[發明專利]承受高內外水壓力的隧洞結構及其施工工藝

在審

• 申請號: 201710659989.0
• 申請日: 2017-08-04
• 公開（公告）號: CN107245989A
• 公開（公告）日: 2017-10-13
• 發明（設計）人: 劉致彬;趙妍;岳躍真;孫粵琳;王榮魯;黃昊;張家宏;李蓉;瞿楊;孔祥芝
• 申請（專利權）人: 北京中水科海利工程技術有限公司;中國水利水電科學研究院
• 主分類號: E02B9/06
• 分類號: E02B9/06
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技術領域

本發明涉及一種承受高內外水壓力的隧洞結構及其施工工藝。

背景技術

壓力隧洞的特點是：一是斷面形狀多為圓形，因其主要荷載為高內水壓力及高外水壓力，故圓形斷面的受力條件較好，且斷面濕周最小；二是洞身在巖體中開挖而成，巖體原有的平衡狀態遭受破壞，可能產生較大變形或崩塌，故常常采取永久性襯砌以確保安全；三是洞身要承受高內外水壓力及圍巖壓力等作用。因此，洞身襯砌要有足夠的強度和抗滲漏功能。

隧洞襯砌的主要目的是：承受高內水、外水壓力及其他荷載；防止內水外滲，危及圍巖及鄰近建筑物的安全等。目前，常采用的襯砌型式有普通鋼筋混凝土、預應力鋼筋混凝土、鋼板襯砌等。由于用鋼筋來防止混凝土裂縫的發生，理論上和實踐中都證明是行不通的，故國內外多采用有粘結或無粘結預應力鋼筋混凝土襯砌隧洞，上述預應力混凝土均需耗費大量預應力高強、低松弛鋼材和錨具以及相當多的普通鋼筋，施工麻煩。同時，因沿程預應力損失，致使環向預壓應力分布不均勻，受力狀態欠佳。因此，選用外加預應力法，采用圓環形扁千斤頂施加預應力，不僅省去大量高強鋼材，而且應力分布均勻，是一種經濟、合理的選擇。

地下水的存在，一般來說，總是不利的因素，它除了使地質條件惡化之外，更會在隧洞襯砌外面產生很大的外水壓力，而外水壓力卻是促使襯砌破壞的主要原因之一。巖體中的隧洞必須和巖體的埋藏特性、構造和水化學特性相適應，必須對巖體的裂隙度、透水程度以及地下水對巖石的溶解度進行詳細調查，尤其是當斷層、裂縫中夾有易被水侵蝕、淘刷的軟弱填充物時，更不能忽視。應該指出，最危險的情況是由細沙和淤泥組成的含水層。在這種情況下，任何一種自然平衡的破壞、急劇的抽水或壅水都可能引起流沙移動，從而使得上部巖層發生滑動或坍塌。

透水的和龜裂的巖體，常使雨水和位于隧洞高程以上的山溪、積雪和湖泊中的水流向深處，因而在隧洞襯砌外側造成很大的外水壓力。在原來沒有地下水的巖體內，高壓隧洞中的水也可能在長時間內緩慢地從隧洞內滲出，并填充在周圍巖體的孔隙中。當以后隧洞放空時，襯砌就會在接近于內水壓力強度的外水壓力作用下被破壞。有些巖體中會有粘土層存在，它可能是原生的或由變質作用形成的。這種成層狀的巖體有可能沿粘土層或其他巖層滑動，此時，地下水的存在是特別危險的因素。在這種情況下，巖層將發生較大的位移，巖石壓力將隨即急劇增大，被水潤濕的云母頁巖亦有這種危險。

消除外水壓力的有效方法是采用先“堵”后“排”的工程措施，所謂“堵”就是對襯砌外圍巖進行固結灌漿，深入圍巖一定深度鉆孔，在壓力下進行水泥灌漿，灰漿充填節理、裂隙滲漏通道，使圍巖的整體性得到提高，同時提高其抗滲性和堅固性，以達到形成堅固的承載圈和密實的防滲圈的目的。但固結灌漿并不能完全截斷滲流，為了收集并排走滲透過來的水流，尚需在襯砌背后設置排水系統。所謂“排”就是在襯砌層背后設置排水孔，并深入到圍巖一定深度，但不穿過固結灌漿層，將襯砌外的滲水排出隧洞外，以達到進一步降低襯砌外水壓力的目的。在固結灌漿層和系統排水的共同作用下，使襯砌外水壓力降至允許值以內。

已建隧洞大多是以堵為主，堵、排結合的地下水防滲思想進行設計與施工，認為首先采取固結灌漿處理措施，形成良好的抗滲灌漿圈，可將高地下水壓力控制在灌漿圈的外部，使灌漿圈圍巖成為承受外水壓力的主要結構，然后，對隧洞頂部和側墻深入圍巖一定深度鉆排水孔，加強排水效果，以降低外水壓力。對于壓力隧洞的排水系統設計，則多是利用已有探洞、施工支洞或根據圍巖地質構造等因素專門設計用于排水目的的排水洞，然后在洞內布置水平斜向和垂直斜向排水孔。排水洞的支護，Ⅱ、Ⅲ類圍巖僅用噴混凝土支護，Ⅳ類圍巖及破碎帶地段則采用噴錨支護結構。

消除或減小外水壓力的有效工程措施是堵、排相結合的原則，堵即對襯砌外圍巖進行固結灌漿，以降低圍巖的滲透性。灌漿時間有兩種：一是襯砌完成后進行，質量有保證，但對排水孔可能造成堵塞；二是超前預灌漿，即在洞開挖之前預灌漿后再開挖洞，灌漿質量有提高，但施工麻煩，難以推廣。對壓力隧洞的排水系統的設計，主要是設置排水洞，洞內布置排水孔。問題是排水洞的布置，當然是利用施工支洞或地質探洞，或開挖專供排水的水平坑道，或多或少地與隧洞軸線垂直布置。因為與壓力隧洞平行布置的較大型排水洞是危險的。總之，壓力隧洞的排水系統的出水口多不能在洞內，因為怕內水跑出去。但也有研究將排水管出口布置在洞內，此時出水口設有壓力閥，當外水壓力大于內水壓力時，閥門打開，外水排入洞內；當外水壓力小于內水壓力時，閥門關閉，防止內水向外流出。由于壓力閥經常失控，且不能消除外水壓力，故尚未推廣應用。

發明內容