水工隧道设计优化方案

“九五”期间,水工隧洞的开挖长度大于1km 的约50条,总长度近300km。最长的一条隧洞为引黄入晋7号隧洞,洞长达43.5km。利用掘进机开挖长隧洞是我国目前的主要施工方法之一。它可以提高掘进速度,减少围岩扰动,有效利用围岩的承载能力。引黄入晋一期工程要开凿26条隧洞,总长161.5km,为使工程尽早通水发挥效益,采用了6台全断面双护盾构掘进机,开挖了8条总长122km 的隧洞,占一期隧洞工程的3/4。掘进速度创造了日最高进尺113m 的施工记录,达到了国际先进水平。

不衬砌和喷锚支护在近代的隧洞建设中已被广泛应用。如广西天湖水电站引水隧洞内水头600m,采用了不衬砌设计,运行情况良好。喷锚支护在处理不良围岩中发挥了巨大的作用,如四川省狡川县黑土坡水电站引水隧洞遇有古河床100余m,在施工极端困难的条件下,就是靠喷锚支护渡过。在Ⅰ、Ⅱ类围岩甚至部分Ⅲ类围岩中,利用喷锚或钢纤维喷混凝土作为永久性支护,已有许多工程采用,这些工程运行情况均较满意。

在地质条件不良的洞段,或对防渗要求较高的引水隧洞,采用了预应力混凝土衬砌,效果很好。如黄河小浪底水利枢纽排沙隧洞在围幕后采用了后张法预应力混凝土衬砌;清江隔河岩水电站压力隧洞采用了环锚预应力混凝土衬砌;白山水电站高压隧洞采用了压浆式混凝土衬砌。另外,内水压水头高达800余m 和720余m 的天荒坪抽水蓄能电站、广东抽水蓄能电站的岔管,取消了传统的钢板衬护,而采用了钢筋混凝土衬砌,这也是一种大胆的改进。

在挪威,近年来,随着水头高达1000m 的不衬砌隧洞的应用,隧洞系统的布置已变得更为灵活,最佳的隧洞设计方案只需考虑不同的施工方法及其相应的水头损失问题。深入了解和掌握工程地质状况及隧洞支护技术已经成为节省隧洞成本的重要因素。断面仅为相应钻爆隧洞60%的全断面掘进隧洞是一个适当的替代方案,甚至在非常坚硬的岩石中也同样如此。挪威的特色如气垫式调压室、湖泊“水龙头”在某些情况下是替代竖井开挖和大坝建筑的令人关注的方案。根据新的施工技术和设计计算方法,水道的总体布置也有所改进,最显著的变化是由衬砌压力竖(斜)井改为不衬砌压力竖(斜)井;再由压力斜井改为不衬砌高压隧洞,并由气垫式调压室替代了调压井;最后完全省去了用于衰减水体振荡的这两种设施。(www.xing528.com)

压浆式预应力隧洞衬砌。压浆式预应力隧洞衬砌,是用高压灌浆对压力隧洞的混凝土衬砌施加预应力,同时使围岩形成预应力的承载圈,有可能代替钢筋混凝土结构。它的施工方法是:灌浆前先做一层薄的素混凝土衬砌,灌浆时一方面对混凝土衬砌施加预压应力,另一方面将水泥浆填塞衬砌与岩石之间的缝隙,并注入岩石缝隙中。既可提高岩石的变形模量。又可减少渗透率。例如塔斯玛尼亚水工预应力隧洞,灌浆前后,变形模量E 由2.5万MPa提高至6.0万MPa。这项技术已在许多水工压力隧洞中采用。灌浆压力平均为2.5MPa,最高达4.0MPa。

瑞典隧洞岩石情况一般较好。并由于瑞典隧洞一般流速小,因而即使是在岩质较差,节理裂隙比较发育的地方,也多采用锚固和喷浆。只在一些重要部位如竖井、斜井、厂房顶拱或岩石松散可能大量漏水的地段才局部采用混凝土衬砌。瑞典在确定隧洞尺寸时,一般使用简单的经济计算方法。对隧洞经济断面选择影响较大的是糙率,根据瑞典几个隧洞的实测结果,导水系数M=1/n=29～34(糙率的倒数,n为糙率),说明他们采用光面爆破和不衬砌隧洞,M 值也可以达到一般衬砌隧洞M 值的一半。只要将不衬砌隧洞断面加大,即可通过相同数值的流量,由此说明在地质条件许可的情况下,采用不衬砌隧洞在经济上是合算的。另据瑞典电力局分析,隧洞开挖的断面越大,其施工单价越低。在瑞典,一个50m2 断面的隧洞,开挖单价为175瑞典克朗/m3,而一个100m2 断面的隧洞,其单价只需140克朗。隧洞的衬砌混凝土单价为600克朗/m3,模板600克朗/m2,钢筋(加人工)6000克朗/t,如果将衬砌所需的这些费用全部考虑进去,则衬砌隧洞的单价就更贵了。不进行衬砌,还可以节约大量劳动力和缩短施工时间。这就是瑞典广泛采用不衬砌隧洞的技术背景。

瑞典隧洞掘进速度较快,从钻孔到锚固喷浆(甚至包括顶拱混凝土衬砌),一条60～90m2 断面的隧洞,周进尺达18～32m。