水工隧洞幾個問題淺議

王玉孝

(國家電投集團(tuán)黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司,西寧 810003)

0 前 言

水工隧洞在設(shè)計、施工運(yùn)行過程中，不可避免會遇到諸如軟巖變形、固結(jié)灌漿及外水壓力取值等問題。其中水電工程中地下洞室軟巖類圍巖大變形是困擾水電工程建設(shè)的重要問題。在國內(nèi)多個交通隧道、水工隧洞建設(shè)中，均發(fā)生過嚴(yán)重的軟巖大變形問題，如國內(nèi)蘭武二線烏鞘嶺鐵路隧道、黃河上游拉西瓦、羊曲水電站輸水隧洞開挖等[1]。外水壓力是水工隧洞所受外荷載中的主要荷載之一，特別是對城門洞型隧洞斷面及壓力鋼管，外水壓力的折減取值對工程結(jié)構(gòu)影響較大。引水隧洞的固接灌漿目前尚未有明確的標(biāo)準(zhǔn),隧洞是否需要固結(jié)灌漿,僅憑經(jīng)驗而定,從電站綜合效益角度考慮較少[2-3]。因此，本文結(jié)合黃河上游拉西瓦、羊曲、瑪爾擋等幾座電站水工隧洞的實際設(shè)計、施工、運(yùn)行情況，對軟巖地層隧洞的變形機(jī)理、成洞條件、圍巖穩(wěn)定性及其支護(hù)處理措施進(jìn)行分析總結(jié)，為水工隧洞的設(shè)計、施工及運(yùn)行管理提供依據(jù)。

1 預(yù)留變形量問題

TB 10003-2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》及JTG 3370.1-2018《公路隧道設(shè)計規(guī)范》[4-5]中規(guī)定：各級圍巖在確定開挖斷面時，除應(yīng)滿足隧道建筑限界要求外，還應(yīng)預(yù)留適當(dāng)?shù)膰鷰r變形量，其量值可根據(jù)圍巖級別、隧道寬度、埋置深度、施工方法和支護(hù)情況等條件，采用工程類比法確定；當(dāng)無類比資料時，可參照以表1、2進(jìn)行取值。

表1 鐵路隧道設(shè)計規(guī)范預(yù)留變形 /mm

表2 公路隧道設(shè)計規(guī)范預(yù)留變形量 /mm

雖然SL 279-2016《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》對隧洞是否預(yù)留變形量沒有明確的規(guī)定，但在隧洞支護(hù)與襯砌章節(jié)中有如下說明，即“具有流變或膨脹等特殊性質(zhì)的圍巖，可能對襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形壓力時，應(yīng)對這種作用進(jìn)行專門研究，并宜采取措施減小其對襯砌的不利作用”的規(guī)定[6]。因此，在隧洞穿越特殊性質(zhì)的圍巖地段，設(shè)置預(yù)留變形量很有必要。更何況國內(nèi)蘭武二線烏鞘嶺鐵路隧道、蘭渝線木寨嶺隧道、羊曲水電站引水隧洞下平段穿越特殊性質(zhì)的地層均發(fā)生過大變形，具體情況如下：

烏鞘嶺隧道：隧道長20 050 m，縱坡約為11‰，由兩座平行的單線隧道組成，兩單線隧道間距40 m，基本為直線隧道，隧道最大埋深約1 100 m，在嶺脊約7 km范圍分布由四條區(qū)域性大斷層組成的寬大“擠壓構(gòu)造帶”，巖性復(fù)雜，巖質(zhì)相對較軟。隧道施工中，在4條區(qū)域大斷裂范圍內(nèi)的輔助坑道和正洞，特別在F4和F7斷層及影響帶、志留系板巖夾千枚巖地層，圍巖破碎，洞室自穩(wěn)能力極差，發(fā)生過較為嚴(yán)重的變形, 烏鞘嶺隧道變形情況見圖1。經(jīng)過現(xiàn)場測試，在板巖為主的區(qū)段中，支護(hù)收斂變形在200 mm以內(nèi)，在千枚巖為主的區(qū)段，支護(hù)收斂變形在500～700 mm；因此，通過大量的前期測試及試驗，確定在以千枚巖為主的地層，預(yù)留變形量取30～35 cm，以板巖為主的地層，預(yù)留變形量取20～25 cm，并且輔助相應(yīng)的工程措施控制變形。

圖1 烏鞘嶺隧道變形情況圖

木寨嶺隧道：蘭渝線木寨嶺隧道全長19 km，為極高風(fēng)險隧道，隧道穿越炭質(zhì)板巖、灰?guī)r及多條斷裂帶，存在軟巖、巖溶水、斷層等不良地質(zhì)，地質(zhì)條件差，施工難度極大。全隧道共設(shè)置8座斜井，施工中有5座斜井出現(xiàn)不同程度的大變形，變形速率大多大于100 mm/d，累計最大位移已超1 300 mm，主要為結(jié)構(gòu)水平收斂變形，呈現(xiàn)出變形快、變形量較大的特點。根據(jù)現(xiàn)場測試及變形控制措施的分析，初步確定對產(chǎn)生較大變形段斜井開挖時預(yù)留變形量按單側(cè)15 cm進(jìn)行控制，同時再輔助其他相關(guān)控制變形的工程措施處理，木寨嶺隧道變形情況見圖2。

圖2 木寨嶺隧道變形情況圖

羊曲水電站引水隧洞下平段：羊曲水電站壓力引水隧洞從電站進(jìn)水口到廠房，按“1機(jī)1洞”方式供水，3條引水隧洞平行布置，間距29 m。設(shè)計斷面為圓形斷面，襯砌洞徑10 m，開挖洞徑11.6 m。下平段出口巖性為千枚狀板巖夾千枚巖，巖性較軟弱，片理發(fā)育，局部受斷裂構(gòu)造切割影響，巖體破碎，可研設(shè)計階段采用二維彈塑性有限元仿真計算方法進(jìn)行了圍巖穩(wěn)定分析計算，在不采取支護(hù)措施的情況下洞周最大位移6.2 mm。下平段在實際施工過程中局部洞室變形較大，出現(xiàn)塌方掉塊現(xiàn)象。為確保工程施工及運(yùn)行安全，且洞周變形及臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)不侵占永久襯砌體型，設(shè)計將局部洞段開挖洞徑調(diào)整為11.9 m，全斷面采用鋼支撐進(jìn)行初期支護(hù)，后期實施鋼筋混凝土永久襯砌。目前下平段開挖完成已4 a之久，累計最大變形量3.6 mm，情況良好，羊曲水電站引水隧洞下平段施工情況見圖3。

圖3 羊曲水電站引水隧洞下平段施工情況圖

拉西瓦水電站左岸上壩洞：拉西瓦左岸上壩交通洞進(jìn)口段約100 m長為紅層洞室，原設(shè)計為10 m×10 m的雙車道城門洞型斷面，施工過程中洞室變形較大，臨時鋼支撐明顯壓彎內(nèi)鼓，為確保施工安全，設(shè)計將一大洞改為上下單行兩小洞，洞徑5 m×5 m，全斷面鋼支撐初期支護(hù)，后期混凝土二襯[7]。

瑪爾擋水電站進(jìn)場交通洞也是紅層洞室，設(shè)計過程中借鑒了拉西瓦水電站的施工經(jīng)驗，混凝土二襯預(yù)留了10 cm的變形量，目前交通洞已運(yùn)行5 a，情況良好。

綜上所述，對于交通隧道、水工隧洞等地下洞室，在穿越云母石英片巖段、千枚巖段及第三系紅層等可能產(chǎn)生變形的地層段落，應(yīng)考慮一定的預(yù)留變形量，以保證隧洞交通及過水流量的安全運(yùn)行要求。

2 襯砌是否考慮外水壓力問題

SL 279-2016《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定襯砌除了考慮圍巖壓力外還應(yīng)考慮作用在襯砌上的外水壓力，外水壓力根據(jù)圍巖地下水活動狀態(tài)及地下水對圍巖的穩(wěn)定影響考慮一定的折減系數(shù)。其折減系數(shù)：在極微～微透水巖體洞段，洞壁為干燥～潮濕狀，其外水壓力折減系數(shù)趨近于0；在強(qiáng)～極強(qiáng)透水的巖溶、斷層發(fā)育段，呈股狀涌水，其折減系數(shù)值趨近于1；在弱～中等透水洞段，地下水呈滴～線狀溢出，折減系數(shù)值介于0～1.0之間[6]。

經(jīng)分析，在巖體的裂隙和孔隙中賦存地下水，根據(jù)分布形態(tài)產(chǎn)生滲流，隧洞根據(jù)埋深和地下水位的位置關(guān)系，處于地下水滲流場中。地下水在滲流過程中因巖體中存在的裂隙或孔隙，對地下水的物理性質(zhì)(如粘滯力)和滲流過程產(chǎn)生摩阻力的影響，會產(chǎn)生水頭損失。地下水滲流的水頭損失與巖體滲透性反相關(guān)，因而當(dāng)隧洞圍巖體的滲透性越強(qiáng)，地下水滲流的水頭損失越小，其開挖涌水量和外水壓力越大，即相應(yīng)的外水壓力折減系數(shù)也越大。反之，巖體的滲透性越弱，地下水滲流的水頭損失越大，則隧洞涌水量和外水壓力越小，相應(yīng)的外水壓力折減系數(shù)越小，甚至趨近于零。

拉西瓦水電站地下水折減系數(shù)值：水電站主要地層巖性為花崗巖，地下水類型主要為基巖裂隙水，深部有脈狀裂隙水。外水壓力折減系數(shù)根據(jù)巖體滲透性確定，從深部向地表巖體滲透性逐漸增強(qiáng)，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，個別10 Lu，斷層或張開裂隙巖體透水率q≥5 Lu。外水壓力折減系數(shù)建議值為：埋深70 m以內(nèi)，折減系數(shù)=0.8～0.6；埋深70～150 m，折減系數(shù)=0.6～0.4；埋深150～300 m，折減系數(shù)=0.4～0.2；埋深300～500 m，折減系數(shù)=0.3～0.1。綜上所述，襯砌的外水壓力與地下水的滲透性關(guān)聯(lián)較強(qiáng)。本水電站工程隧洞洞身埋深均在300 m以上，最大埋深達(dá)1 000 m以上，洞身地質(zhì)圍巖完整性較好，地下水滲透性較弱，隧洞開挖過程過程中，洞室基本處于干燥狀態(tài)，鮮有裂隙水出露。因此對引水隧洞，考慮水庫蓄水后的情況，外水壓力折減系數(shù)取值為0.2；進(jìn)場交通洞，洞室頂拱及邊墻設(shè)置有排水孔，地下水有出路，設(shè)計不再考慮外水壓力。經(jīng)計算，襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足要求。目前該水電站已發(fā)電運(yùn)行10a，交通運(yùn)輸洞、水工隧洞等均運(yùn)行正常。

3 固結(jié)灌漿問題

SL 279-2016《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定圍巖的固結(jié)灌漿應(yīng)根據(jù)隧洞工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、襯砌型式、施工對圍巖的影響程度以及運(yùn)行要求，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定，對有特殊要求的固結(jié)灌漿可通過工程類比和現(xiàn)場試驗確定其各項參數(shù)[6]。本條規(guī)定條文解釋為并非所有水工隧洞都要固結(jié)灌漿，國內(nèi)已建工程對固結(jié)灌漿范圍都有不同要求，有全斷面固結(jié)，有部分頂拱固結(jié)，有頂拱固結(jié)、邊墻固結(jié)，以及有不進(jìn)行固結(jié)，說明應(yīng)根據(jù)具體工程確定固結(jié)灌漿的必要性和范圍[5]。

固結(jié)灌漿的目的是加固巖體，改善圍巖的承載能力，提高圍巖分擔(dān)率和抗?jié)B性。灌漿孔一般對稱布置，根據(jù)圍巖地質(zhì)情況，排距為2～4 m，每排不宜少于6孔，鉆孔入巖深度不低于1倍隧洞半徑(洞室跨度)，要超過松弛區(qū)1.0 m。對于鋼筋混凝土襯砌，灌漿壓力一般為1.0～2.0倍的靜內(nèi)水壓力；另外，高水頭壓力隧洞，固結(jié)灌漿壓力宜小于1.5倍的靜內(nèi)水壓力，并小于圍巖最小主應(yīng)力。對于鋼襯混凝土襯砌，灌漿壓力一般為0.3～0.5倍的靜內(nèi)水壓力。根據(jù)日本11座埋藏式壓力管道資料統(tǒng)計，其中也只有4座做了固結(jié)灌漿，其余的7座未做。我國目前已運(yùn)行的十三陵等多個水電站的壓力管道也未進(jìn)行固結(jié)灌漿。

拉西瓦水電站尾水調(diào)壓室施工時，鑒于本工程隧洞洞身段圍巖大部分為硬質(zhì)巖石，其巖石裂隙多不太發(fā)育，且張開程度及連通性較差，全部洞段采取固結(jié)灌漿的必要性不是很大，且影響工期。根據(jù)類似地段的固接灌漿試驗并結(jié)合調(diào)壓室的具體地質(zhì)條件，經(jīng)各方聯(lián)合商議，取消了部分洞段的固接灌漿，不僅簡化了施工程序，節(jié)約了工期并取得了一定的經(jīng)濟(jì)效果。因此，隧洞是否需進(jìn)行固結(jié)灌漿，建議在實施前進(jìn)行灌漿試驗，驗證隧洞固結(jié)灌漿的可灌性，同時若需進(jìn)行固結(jié)灌漿，可確定灌漿的孔位布置、孔距、排距、孔深及灌漿壓力等設(shè)計參數(shù)。

4 結(jié) 論

(1) 對于交通隧道、水工隧洞等地下洞室，在穿越云母石英片巖段、千枚巖段及第三系紅層等可能產(chǎn)生變形的地層段落，應(yīng)考慮一定的預(yù)留變形量，以保證隧洞交通及過水流量的安全運(yùn)行要求。具體變形量應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測及數(shù)值分析計算確定。

(2) 襯砌的外水壓力與地下水的滲透性關(guān)聯(lián)較大。取值一般根據(jù)三維滲流計算分析確定，也可根據(jù)水文地質(zhì)分析判斷。地下水滲流的水頭損失與巖體滲透性反相關(guān)，因而當(dāng)隧洞圍巖體的滲透性越強(qiáng)，地下水滲流的水頭損失越小，其開挖涌水量和外水壓力越大，也即相應(yīng)的外水壓力折減系數(shù)也越大。反之，巖體的滲透性越弱，地下水滲流的水頭損失越大，則隧洞涌水量和外水壓力越小，相應(yīng)的外水壓力折減系數(shù)越小，甚至趨近于零。

(3) 固結(jié)灌漿的目的是加固巖體，改善圍巖的承載能力，提高圍巖分擔(dān)率和抗?jié)B性。當(dāng)圍巖大部分為硬質(zhì)巖石，裂隙不發(fā)育，且張開程度及連通性較差時，應(yīng)慎重灌漿，若需固結(jié)灌漿，建議在實施前進(jìn)行灌漿試驗，驗證隧洞固結(jié)灌漿的可灌性。