岩体结构面及高地应力对水工隧洞洞线布置影响的中挪经验对比

茆大炜 邓命华 许 晖 张 勤

（1 中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司 长沙市 410014；2 湖南省洞庭湖水利工程管理局 长沙市 410007）

1 概 述

水工隧洞是水利枢纽的重要组成部分之一。在多年工程经验的基础上，国内形成了较完备的水工隧洞设计和施工技术[1-2]，成功进行了多条水工隧洞的建设。挪威的水电站多采用长距离引水，建有超过4 000 km 的水电工程隧洞，其中仅有不超过4%的长度进行衬砌，在隧洞建设方面也积累了大量经验[3-4]。

隧洞的线路布置作为整个水工隧洞设计中最重要的环节之一，不仅是随后水力计算、结构设计的基础，还关系到围岩稳定、施工工期、工程造价和运行安全。从地质上讲，水工隧洞能否安全施工和正常运行，关键在于准确判断围岩稳定性并进行处理。一般而言，洞线宜选在地质构造简单、岩体完整稳定、水文地质条件有利的地区，避免大的地质构造带或以尽可能短的距离穿越不良构造带。岩体结构面和高地应力也是影响隧洞稳定的重要因素，本文就这两点在洞线布置上的中挪经验进行了对比。

2 岩体结构面对洞线布置的影响

水工隧洞设计规范[1-2]是国内指导水工隧洞设计的重要依据。挪威地下工程经验在挪威岩石力学学会的工程地质及岩石工程手册[5]和挪威科技大学水电专业丛书岩石工程部分[6]多有介绍，这些经验广泛地用于包括引水隧洞在内的地下工程中。以下双方可用于评价岩石结构面和高地应力对洞线布置影响方面的经验介绍主要基于以上文献，以及笔者与挪威该领域专家的讨论。

洞线走向与围岩结构面间的夹角大小是保证围岩稳定、充分发挥围岩自稳能力并获得围岩最大承载能力的重要考虑因素。国内水工隧洞规范规定，洞轴线应与岩层层面、主要构造断裂面及软弱带的走向之间有较大的夹角。对整体块状结构岩体及厚层并胶结紧密、岩石坚硬完整的岩体，交角不宜小于30°；对于薄层岩体，特别是层间结合疏松的高倾角薄岩层，交角不宜小于45°；当交角小于上列规定时，则必须采取工程措施。对于层状岩体这一典型的各向异性介质，为保证围岩稳定和获得最大的承载能力，其洞轴线与岩层走向的理想夹角为90°。

在挪威设计经验中，从保证围岩稳定性的角度出发，水工隧洞的最优洞轴线应为两组主要结构面夹角的中心方向，同时避免与其它组结构面走向平行。挪威经验还考虑了各组结构面性质对洞轴线布置的影响，如各组结构面的密集程度、倾向和充填特性等。对于陡倾角光滑面和夹有粘土填充物的结构面，大断面、长距离隧洞至少需与结构面保持25°以上的交角。即使是较小断面的隧洞，当洞线与主要结构面交角小于25°～30°时，岩体的稳定性也会降低。

对比以上两国在洞线布置上的结构面考量，不难发现洞线需与围岩结构面保持尽量大的交角是双方的共识，国内规范对于交角大小的要求更加严格，尤其是对层间结合疏松的高倾角岩层。挪威经验中谈到了多组结构面条件下洞线布置的具体操作，也提及了结构面的出现频率、倾向、摩擦性质等要素。

3 高地应力对洞线布置的影响

岩体的初始地应力状态与围岩稳定关系十分密切。地应力适中有助于围岩稳定；浅层地下洞室由于应力较低往往难以有效形成拱效应，存在岩体失稳的风险；位于高地应力地区的隧洞，则可能导致岩爆或大变形。国内水工隧洞设计规范建议，高地应力条件下隧洞轴线与最大水平地应力方向尽量保持较小的交角，以降低由地应力产生的边墙侧向压力。二滩水电站探洞的实测数据分析及多个矿山巷道的变形破坏情况观测很好的印证了这个观点[1-2]。由于地应力测量存在费用高、技术要求和测点布置较严格等诸多限制条件，一般工程难以大规模地开展地应力场实测工作，但对于高地应力区重要隧洞的重点洞段，地应力测量是必要的。

挪威经验认为，在高地应力区，隧洞周边与最大和第二主应力所在平面相切部分是需重点关注的位置，最有可能破坏失稳，应通过调整洞线方位使隧洞周边尽可能小的区域与该平面相切。当洞线与最大主应力的平面投影夹角在15°～30°之间，岩体往往最为稳定，同时要注意避免和主要结构面平行。在如结晶片岩和板层砂岩等层状岩体中，如果主应力的方向接近层状结构面方向，要保持较大的洞线与结构面走向的交角不得低于35°。

对比洞线布置在高地应力区的两国技术建议，中方强调洞线应与最大水平地应力保持尽可能小的交角，挪威经验则是基于最大主应力的平面投影，建议洞线与最大主应力平面投影夹角在15°～30°之间，挪威经验还给出了隧洞可能破坏位置与主应力平面间的关系，同时说明了主应力和层状结构面方向接近情况下的注意点。

4 结 语

隧洞设计中洞线布置尤为关键，一条合适的洞线需要综合各种因素分析比较后才能确定。鉴于隧洞赋存地质条件对洞线布置的重要影响，本文对国内和挪威在岩体结构面和高地应力两个因素在洞线布置考量上的经验进行了对比。双方都认为洞线需与围岩结构面保持尽量大交角，但在具体交角大小规定上略有差异，挪威经验中洞线在多组结构面存在情况下如何确定的说明具有较好的现场指导意义。双方对于高地应力条件下技术建议的描述有所不同，国内规范基于最大水平地应力给出指导意见，挪威经验根据最大主应力的水平投影给出建议。此外，挪威经验还说明了可能岩体破坏位置与主应力所在面的联系，以及主应力和层状结构面方向接近情况下的注意点。对比说明，中国与其它地下工程经验丰富的国家在技术经验总结上不尽相同，可通过学习交流汲取她国先进技术经验，不断完善我们的技术规范，以利更好地指导工程设计。

[1] 国家发展和改革委员会.DL/T 5195-2004. 水工隧洞设计规范[S].2004.

[2] 水利部.SL 279-2002.水工隧洞设计规范[S].2002.

[3] Broch E..Underground Hydropower Projects-Lessons learned in Home Country and from Projects Abroad [M].Norwegian Hydropower Tunnelling II. Norwegian Tunnelling Society Publication No. 22，2013.

[4] Berthelsen O. J.Guide to Cavern Engineering[M].Geotechnical EngineeringOffice,CivilEngineeringDepartment，HongKong，1992.

[5] Norwegian Group for Rock Mechanics (NBG). Engineering Geology and Rock Engineering, Handbook No. 2[M].2000.

[6] Nilsen B，Thiderman A. Rock Engineering [J]. Hydropower Development Vol.9，Norwegian Institute of Technology，1993.