段 乐 斋
成都勘测设计研究院，四川 成都 610072
1 前 言
随着我国工农业生产和国民经济的发展，特别是改革开放以来，水工隧洞的建设取得了举世瞩目的巨大成就。据不完全统计，1992年以前我国已建的水工隧洞总长313km其中大于1km的隧洞65条，长274km；而1997年统计，大于1km的隧洞113条，长度达608km。短短的五六年间，水工隧洞建设的数量和长度就增加了一倍。
近几年建设的水工隧洞，在数量上大有增加，在技术水平上也大有进展，兹概述如后。
2 设计观点发生根本变化
随着科学技术的发展，地下工程设计观点发生了根本的变化。传统设计采用的是围岩荷载的观点，即把洞室的围岩当成荷载，把内衬混凝土或钢筋混凝土当成结构，承担围岩荷载和其它荷载(如内、外水的压力等)，以维持围岩的稳定。随着工程实践经验的积累、岩石力学的发展和电子计算机的应用，认为围岩不再是荷载来源，而是承担荷载的主要结构。这即是围岩结构的观点。洞室的主要结构是围岩，但围岩是千变万化的，有的坚硬完整，有的节理裂隙发育，甚至松散破碎，且还受着洞形、隧洞尺寸、洞轴线与岩层夹角、施工开挖方法等人为因素的影响。根据工程应用要求，对不良围岩需要进行加固。灌浆、锚杆是从内部加固围岩，提高围岩的完整性及其强度；喷混凝土支护或混凝土衬砌是从外部加固围岩，防止围岩因过大变形而导致坍塌破坏。水工隧洞的结构是由围岩及其加固措施构成的统一体，设计时应充分考虑利用围岩的自稳能力和承载能力，把加固措施压缩到最小限度，并充分发挥其作用。
3 设计方法更新
水工隧洞的结构是围岩及其加固措施构成的统一体，设计时应充分考虑利用围岩的承载力。因此，设计人员的观点就由原来致力于混凝土、钢筋混凝土衬砌的研究、设计，逐渐转移到对围岩的稳定性进行分析评价方面，这是一个极大的改变。
目前我国对围岩稳定性的分析评价，一般有后述三种方法。
3.1 工程地质法
这是一种基本的方法，其主要的工作步骤为：
(1)进行工程地质调查，获取岩体的强度、变形、初始应力等物理力学参数；
(2)根据围岩稳定性的控制因素(弱面、应力及岩体强度)，运用赤平极限投影法，定出可能不稳定的结构体，结合地应力条件，综合比选洞轴线的方法，并用块体极限平衡理论确定围岩的稳定性(该方法始于我国)；
(3)运用工程类比方法(即围岩分析法)，对围岩稳定性进行判断及支护设计。
3.2 数值分析方法
目前常用的计算理论有：(1)采用有限元分析的弹性、弹塑性理论；(2)块体极限平衡理论；(3)普氏、太氏散体理论。
在隧洞的围岩分析和支护设计中，运用线性或非线性有限元、边界元、离散元或块体理论等分析方法，对水工隧洞的围岩稳定进行分析评价。从围岩的加固设计到制图、文件编写出版，我国已有一套完整的程序，可极大地提高设计能力和加快设计进度。
3.3 模型试验法
根据围岩收敛变形观测与支护应力观测结果，判定围岩的稳定性。
观测围岩变形和支护应力，建立围岩和支护的特性曲线，用以分析评价围岩的稳定性及支护的效果，此种方法称之为“特性曲线法”。
用位移观测系统量测围岩的位移，并反演某些岩体力学特性(如弹性模量)和初始应力状态，藉以评价围岩的稳定性，此法即位移反分析法。
引用地区和工程部位的地应力测试成果，以评价、分析围岩的稳定性。
4 建设规模已达国际先进水平
据20世纪80年代统计，有压隧洞的最大直径为12m，无压隧洞的最大尺寸为16m×18m，单洞的最大长度为10km，最大的内水压水头为80m。我国已建的二滩水电站导流隧洞的断面尺寸17.5m×23m，正在建设的三峡地下厂房尾水洞尺寸为24m×36m，已达国际同类隧洞尺寸之最。正在建设的引黄南干线7号隧洞单洞长达43km。天荒坪抽水蓄能电站高压隧洞的静、动水压总水头达830m，已建广西天湖水电站不衬砌引水隧洞内水压水头亦达600余米。
5 支护、衬砌型式快速发展
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压水头600余米，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，如四川省汶川县黑土坡水电站引水隧洞遇有古河床100余米，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帷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余米和720余米的天荒坪抽水蓄能电站和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。
6 洞群布置
特别引人注目的小浪底水利枢纽，将泄洪、排沙、引水、发电等20余条大型洞室群均布置于一岸的山坡中，纵横交错，堪称地下工程一绝。
7 光面爆破的普及和掘进机的应用
我国隧洞的开挖技术已有较大的进展，但与国外相比仍有较大的差距。过去一直采用钻爆法开挖，超挖量较大，有的多达1m以上，导致工程量增加，投资增大。近几年普遍采用了光面爆破开挖，严格控制开挖质量，在一般地质条件下，相邻岩面的起伏差能够保持在11～15cm以内，残孔保存率70％～80%，达到规范规定的标准。这就极大地节约了开挖和回填的工程量，并避免了对围岩的过大振动破坏，有利于保持原围岩的稳定性。为充分利用围岩，地下工程开挖采用钻爆法时，必须采用光面爆破。
掘进机已在引滦、天生桥、引大工程中成功应用，现在正应用于引黄工程。它对加快开挖进度有着明显的效果，应研究推广使用。
近几年来，我国水工隧洞的建设成就辉煌，但也发生了一些不应该发生的事故。这些事故有的是在建设中发生的，有的是在运行中发生的，给国家带来了很大的经济损失和不良的影响。如江西蔡坊隧洞爆裂，高压水冲出地面形成泥石流，淹没了电站的厂房和变电站，是一严重的恶性事故。有人认为事故的原因是围岩覆盖厚度不够，并对不良围岩未进行固结灌浆所致，也有人认为是关机过快、施工质量差、混凝土衬砌背后有空腔所致。四川太平驿水电站的引水隧洞，运行15个月后打开隧洞检查，发现顶拱混凝土开裂、脱落数十处，被迫停止运行进行处理，不但造成了经济损失，也给系统运行带来了很大的不便。蔡坊和太平驿电站工程事故的共同特点是衬砌背后有空腔，衬砌质量极差。
总之，近年来我国水工隧洞的建设成就辉煌，进展很大，但也发生了一些问题，应认真总结经验吸取教训，改进我们的设计、施工，以便创造更大的成绩
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