关于水工压力隧洞结构设计问题探讨

关于水工压力隧洞结构设计问题探讨

徐强

中水北方勘测设计研究有限责任公司天津300222

摘要：电利、水利工程中所涉及的核心建筑之一，即为水工压力隧洞。通过对目标岩体进行开挖而形成，长度与横断面相比较大，一般情况以圆形断面为主。水工压力隧洞具有特殊的荷载、结构，设计理论以及相应的计算方法还存于不断完善的阶段，还有众多问题需要不断地进行研讨和进一步的澄清，本文就针对水工压力隧洞结构设计问题进行了解析。

关键词：水工；压力；隧洞；结构设计；问题

水工压力隧洞在水利水电工程中属于较为重要的建筑物，它主要形成于岩体中开挖阶段，它的长度超过横截面，断面呈圆形，如果隧洞的水头大于一百米，就可以称之为高压水工隧洞。因为水工压力隧洞的结构较为特殊，我国目前对其的设计理论和计算方法还有较多不足，这些关键问题亟待解决，以推动水工压力隧洞结构设计理论的持续发展。

1水工隧洞开挖结构的布置

1.1表孔泄洪隧洞

将水工隧洞运用于水利泄洪工程时，必须将其做成表孔堰流的形式来进水。正堰斜井泄洪隧道是较为常见的表孔泄洪隧道，它主要由正向溢流堰、陡坡斜井、隧洞及出口消能设施等组成，在其泄水的过程中，隧道内部以及斜井中都是无压力的流动状态，这种状况从水力学来看，属于河岸正向溢洪道，其泄水槽采用封闭形式来替代开放的形式。

1.2深孔泄水隧洞

将水工隧道运用于深孔泄水时，其主要由进水口段、洞身段以及出口消能设施等组成。这种水工隧洞进口段是有压的，但是它洞内的水流可以扩大闸门的后断面让其无压，也可以是有压的。在其进口段通常有2种布置方法：1）高位进水口，洞身和进口段通过斜井与竖曲线相连接；2）低位的进水口，洞身和进水口的底部在同一个平面上。

2水工压力隧洞的施工方法

2.1钻孔作业

在隧洞掘进的过程中，钻孔作业会占据较多的施工时间，通常所使用的钻孔设备有液压凿岩机、钻孔台车以及风钻等。

2.1.1风钻钻孔

运用风钻进行钻孔作业的过程中，运用高压空气动力来进行设备运行的。这种钻孔的方式通常在机械化程度较低以及水工隧洞的断面较小的情况下使用，通过其架立的方式进行施工，这种钻孔设备包括气腿式、伸缩式、手持式以及柱架式的风钻设备。

2.1.2钻孔台车钻孔

钻孔台车是一种可移动的钻孔工作平台，其拥有装药、钻孔和支撑等多方面的用途，主要用于开挖全断面。必须依照断面开挖的不同要求（支护、扎筋、钻孔、立模）与尺寸大小，进行台车层数以及具体尺寸的制造与设计。钻孔台车主要分为轨道式、履带式以及轮胎式。

2.1.3液压凿岩机

依照其工作的方式，液压凿岩机主要分为四臂、三臂以及两臂的机械，这种设备通常都是国外进口的，部分为国产，其主要的生产厂家有日本古河公司以及瑞典的Atlas公司等。

2.2装碴运输作业

2.2.1装碴

1）人工装碴。通常将钢板铺设在进行装碴的地方，从而让爆破出的石碴能够落在钢板上，这样进行人工装碴时就会较为方便。在实际运用中，常采用松碴专用的炸药，将碴堆变得松弛，这样会更加方便人工装碴工作。若要使人工装碴的工作效率得到大幅度的提升，就必须运用下导洞挖掘的形式来进行，通常运用漏斗棚架进行石碴的装运。而平台车在进行装碴的过程中，通常运用上导洞挖掘的形式来进行。2）机械装渣。运用机械装碴的方式通常运用下列机械设备来进行：适合地下工作的短臂正向铲、装岩机以及装载机等。

2.2.2运输

在运输石碴的过程中，一般情况下使用装碴斗车以及窄轨铁路来进行，在牵引的过程中，通常运用电瓶机车以及电气机车来进行。如果运输的距离非常短或石碴的总量不多，可通过人力进行运输，或者使用卷扬机将窄轨斗车牵引起来进行石碴的运输。在隧洞的内部应当运用双线的形式进行运输，并且每隔300~400m就应当进行道岔的布置，从而使石碴的装卸工作以及运输车的调换工作能够有序进行。应当将石碴堆设定在隧洞口的位置，并且碴堆决不能高于隧洞的高度，这样能够让重车在下坡的过程中更加顺利和安全。可以将碎石碴应用于路基的铺设，提高综合利用。如果隧洞的断面过大，可以通过自卸汽车进行碎碴的有效运输，但是必须增大隧洞中的通风效果，从而有效减少机械产生的有毒有害气体。

2.3隧洞临时支撑

2.3.1木支撑

运用木支撑进行隧洞临时支撑具有极大的优势，其不但设置方便，重量轻，并且在出现损坏的情况下会发生变形，能让人及时采取应变措施，不会发生突然折断的情况。但木支撑也存在很大的缺点，其所能承受的压力并不大，并且需要耗费大量的木材，所以成本较高，同时占地面积过大。木支撑的主要形式包括扇形、拱门以及方形等，方形的木支撑在布置的过程中最简单快捷，并且对于临时需要支撑以及断面很小的隧洞具有很好的作用。

2.3.2钢支撑

对于极易破碎十分不稳定的岩层，运用钢支撑的形式最为合适。这种临时支撑的方式具有很大的优势，包括占地面积小，加工方便，具有很强的耐久性，并且能够承受极大的压力。而且这种钢支撑能够重复使用，并且可以在隧洞中进行永久性保存，不需要进行拆除。但是这种支撑方式耗费钢材的数量较大，成本较高，只有在非常不稳定的复杂施工地段才会采用。

2.3.3预制混凝土及钢筋混凝土支撑

这种支撑方式对于围岩压力非常大，并且岩石过于松软以及支撑必须保留在砌层当中来进行，并且其隧洞断面的跨度不能太大。这种支撑方式的主要特征是具有极强的耐久性能，能够永久性保存，并且支撑力非常强，但是其主要缺点是运输以及安装的工序过于麻烦，并且重量过大，需要大量的机械设备配合施工。

2.4隧洞开挖的辅助作业

2.4.1通风与防尘

进行防尘以及通风的辅助作业，能够有效去除因为爆破以及钻孔等因素所造成的大量有毒有害气体与粉尘，从而使工作人员能够呼吸到新鲜的空气，有效改善隧洞中的工作环境，保持气体的流通以及洞内的湿度与温度。

2.4.2排水与供水

在水工隧道的实际施工过程中，必须将施工所产生污水以及渗流出的地下水及时排出。如果水工隧洞是向着上坡的方向进行挖掘，且水量并不大，可以在隧洞的边墙底部挖掘自流排水渠，使积水从渠中排去。如果水工隧洞的挖掘向着下坡方向或者水平的方向时，可以从纵向将隧洞分成好几段，在不同段设置不同的排水渠以及集水坑，运用一定的机械设备将水抽出隧洞外。混凝土养护、钻孔以及洒水所产生的施工用水，需要在隧洞外位置较高的区域进行水池的布设，或者通过水泵提供施工用水。

结语

衬砌与围岩两者相互协调工作是水工压力隧洞设计的核心，同时围岩也是承载的主要主体。在隧洞中，为了确保衬砌与围岩两者能够相互联合工作，应当做好相应的回填灌浆作业，同时要确保衬砌与围岩相互紧密接触是必要的，只有这样的结构设计才是合理的。否则，如果在隧洞中，衬砌与围岩两者出现脱离情况，将会导致隧洞衬砌结构的具体工作条件与设计计算模型出现违背的情况，衬砌则需要独立承受内水压力，以及一定范围内的渗流体积，这将会对衬砌结构的安全性造成较为严重的影响。由此可见，为了保证水工高压隧洞运行的安全性，在具体设计过程中，应当从实际出发，做好具体设计过程中各项关键问题的分析工作。同时，在隧洞具体施工过程中，要做好相应的回填灌浆作业。

参考文献

[1]孙建仁.水工压力隧洞砼浇筑技术措施和质量控制[J].中国水运（下半月），2014，（5）.

[2]郑治，刘杰，彭成佳，等.水工隧洞受力特性研究和结构设计思路[J].水力发电学报，2010，（2）.

[3]孙建仁.水工压力隧洞混凝土浇筑技术措施和质量控制[J].中国水运（下半月），2014，14（05）：342~343.

[4]刘波，李宁.圆形压力隧洞衬砌与围岩荷载分担比研究[J].西安理工大学学报，2012，28（04）：379~384.