茆大煒 鄧命華 許 暉 張 勤

（1 中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司 長沙市 410014；2 湖南省洞庭湖水利工程管理局 長沙市 410007）

1 概 述

水工隧洞是水利樞紐的重要組成部分之一。在多年工程經(jīng)驗的基礎上，國內形成了較完備的水工隧洞設計和施工技術[1-2]，成功進行了多條水工隧洞的建設。挪威的水電站多采用長距離引水，建有超過4 000 km 的水電工程隧洞，其中僅有不超過4%的長度進行襯砌，在隧洞建設方面也積累了大量經(jīng)驗[3-4]。

隧洞的線路布置作為整個水工隧洞設計中最重要的環(huán)節(jié)之一，不僅是隨后水力計算、結構設計的基礎，還關系到圍巖穩(wěn)定、施工工期、工程造價和運行安全。從地質上講，水工隧洞能否安全施工和正常運行，關鍵在于準確判斷圍巖穩(wěn)定性并進行處理。一般而言，洞線宜選在地質構造簡單、巖體完整穩(wěn)定、水文地質條件有利的地區(qū)，避免大的地質構造帶或以盡可能短的距離穿越不良構造帶。巖體結構面和高地應力也是影響隧洞穩(wěn)定的重要因素，本文就這兩點在洞線布置上的中挪經(jīng)驗進行了對比。

2 巖體結構面對洞線布置的影響

水工隧洞設計規(guī)范[1-2]是國內指導水工隧洞設計的重要依據(jù)。挪威地下工程經(jīng)驗在挪威巖石力學學會的工程地質及巖石工程手冊[5]和挪威科技大學水電專業(yè)叢書巖石工程部分[6]多有介紹，這些經(jīng)驗廣泛地用于包括引水隧洞在內的地下工程中。以下雙方可用于評價巖石結構面和高地應力對洞線布置影響方面的經(jīng)驗介紹主要基于以上文獻，以及筆者與挪威該領域專家的討論。

洞線走向與圍巖結構面間的夾角大小是保證圍巖穩(wěn)定、充分發(fā)揮圍巖自穩(wěn)能力并獲得圍巖最大承載能力的重要考慮因素。國內水工隧洞規(guī)范規(guī)定，洞軸線應與巖層層面、主要構造斷裂面及軟弱帶的走向之間有較大的夾角。對整體塊狀結構巖體及厚層并膠結緊密、巖石堅硬完整的巖體，交角不宜小于30°；對于薄層巖體，特別是層間結合疏松的高傾角薄巖層，交角不宜小于45°；當交角小于上列規(guī)定時，則必須采取工程措施。對于層狀巖體這一典型的各向異性介質，為保證圍巖穩(wěn)定和獲得最大的承載能力，其洞軸線與巖層走向的理想夾角為90°。

在挪威設計經(jīng)驗中，從保證圍巖穩(wěn)定性的角度出發(fā)，水工隧洞的最優(yōu)洞軸線應為兩組主要結構面夾角的中心方向，同時避免與其它組結構面走向平行。挪威經(jīng)驗還考慮了各組結構面性質對洞軸線布置的影響，如各組結構面的密集程度、傾向和充填特性等。對于陡傾角光滑面和夾有粘土填充物的結構面，大斷面、長距離隧洞至少需與結構面保持25°以上的交角。即使是較小斷面的隧洞，當洞線與主要結構面交角小于25°～30°時，巖體的穩(wěn)定性也會降低。

對比以上兩國在洞線布置上的結構面考量，不難發(fā)現(xiàn)洞線需與圍巖結構面保持盡量大的交角是雙方的共識，國內規(guī)范對于交角大小的要求更加嚴格，尤其是對層間結合疏松的高傾角巖層。挪威經(jīng)驗中談到了多組結構面條件下洞線布置的具體操作，也提及了結構面的出現(xiàn)頻率、傾向、摩擦性質等要素。

3 高地應力對洞線布置的影響

巖體的初始地應力狀態(tài)與圍巖穩(wěn)定關系十分密切。地應力適中有助于圍巖穩(wěn)定；淺層地下洞室由于應力較低往往難以有效形成拱效應，存在巖體失穩(wěn)的風險；位于高地應力地區(qū)的隧洞，則可能導致巖爆或大變形。國內水工隧洞設計規(guī)范建議，高地應力條件下隧洞軸線與最大水平地應力方向盡量保持較小的交角，以降低由地應力產生的邊墻側向壓力。二灘水電站探洞的實測數(shù)據(jù)分析及多個礦山巷道的變形破壞情況觀測很好的印證了這個觀點[1-2]。由于地應力測量存在費用高、技術要求和測點布置較嚴格等諸多限制條件，一般工程難以大規(guī)模地開展地應力場實測工作，但對于高地應力區(qū)重要隧洞的重點洞段，地應力測量是必要的。

挪威經(jīng)驗認為，在高地應力區(qū)，隧洞周邊與最大和第二主應力所在平面相切部分是需重點關注的位置，最有可能破壞失穩(wěn)，應通過調整洞線方位使隧洞周邊盡可能小的區(qū)域與該平面相切。當洞線與最大主應力的平面投影夾角在15°～30°之間，巖體往往最為穩(wěn)定，同時要注意避免和主要結構面平行。在如結晶片巖和板層砂巖等層狀巖體中，如果主應力的方向接近層狀結構面方向，要保持較大的洞線與結構面走向的交角不得低于35°。

對比洞線布置在高地應力區(qū)的兩國技術建議，中方強調洞線應與最大水平地應力保持盡可能小的交角，挪威經(jīng)驗則是基于最大主應力的平面投影，建議洞線與最大主應力平面投影夾角在15°～30°之間，挪威經(jīng)驗還給出了隧洞可能破壞位置與主應力平面間的關系，同時說明了主應力和層狀結構面方向接近情況下的注意點。

4 結 語

隧洞設計中洞線布置尤為關鍵，一條合適的洞線需要綜合各種因素分析比較后才能確定。鑒于隧洞賦存地質條件對洞線布置的重要影響，本文對國內和挪威在巖體結構面和高地應力兩個因素在洞線布置考量上的經(jīng)驗進行了對比。雙方都認為洞線需與圍巖結構面保持盡量大交角，但在具體交角大小規(guī)定上略有差異，挪威經(jīng)驗中洞線在多組結構面存在情況下如何確定的說明具有較好的現(xiàn)場指導意義。雙方對于高地應力條件下技術建議的描述有所不同，國內規(guī)范基于最大水平地應力給出指導意見，挪威經(jīng)驗根據(jù)最大主應力的水平投影給出建議。此外，挪威經(jīng)驗還說明了可能巖體破壞位置與主應力所在面的聯(lián)系，以及主應力和層狀結構面方向接近情況下的注意點。對比說明，中國與其它地下工程經(jīng)驗豐富的國家在技術經(jīng)驗總結上不盡相同，可通過學習交流汲取她國先進技術經(jīng)驗，不斷完善我們的技術規(guī)范，以利更好地指導工程設計。

[1] 國家發(fā)展和改革委員會.DL/T 5195-2004. 水工隧洞設計規(guī)范[S].2004.

[2] 水利部.SL 279-2002.水工隧洞設計規(guī)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.