；二是超前預(yù)灌漿，即在洞開挖之前預(yù)灌漿，灌漿質(zhì)量有提高，但施工麻煩，難以推廣，而且固結(jié)灌漿并不能完全截?cái)酀B流。因此，對于隧洞承受的高外水壓力，建議采用先“堵”后“排”的工程措施，首先采用固結(jié)灌漿封堵，然后將滲透過灌漿層的水用抽排水系統(tǒng)排走。

2 高內(nèi)水壓力問題的對策[8]

(1)新型預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌隧洞結(jié)構(gòu)?？紤]到圍巖的存在，選用外加預(yù)應(yīng)力法，在圍巖和襯砌混凝土之間安裝一種圓環(huán)形扁千斤頂設(shè)備——用薄鋼板制成的中空圓環(huán)形壓力囊，根據(jù)工程需要人為地給隧洞襯砌混凝土施加某一數(shù)量和分布的反向荷載，即外加均布荷載，用以部分或全部抵消隧洞內(nèi)水壓力所產(chǎn)生的拉應(yīng)力。

(2)外加預(yù)應(yīng)力法的理論根據(jù)。根據(jù)彈性力學(xué)，內(nèi)半徑為a，外半徑為b的厚壁圓筒承受內(nèi)、外均布荷載時(shí)圓筒內(nèi)、外緣的環(huán)向應(yīng)力σθ1，σθ2如下：

內(nèi)水壓力P作用時(shí)

(1)

外水壓力P作用時(shí)

(2)

由此可見，在內(nèi)水壓力作用下，環(huán)向應(yīng)力始終為拉應(yīng)力，而且最大值在內(nèi)表面；在外水壓力作用下，環(huán)向應(yīng)力則恒為壓應(yīng)力，而且最大值亦在內(nèi)表面。如果厚壁圓筒同時(shí)承受相同的內(nèi)外均布荷載時(shí)，可以看到此種情況下環(huán)向應(yīng)力仍為壓應(yīng)力。

(3)圓環(huán)形扁千斤頂外加預(yù)應(yīng)力。有關(guān)圓環(huán)形扁千斤頂?shù)脑O(shè)計(jì)、加工制作、安裝及施加預(yù)應(yīng)力等，見參考文獻(xiàn)[8]，本文不再贅述。

(4)室內(nèi)模擬試驗(yàn)結(jié)果。模型外徑2.4 m，內(nèi)徑2.0 m，長度取0.8 m，襯砌厚度0.2 m，采用C40混凝土。以鋼板模擬圍巖的存在。外加預(yù)應(yīng)力范圍有兩種，即中間部分0.4 m及全長0.8 m范圍內(nèi)施加均布荷載。試驗(yàn)結(jié)果表明，襯砌混凝土層內(nèi)的預(yù)壓應(yīng)力σθ與灌漿壓力呈成正比例。當(dāng)灌漿壓力1.8 MPa時(shí)，襯砌混凝土層內(nèi)的預(yù)壓應(yīng)力σθ為13 MPa左右。當(dāng)灌漿閥門關(guān)閉后，由于水泥漿尚未初凝，壓力表仍指示內(nèi)壓力大小。關(guān)閉壓力表閥門后，讀出環(huán)向位移讀數(shù)，若以此時(shí)為基準(zhǔn)，繼續(xù)觀測隨時(shí)間延長環(huán)形預(yù)壓應(yīng)力值的變化，10 d以后預(yù)壓應(yīng)力損失在預(yù)期的5%左右。試驗(yàn)說明外加預(yù)應(yīng)力法是可行的，其關(guān)鍵設(shè)備——圓環(huán)形扁千斤頂?shù)脑O(shè)計(jì)、加工制作、運(yùn)輸、安裝、檢驗(yàn)以及施加預(yù)應(yīng)力等均達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的程度，有待現(xiàn)場適應(yīng)性試驗(yàn)檢驗(yàn)永存預(yù)壓應(yīng)力的可靠程度。

新型預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌壓力隧洞技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：①考慮到圍巖的存在，選用外加預(yù)應(yīng)力法，采用圓環(huán)形扁千斤頂施加預(yù)應(yīng)力完全省去了預(yù)應(yīng)力鋼材和錨具；②考慮到混凝土抗壓強(qiáng)度高的特點(diǎn)，可以適當(dāng)提高預(yù)應(yīng)力度，不需增加任何額外支出，即可獲得需要的環(huán)向預(yù)壓應(yīng)力，因而可省去大量普通鋼筋；③采用外加預(yù)應(yīng)力法不存在沿程摩擦預(yù)應(yīng)力損失，預(yù)壓應(yīng)力沿圓周分布均勻，且不存在張拉槽附近預(yù)壓應(yīng)力為零或出現(xiàn)拉應(yīng)力的情況；④在施加預(yù)應(yīng)力的同時(shí)，其反作用力對圍巖也施加了很大的徑向均布壓力，對圍巖起到了“主動(dòng)”加固作用。該技術(shù)已經(jīng)獲得了國家發(fā)明專利。

3 高外水壓力問題的對策

3.1 固結(jié)灌漿封堵及排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

消除外水壓力的有效方法是采用先“堵”后“排”的工程措施，所謂“堵”就是對襯砌外圍巖進(jìn)行固結(jié)灌漿，深入圍巖一定深度鉆孔，在壓力下進(jìn)行水泥灌漿，灰漿充填節(jié)理、裂隙滲漏通道，使圍巖的整體性得到提高，同時(shí)提高其抗?jié)B性和堅(jiān)固性，以達(dá)到形成堅(jiān)固的承載圈和密實(shí)的防滲圈的目的。所謂“排”就是在襯砌層外設(shè)置排水孔，深入到圍巖一定深度，但不穿過固結(jié)灌漿層，將襯砌外的滲水排出洞外，以達(dá)到進(jìn)一步降低襯砌外水壓力的目的。在固結(jié)灌漿層和排水系統(tǒng)的共同作用下，使襯砌外水壓力降至允許值以內(nèi)。固結(jié)灌漿封堵及排水系統(tǒng)如圖1所示。值得一提的是，固結(jié)灌漿并不能完全阻斷滲流，總會(huì)有部分滲流水逐漸滲透并聚集在固結(jié)灌漿區(qū)域和隧洞襯砌之間。為了排走滲透過來的水，進(jìn)一步降低滲透壓力，需在此區(qū)間設(shè)置有效的排水系統(tǒng)，包括排水孔、環(huán)向排水溝、縱向排水槽等。顯然，二者不僅有先后順序，且其功能亦不可代替。

圖1 隧洞剖面示意

3.2 固結(jié)灌漿封堵

隧洞開挖完成后，立刻進(jìn)行固結(jié)灌漿。其目的是加固圍巖，降低襯砌的外水壓力，減小滲漏流量；防止圍巖裂隙中的充填物被帶走或溶濾。灌漿材料最常用的是水泥漿。當(dāng)圍巖裂隙細(xì)密，水泥漿灌注困難時(shí)，亦可采用化學(xué)灌漿材料。

固結(jié)灌漿孔的布置常采用梅花形錯(cuò)開排列?？拙嗯c排距應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件并參考灌漿試驗(yàn)結(jié)果而定?？咨罴s為1倍隧洞半徑。鉆孔方向應(yīng)盡可能沿徑向，以利于灌漿質(zhì)量。此外，為了提高灌漿效果，還采用了氣壓止?jié){塞，分為深層灌漿及淺層灌漿兩個(gè)程序，如圖2所示。首先，進(jìn)行深層灌漿，灌漿壓力為2倍左右內(nèi)水壓力；然后，打開氣壓止?jié){塞的閥門，放掉空氣，并向外拉出灌漿管，使氣壓止?jié){塞距孔口約1/3孔深的位置時(shí)，充氣止?jié){后進(jìn)行淺層灌漿，灌漿壓力稍低。

圖2 固結(jié)灌漿區(qū)域

3.3 抽排水系統(tǒng)的組成

抽排水系統(tǒng)由以下幾個(gè)組成部分：

(1)排水孔。應(yīng)根據(jù)隧洞開挖后的地質(zhì)情況和滲水情況布置排水孔。原則上，緩傾角節(jié)理裂隙比較發(fā)育的部位多打排水孔，陡傾角或比較完整巖塊地段可少打排水孔?？上】擅?，不要求均勻布置?？孜晃挥诃h(huán)向排水溝內(nèi)，即位于兩道圓環(huán)形扁千斤頂之間的圍巖內(nèi)，呈向外輻射狀，如圖1所示。孔向應(yīng)盡量垂直巖層面及主要節(jié)理、裂隙面，以便多穿過幾層透水巖層。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，一般孔深取2～3 m，直至淺層灌漿邊界附近。保證排水系統(tǒng)的長期有效運(yùn)行，排水孔結(jié)構(gòu)能否有效排水是關(guān)鍵之一。實(shí)踐工程表明，一是堵塞，二是破碎小石塊掉入孔內(nèi)，長期會(huì)引起隧洞圍巖變形。故建議在孔內(nèi)插入過濾排水花管。其作用是濾土排水，即允許直徑d<0.1 mm的細(xì)小土粒隨滲流帶走。具有不淤積堵塞及圍巖不產(chǎn)生滲透變形的特性。

(2)環(huán)向排水溝。位于兩道圓環(huán)形扁千斤頂之間的空間內(nèi)，由圍巖開挖面及薄鋼板構(gòu)成，其斷面為矩形或城門洞形(見圖3)。過水面積可調(diào)節(jié)。當(dāng)然，圍巖開挖面必須用無紡織物、網(wǎng)格材料遮擋，起到濾土排水作用。由于滲流減壓作用，作用在襯砌上的外水壓力是不均勻。因此，環(huán)向排水溝的間距為一道或二、三道圓環(huán)形扁千斤頂?shù)膶挾取Ｔ诃h(huán)形排水溝內(nèi)則設(shè)有若干個(gè)排水孔，視地質(zhì)情況和滲漏情況，非均勻布置。

圖3 環(huán)向排水溝的斷面形狀

(3)縱向排水槽。通常設(shè)在隧洞底部，在圍巖中開挖而成，其斷面為長方形，由鋼筋混凝土建成。與上述各環(huán)形排水溝相連通，如圖4所示，形成縱、橫排水環(huán)帶。

圖4 縱向排水槽與環(huán)向排水溝交叉連接

(4)集水井和排水泵。在支洞內(nèi)或下游最低處布置集水井，集水井與縱向排水槽相連通。隧洞周圍的排水孔將地下水匯集流到各環(huán)向排水溝內(nèi)，然后再匯集流到縱向排水槽中最后匯流到集水井內(nèi)，由排水泵將水排往下游或由排水支洞排走。

上述抽排水系統(tǒng)不僅具有運(yùn)行期間的排水功能，而且在施工期間亦可以將地下水排干，以保證襯砌混凝土施工不受地下水的危害。

4 承受高內(nèi)、外水壓力的隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工要點(diǎn)

如上所述，壓力隧洞的主要荷載之一是高內(nèi)水壓力，由它所產(chǎn)生的襯砌混凝土內(nèi)的巨大拉應(yīng)力主要靠外加預(yù)應(yīng)力法所產(chǎn)生的襯砌混凝土內(nèi)的預(yù)壓應(yīng)力來抵消。至于高外水壓力控制襯砌混凝土設(shè)計(jì)的壓力隧洞，宜采用先“堵”后“排”的措施，首先進(jìn)行固結(jié)灌漿封堵，然后是設(shè)置有效的抽排水系統(tǒng)措施。其中，圓環(huán)形扁千斤頂彼此間距△l(見圖1)，除考慮外加荷載的均勻性外，還要考慮安裝施工方便以及環(huán)向排水溝的要求。

隧洞的襯砌混凝土厚度，一般可根據(jù)強(qiáng)度、抗?jié)B和構(gòu)造要求，并結(jié)合圓環(huán)形扁千斤頂施加外預(yù)應(yīng)力的施工方法，經(jīng)過綜合分析計(jì)算確定。若襯砌開裂后，造成內(nèi)水外滲，會(huì)危及圍巖穩(wěn)定或鄰近建筑物安全時(shí)，應(yīng)按抗裂設(shè)計(jì)，適當(dāng)提高預(yù)應(yīng)力度。襯砌不開裂，自然也不會(huì)出現(xiàn)內(nèi)水外滲現(xiàn)象。由于采用外加預(yù)應(yīng)力法，不需要任何額外支出，只需升高注漿壓力，即可獲得設(shè)計(jì)所需要的預(yù)壓應(yīng)力值。設(shè)計(jì)者可以根據(jù)對結(jié)構(gòu)功能的要求和所處的環(huán)境條件，合理地選擇預(yù)應(yīng)力度，以求得最優(yōu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

承受高內(nèi)、外水壓力的壓力隧洞結(jié)構(gòu)的施工工藝流程大致如下：①隧洞斷面開挖完成后，首先進(jìn)行固結(jié)灌漿處理；然后是放樣，將圓環(huán)形扁千斤頂?shù)陌惭b位置以及排水孔的位置等予以確定。②在兩道扁千斤頂?shù)拈g隔內(nèi)打排水孔并安裝過濾排水花管，完成后孔口用木塞堵住，以防雜物掉入孔內(nèi)。③在隧洞底部開挖縱向排水槽并以鋼筋混凝土襯砌，除與環(huán)向排水溝交叉部位外，其余部位均用薄鋼板封住頂口，以防混凝土等落入槽內(nèi)。④安裝圓環(huán)形扁千斤頂，用水泥砂漿封堵兩側(cè)縫隙；并埋入注漿管和排氣管，以便進(jìn)行扁千斤頂背后的回填灌漿。⑤拔掉排水孔上的木塞后，再安裝圓環(huán)形排水溝上部的鋼板構(gòu)件，用細(xì)鉛絲將構(gòu)件固定在地腳螺絲上。該構(gòu)件與兩側(cè)圓環(huán)形扁千斤頂接觸部位的縫隙用水泥砂漿抹平，形成光滑曲面。⑥澆筑隧洞襯砌混凝土，重視質(zhì)量，特別是頂部混凝土要密實(shí)。待襯砌混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，即可施加外預(yù)應(yīng)力，文獻(xiàn)[8]已有說明，不贅述。

5 結(jié) 語

綜上所述，承受高內(nèi)水壓力的隧洞多采用后張有粘結(jié)或無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌。無論哪種形式均需耗費(fèi)大量預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)、低松弛鋼材和錨具以及相當(dāng)多的普通鋼筋，施工麻煩。同時(shí)，因沿程預(yù)應(yīng)力損失，致使環(huán)向預(yù)壓應(yīng)力分布不均勻，受力狀態(tài)欠佳。因此，建議選用外加預(yù)應(yīng)力法，采用圓環(huán)形扁千斤頂施加預(yù)應(yīng)力，不僅省去大量高強(qiáng)鋼材，而且應(yīng)力分布均勻，考慮到混凝土抗壓強(qiáng)度高的特點(diǎn)，適當(dāng)提高預(yù)應(yīng)力度，還可節(jié)省普通鋼筋，經(jīng)濟(jì)、合理。至于高外水壓力，建議采用先“堵”后“排”的防治原則，以改善襯砌結(jié)構(gòu)和圍巖的工作條件。首先以固結(jié)灌漿封堵，然后再設(shè)置縱、橫向排水系統(tǒng)及排水孔系統(tǒng)，以降低或消除襯砌承受的高外水壓力及滲漏流量。該措施可以有效地減小外水壓力，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。