不衬砌有压输水隧洞设计与研究

陈晓年，苏 凯，杨继华，翟 鑫

（1.黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003；2.武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072）

随着国家水网战略的实施，长距离引调水工程呈现越来越多的趋势，有压输水隧洞因布置灵活、运行方便等优点逐渐成为工程设计首选的一种输水形式。常规有压输水隧洞，特别是水头100 m以上的高压隧洞，为了工程安全和运行需要，一般采用钢筋混凝土衬砌或预应力混凝土衬砌，高压隧洞甚至采用钢衬形式，其主要目的是为了防止内水外渗耦合水力劈裂，确保隧洞的安全运行。

有压输水隧洞是否采用衬砌，主要受两方面因素控制：一是围岩满足隧洞受力要求。有压输水隧洞的内水压力作用到围岩上是否会发生水力劈裂和大量渗漏［1］，影响到隧洞的安全，如果隧洞的埋深足够大、围岩条件足够好，那么在不衬砌或透水衬砌的情况下，即使高内水压力直接作用在围岩上，也不会发生水力劈裂和大量渗漏，否则隧洞就要采用限裂设计或直接采用钢衬。二是工程设计的自身需要（如水力条件要求）。近年来，随着施工方法的进步，长距离引调水工程采用TBM掘进的情况越来越多，TBM输水隧洞不同于常规钻爆法施工，TBM掘进过程中对围岩扰动较小，掘进后形成的隧洞断面较为光滑，因此在水头条件允许的情况下，一般不需要采用混凝土衬砌来减小糙率以降低水头损失。

与常规衬砌有压输水隧洞相比，不衬砌有压输水隧洞具有成本低、施工快等显著优点，因此在同时满足上述两方面要求的前提下，建议修建不衬砌有压输水隧洞，但是不衬砌有压输水隧洞目前尚无系统的设计方法。本文以福建龙岩万安溪引水工程为依托，在综合分析大量地质资料和试验数据的基础上，基于挪威准则框架，提出有压输水隧洞不衬砌设计的边界条件，针对不同围岩类型采用不衬砌＋钢筋混凝土透水衬砌的组合支护形式，构建不衬砌设计思路与准则，进一步探讨不衬砌有压输水隧洞设计难题。

1 不衬砌设计理论分析

从结构角度出发，有压输水隧洞是否采用衬砌主要看围岩上是否会发生水力劈裂和大量渗漏。本文基于挪威准则框架和最小地应力理论，结合引水隧洞水力学要求，提出不衬砌有压输水隧洞设计流程。

1.1 挪威准则和最小地应力理论

对于有压隧洞，岩体作为承担内水压力的结构主体，需要同时满足覆盖岩体不上抬、不发生水力劈裂和渗透失稳破坏等要求［2］，最小岩体覆盖层厚度一般应满足挪威准则要求，但满足挪威准则并不能保证不发生水力劈裂和渗透失稳，原因是在深埋岩体中一般存在不同的地质构造，可能出现最小地应力值小于自重应力最小值的情况，此时隧洞内最小地应力可能小于隧洞内水压力，有压隧洞将发生水力劈裂和渗透失稳，危及工程安全。因此，对于有压输水隧洞，在满足挪威准则的条件下，还要特别对地应力进行判别，以合理选择隧洞衬砌支护形式，并兼顾安全性和经济性。

1.2 不衬砌有压输水隧洞设计思路

从目前的工程设计和研究成果来看，一般对于埋深足够大、围岩条件足够好的有压输水隧洞，隧洞埋深满足挪威准则和最小地应力要求，有压输水隧洞高内水压力作用在围岩上，不会发生水力劈裂和大量渗漏，并且不需要采用混凝土衬砌来减小糙率，水工有压隧洞设计中宜优先考虑不衬砌隧洞方案，这在理论及工程实践中是可行的。

不衬砌有压输水隧洞是有条件限制的，尤其是对围岩条件要求很高时，因此它的应用范围受到了一定的限制。隧洞的围岩具有非均匀性、不连续性、环境赋存性、各向异性等特点［3］，还存在一定的构造应力，因此不同工程相同类别的围岩，其稳定性程度会有较大的差别，甚至同一工程相同类别的围岩，其稳定性程度也有较大的差异。因此，不衬砌有压输水隧洞设计条件很难准确量化，目前也尚无统一的理论标准，隧洞是否进行衬砌还应与工程的功能和需求结合起来，做到系统分析和整体设计。

根据国内外几个输水隧洞工程［4－5］设计经验，在已有研究的基础上，依托龙岩万安溪引水工程，提出一套不衬砌有压输水隧洞设计思路和设计方法（见图 1），为类似工程提供参考和借鉴。

图1 不衬砌有压输水隧洞设计流程

2 典型工程设计与研究

龙岩万安溪引水工程是解决龙岩市主城区中、远期供水需求的引调水工程，工程平均引水流量为2.34 m3／s，设计引水流量2.93 m3／s，多年平均引水量0.723 9亿m3，工程规模为中型，等别为Ⅲ等，主要建筑物为3级。工程从大灌水电站发电尾水取水，通过引水隧洞及管道引水至新罗区北翼水厂，主要建筑物有大灌水电站尾水取水建筑物、输水隧洞、沿线交叉建筑物、引水管道等，线路总长约35 km，全程采用有压重力流输水。其中输水隧洞长约28 km，以桩号13＋000为界，上游隧洞采用钻爆法施工、下游隧洞采用TBM法施工，TBM开挖断面洞径为3.8 m，输水隧洞最大埋深约800 m，隧洞最大内水压力水头约80 m。

2.1 地质条件分析

输水隧洞洞室上覆岩体厚度一般为100～800 m，冲沟段厚度较小，弱－微风化岩体透水性微弱（见图 2）。其中桩号0＋000—24＋700段隧洞围岩为燕山早期侵入岩，岩性主要为黑云母花岗岩、花岗闪长岩，以Ⅱ～Ⅲ类为主；桩号24＋700—27＋936段隧洞围岩为泥盆系上统沉积岩，岩性主要为泥质粉砂岩夹砂砾岩、砾岩、石英砾岩、砂砾岩等，以Ⅲ～Ⅳ类为主；断层带附近和进出口段为Ⅴ类围岩。

图2 输水隧洞纵断面示意

参照附近其他引水工程围岩分类经验，结合本工程的岩质类型、地震纵波速度、RQD值、风化程度、断裂发育情况、岩体结构特征及强度、地下水状态等，将工程区隧洞围岩分为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ四大类，同时考虑围岩性质，将Ⅲ类又分为ⅢA、ⅢB两个亚类，侵入岩体围岩分类见表1。

表1 侵入岩体围岩分类

输水隧洞Ⅱ类围岩洞段累计长约15 479 m、占55.9%，Ⅲ类围岩洞段累计长约74 42 m、占26.8%，Ⅳ类围岩洞段累计长约4 114 m、占14.8%，Ⅴ类围岩洞段累计长约695 m、占2.5%。

2.2 不衬砌隧洞设计

2.2.1 挪威准则复核

根据上述不衬砌有压输水隧洞设计思路及流程，首先针对隧洞进行挪威准则复核。根据工程布置，洞室上覆岩体厚度一般为100～800 m，根据相关规范［6］规定，大部分洞段均能满足挪威准则要求，仅在隧洞的进、出口一定范围及覆盖层厚度较小洞段不满足最小岩体覆盖要求，需要考虑工程措施［7］，该段隧洞的结构设计主要受内水压力控制，考虑采用钢衬＋回填C20自密实混凝土衬砌形式（见表 2）。

表2 压力钢衬段设计成果

2.2.2 最小地应力复核

在桩号23＋500附近的CZK06钻孔进行9组水压致裂法地应力测试，结果表明工程区总体的应力规律满足SH＞Sv＞Sh（其中：SH为最大水平主应力，Sh为最小水平主应力，Sv为垂直主应力），在实测深度范围内（204.73～398.37 m），最大水平主应力值5.22～17.31 MPa，最小水平主应力值4.28～11.00 MPa，最大水平主应力方向为N 24°—54°W，应力场状态以NW向的挤压为主。

根据测试结果绘制钻孔地应力与测试深度关系曲线（见图 3），从图3可以看出应力与深度呈一定线性关系，随着深度增加应力增大，即深度与应力正相关，最大、最小水平主应力与深度H的关系见式（1）。

图3 地应力与测试深度关系

为进一步验证本次地应力测试结果，收集了福建龙岩附近工程的地应力测试结果（见表 3）。从表3可以看出附近各地下工程上覆岩体厚度为300～420 m处最大水平主应力基本在11.0～16.3 MPa范围内、最小水平主应力基本在7.0～13.0 MPa范围内，属中等偏低地应力场。

表3 龙岩附近工程地应力测试结果统计

综上所述，工程区最小地应力以构造应力为主，分析测试数据可得出最小水平主应力与自重应力比为0.67～1.11，平均值为0.89，考虑到隧洞围岩条件整体较好，根据工程经验判断［8］，最小地应力可取自重应力的0.8倍，在挪威准则的框架下，对钢衬外其余洞段进行计算复核，结果均满足最小地应力要求。

2.2.3 围岩稳定计算与复核

本工程地质条件较好，尤其是Ⅱ类、ⅢA类围岩段，围岩整体性较好，自稳能力强，通过挪威准则和最小地应力复核，满足不衬砌条件，因此推荐采用Ⅱ类、ⅢA类围岩不进行衬砌；但是ⅢB类、Ⅳ类和Ⅴ类围岩（破碎及涌水段）的整体性较差，围岩压力和外水压力较大，自稳能力差，需要进行衬砌，衬砌设计时不以内水压力为标准进行控制，主要考虑抗外水压力和围岩压力的作用。

衬砌结构计算采用国际通用的有限元分析设计软件LUSAS建立有限元分析模型，使用BEAM单元模拟衬砌结构、弹簧单元JPH3模拟衬砌与围岩之间的相互作用，通过计算可知，检修工况衬砌在围岩压力、外水压力、自重等荷载组合作用下，在衬砌的底部出现了较大的弯矩和轴力，结构以受压为主，见图4。最后，根据有限元计算出来的弯矩和轴力再进行结构配筋计算（见表 4）。

图4 检修期衬砌结构内力云图

表4 配筋计算成果

另外，深埋隧洞考虑影响隧洞安全的荷载主要为外水压力，为了进一步减小外水压力对隧洞衬砌的影响，针对外水压力较大的Ⅳ类、Ⅴ类围岩，在隧洞顶拱部位设置了排水孔，可有效降低外水压力，保证隧洞的安全［9］。

2.2.4 水力学条件复核

该工程设计输水流量为2.93 m3／s，隧洞的截面大小由施工断面控制，故隧洞内水流流速相对较小，沿程水头损失也较小。按照糙率的经验取值［10］对不衬砌隧洞的水头损失进行复核计算，其中：钻爆法施工段衬砌部分糙率取0.014、不衬砌部分糙率取0.043；TBM法施工段的衬砌部分糙率取0.014、不衬砌部分糙率取0.025；倒虹吸及埋钢管段糙率取0.015，其他局部损失系数、流量等参数均取上限。通过计算，整个输水线路水头损失为18.71 m，全线满足有压重力流输水的要求，工程末端规划的北翼水厂调流调压阀前末端压力水头为5.79 m，满足一般水厂大于3.0 m的设计要求，因此设计时不需要考虑降低糙率措施，该工程具备不衬砌的设计条件。

3 结 论

针对不衬砌有压输水隧洞，国内一些学者进行了研究讨论，但主要集中在洞室围岩稳定理论的研究。因受制于地质条件的复杂性和不确定性，实际工程建设过程中很难进行有效的判别，且目前无统一标准，笔者结合实际工程针对不衬砌有压输水隧洞的设计过程进行研究，得出主要结论如下：

（1）不衬砌有压输水隧洞的关键是保证洞室围岩的自身稳定，同时满足隧洞的埋深足够深和围岩条件相对好的要求，但是目前围岩条件好坏准确判别在实际工程上比较困难，受制于地质条件的复杂性和不确定性，导致一些参数无法进行量化，因此设计上需要简单有效的判别方法（即挪威准则和最小地应力理论）。

（2）不同地质条件下的有压输水隧洞的衬砌作用机制是不同的，如果设计者不加以区分、均按照内水压力来控制结构设计是不正确的。对于不衬砌有压输水隧洞，在围岩条件较差洞段考虑衬砌作用主要是抗外水压力而非内水压力。

（3）对于不衬砌有压输水隧洞，除了考虑挪威准则、最小地应力理论、围岩稳定、水力条件外，笔者认为还应考虑地下水位情况，在满足挪威准则和最小地应力的条件下，还应满足外水压力大于内水压力，保证内水不外渗。

虽然不衬砌有压输水隧洞主要受制于地质条件，但与工程本身条件也息息相关，需要设计者进行综合判断，在设计过程中根据隧洞开挖的围岩揭露情况进行针对性设计，以进一步保证工程的安全。