水工隧洞建设结构分析

余小华李龙

【摘要】随着城市发展以及各种项目开发建设进程的加快，水工隧洞建设作为一种施工难度大、技术层面要求高的工程项目，在质量的要求上提出了更高、更强的要求。隧洞工程牵涉到各个方面的技术环节，尤其是在现有建设应用过程中，直接关系到社会经济发展、城市居民生活环境等诸多的要素，对于提升民生福祉有很大的帮助。本文在全面在分析当前形势下水工隧洞建设结构施工质量存在的一些问题，阐述加强质量管理对水工隧洞建设结构建设的重要意义，进而阐述水工隧洞建设结构的对策建议，实现水工隧洞建设与经济社会发展、民居环境的和谐性，服务于民生福祉。

【关键词】水工隧洞；建设；结构分析

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目前国内水工隧洞结构设计尚无适用的规范可循，主要依据挪威准则和最小地应力准则。通过计算对比并结合工程实践经验，讨论了面力理论和体力理论的适用条件。指出由于围岩是高压隧洞的主要承载结构，应强调高压固结灌浆的重要性，建议对完整的Ⅱ、Ⅲ类围岩合理的灌浆深度取为0.75倍开挖洞径。

一、阐述当前水工隧洞建设的存在问题

1、质量管理理念的相对落后。在许多水工隧洞工程项目建设中，缺乏整体的管理机制，没有对工程建设进行全程的动态的分析认识并进行管理和控制，过多采取行政手段进行干预，在施工过程中，对水泥、沙石等技术含量不高，基础施工过程中的防水、排水工程没有做到，造成质量严重脱节。比如在建筑工程中，及时充分考虑个人综合因素，但是可能由于小导洞超前钻爆法的扩大使用、爆破减振的不准确把握、爆破碴堆等一些不可预知性的质量问题等等。

2、整体体质的病化状态。随着政府项目建设的整体推进，水工隧洞的建设主体性很模糊，在体制上存在不健全的机制，蛮目的干预、臃肿的机制造成建筑工程的质量严重不行，尤其是当前一些工程师缺乏职业道德，不能把守自己的职业底线，过分的抬高工程建设的价格，从中谋取利益，致使工程造价运营上存在整体的病态化，严重影响工程造质量的提升。譬如在发现二次衬砌砼施工中断，产生工作缝时，是很难处理的，一般将成为永久的质量缺陷，由于缺乏一些砼加固及修复的技术，造成渗水,、不牢固等质量现象。

二、剖析当前水工隧洞建设技术结构问题的原因

1、开挖方法不够合理。合理的开挖是实行水工隧洞施工的第一步，由于有些施工单位技术人员综合素质不强，在工程的开挖过程中，没有做好洞口的防护措施和及时排水措施，尤其是为了追赶施工进度，选择在雨季进行开挖施工，这样就会造成洞口滑坡、坠石等一些坍塌现象，尤其是对于一些粘聚力小的土砂围岩，没有在开挖之前进行超前支护、开挖面喷射混凝土和安设锚杆等措施的应用，造成开挖的力度越大，质量损耗就越宽，形成开挖和支护工序的脱节，也是造成工程施工质量低下的重要原因。

2、施工测量不够精准。测量对于水工隧洞施工来说，是一个重要前提和中期施工的关键环节，有些施工单位为了节省测量的开支，既没有形成详细的测量报告书，也没有专业的测量人员与技术配套，在仪器的使用上，也是用以前的老办法，造成测量数据的不真实，给工程施工带来很大的偏差。同时，在水工隧洞开始施工后，也没有形成测量复查的习惯，没有对施工控制网进行复测，没有结合工程的进度，设置洞内控制点，随时测量计算轴线的偏差[1]，及时发现一定的偏差，也没有采取及时的应对措施，造成施工返工以及经济上的巨大损失。

3、配筋计算不够合理。在设计衬砌配筋时，钢筋应力计算值很高，但以不允许开裂或限制裂缝宽度进行校核，如果钢筋应力真如计算的那么高，则混凝土早就严重开裂了，因此配筋计算与限裂校核自相矛盾；采用规范中的方法进行限裂设计显然不妥[2]。隧洞衬砌不同于明管，衬砌受围岩约束并与之相互作用，受围岩地质特性和衬砌强度不均一性等因素影响，其受力状况以及裂缝发生和发展的规律不同于一般水工钢筋混凝土结构；规范要求的衬砌裂缝宽度≤0.2-0.3mm过于严格，因为岩体中的节理裂隙是普遍存在的，既然不衬砌隧洞都能安全运行，就没有理由对透水衬砌的裂缝宽度如此严格限制，根据广州抽水蓄能电站一期工程的经验可放宽到0.3-0.5mm[3]。

三、探讨水工隧洞建设结构的改进方法

1、内水压力的准确应用。水工高压隧洞设计理论的核心是在高内水压力作用下不衬砌隧洞，利用围岩承受内水压力。要求隧洞上覆岩体重量不小于洞内水压力。要求不衬砌隧洞的岩石垂直覆盖厚度h>C•H，H为内水压力(以水头计)，C为常系数，一般取0.6.1968年Byrte电站303m水头的不衬砌水工斜隧洞失事后，该准则修正为计入斜井倾角的影响：h>γw×H/γr×cosβ，γw为水的容重；γr为岩体容重[4]；β为斜井倾角。1970年Askora电站200m水头的斜井失事后，挪威准则又进一步修正为采用最薄埋厚代替岩体垂直覆盖厚度，如图1.该方法沿用至今，如下式L≥γw×H/γr×cosβ•F(1)式中：L为压力隧洞计算点到地面的最短距离，单位：m；β为山坡的平均坡角；F为安全系数(一般取1.3～1.5)。最小地应力准则是建立在“岩体在地应力场中存在预应力”的基础上的，其原理是要求不衬砌高压隧洞沿线任一点的围岩最小主应力σ3大于该点洞内静水压力，并有1.2～1.3倍的安全系数[5]。见下图。

2、强化工程施工每一个细节环节的质量管理。抓好水工隧洞施工质量中涉及到的建设、监理、设计、施工等几个大环节，包括编制计划的实施、技术要求的提高、整体素质的拓宽等诸多要素。严格按照国家质量要求标准，针对不同地区、环境实施不同的施工技术方案，监理在全盘监控施工质量的同时，对施工中违反材料要求、偷工减料或者质量不符合要求的，立即给予制止并且责令停工、返工等行为处罚，对质量管理做好事前、事中、事后等不同的控制手段，对用于工程的原材料、半成品、成品、设备和运到工地的机械等进行控制。在技术层面的要求上，严格按照施工要求，对于Ⅰ-Ⅲ级围岩一般采用全断面法开挖，采用光面爆破，控制好开挖轮廓，以减少超欠挖,Ⅲ级偏弱及IV级围岩一般采用台阶法开挖，台阶的高度及长度可根据现场施工方便来定，每次进尺长度应该根据围岩的稳定情况严格控制，一般以立两榀钢拱架的间距为宜[6]。

3、提升技术应用规范隧道工程的质量验收。细化每一个质量要求，形成分工明确、细化检测、手段高明的验收体系，破除凭个人爱好、利益驱使等一些不良验收行为。实行工程质量评定和工程验收的有效手段，对市政公路建设施工出现道路裂缝、塌陷、沉降、变形等质量问题，及时要求施工单位给予修正，对施工时间、水分控制、温度、载重量等进行严格审查[7]，对于一些表面的质量问题，进一步查明问题的性质和产生的原因，对于可能造成断裂等现象，及时纠正。加强对水工隧洞施工中支护质量的控制，从钢筋网、钢拱架、喷射混凝土组成等多个要素着手，严格按照钢拱架连接处应该设置锁脚锚管的要求，对于施工中超挖部分严格采用喷射混凝土的方式来充填密实，以免造成空洞以及片石等其它物品的进入，影响工程的整体质量。

三、总结

由工程实测和计算分析，钢筋混凝土衬砌在高内水压力作用下不可避免地会发生开裂，衬砌是透水体，衬砌和围岩联合受力，因此采用体力理论计算衬砌和围岩应力更符合工程实际。因此，高压固结灌浆对水工高压隧洞是十分重要的，它可以改善围岩的力学性能，降低围岩渗透系数，对衬砌和围岩施加预应力，有利于提高隧洞的承载能力。

【参考文献】

[1]兆祺;陈敏中;吕明;压力隧洞围岩承担内水压力的能力[A];地下工程经验交流会论文集[C];北京：地质出版社，1986年5月

[2]赵志平;吴九龙;刍议水工隧洞的结构设计误区;城市建设理论研究;2011年第4期

[3]曾纪全;来结合;全海;溪洛渡水电站软弱岩带固结灌浆试验效果检测[J];岩石力学与工程学报;2001年S1期

[4]王法刚;尹健民;李维树;某水电站坝基岩体变形模量与波速相关性研究[J];地下空间与工程学报;2006年06期

[5]刘宝许;乔兰;李长洪;基于动态围岩分类的高速公路隧道围岩稳定性评价方法[J];北京科技大学学报;2005年02期

[6]冉星彦;有关水工隧洞衬砌结构计算一些问题的探讨;北京水务;1999年第01期

[7]秦雷;郭德发;王庆;某水工隧洞围岩稳定及支护结构分析;低温建筑技术;2012年01期

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。