破碎岩层水工隧洞的设计策略及基础处理方法

破碎岩层水工隧洞的设计策略及基础处理方法

陈海涛

中国水利水电第五工程局有限公司  四川成都  610000

摘要：破碎岩层水工隧洞的设计和施工面临着许多技术挑战，尤其是在确保结构的稳定性和安全性方面。通过考虑地质条件优化布局、选择合适的施工方法，如钻爆法、机械掘进法或土压平衡法，并实施有效的隧洞支护设计，可以显著提高隧洞的安全性和稳定性。此外，基础处理方法，包括岩体加固、深层冻结、水帘幕构建和地下水泵降水技术，都为隧洞工程提供了强大的技术支撑。这些策略和方法为水工隧洞工程提供了全面的解决方案，确保了隧洞的长期稳定和安全。

关键词：破碎岩层；水工隧洞；设计策略

引言：隧洞工程在破碎岩层中始终是一个具有挑战性的领域，涉及多个技术问题和难题。破碎的岩层条件增加了隧洞工程的复杂性，特别是在水工隧洞中，因为这些隧洞通常位于水下或近水源。为了有效地设计和施工这些隧洞，必须采取一系列技术策略和方法。本文将探讨这些策略和方法，提供一个全面的框架，以应对破碎岩层中的水工隧洞工程的挑战。

一、破碎岩层水工隧洞的设计策略

（一）隧洞定位与布局

破碎岩层水工隧洞的设计策略中，隧洞定位与布局是一个至关重要的环节。此环节直接影响隧洞工程的总体费用、施工难度和最终的工程安全。考虑地质情况进行优化布局是减少隧洞工程风险的重要手段。地质情况，尤其是破碎岩层的性质，决定了隧洞的施工难度。在设计隧洞时，需要对地质调查资料进行详细分析，明确岩层的稳定性、含水情况和破碎程度。针对不同地质条件，选择最佳的隧洞位置和走向，避免经过破碎或不稳定的岩层，从而降低隧洞崩塌、渗水或其他施工风险。减少隧洞长度及曲线段也是优化布局的一个重要策略。短的隧洞意味着更少的施工工程量，更低的成本和更快的施工周期。此外，短隧洞还降低了风险，因为每增加一段隧洞长度，都可能带来新的不稳定岩层或其他不利因素。同时，直线段的隧洞相对于曲线段更为稳定，因为曲线段会增加应力集中和岩体变形的风险。因此，在布局隧洞时，应尽量避免不必要的曲线段，并力求使隧洞尽可能短。

（二）施工方法选择

在破碎岩层水工隧洞的设计策略中，施工方法的选择是决定工程成败的关键因素之一。不同的施工方法适用于不同的地质条件和工程需求。以下是针对破碎岩层的三种常用施工方法的详细讲述。钻爆法是一种传统的隧洞开挖方法，特别适用于硬岩地质条件。此方法是通过在岩石中钻孔，然后填充炸药进行爆破，达到开挖隧洞的目的。对于破碎岩层，钻爆法的优点是能够快速开挖，且在硬岩区域有很高的效率。但是，需要注意的是，钻爆法可能会导致更多的岩层破碎，特别是在已经存在的破碎岩层中，这可能会增加后续的支护难度。机械掘进法使用专门的隧道掘进机械来开挖隧洞，这种方法适用于各种岩石类型，包括破碎岩层。与钻爆法相比，机械掘进法对岩层的破坏较小，从而降低了隧洞的后续处理和支护需求[1]。机械掘进法的缺点是设备成本较高，且对操作技能有一定的要求。土压平衡法是一种特殊的掘进方法，主要用于软土、混合地层或含水岩层。此方法通过维持掘进面的土压力平衡来避免隧洞坍塌或渗水，从而确保隧洞的安全开挖。土压平衡法对操作技术和设备要求较高，但它可以有效地处理破碎岩层中的不稳定区域。

（三）隧洞支护设计

隧洞支护设计是隧洞工程中的关键环节，它确保了隧洞在开挖过程中和使用期间的稳定性。根据隧洞的使用期限和岩层条件，支护设计可以分为初期支护设计和永久支护设计。初期支护设计主要针对隧洞开挖过程中可能出现的岩层不稳定或其他风险因素。随着隧洞的开挖，岩层的应力状态会发生变化，特别是在破碎岩层中，这可能会导致岩层的位移或破坏。为了预防这些风险，初期支护采用了各种临时措施，如钢拱架、喷射混凝土、网格或锚杆，来稳定岩层并支撑隧洞。初期支护的主要目的是为隧洞提供一个安全的工作环境，直到永久支护完成。永久支护设计则更加关注隧洞的长期稳定性和使用寿命。在隧洞完工后，初期支护可能已经无法满足长期的稳定性要求，特别是在受到地下水或其他外部因素影响的地区。因此，永久支护通常采用更加坚固和持久的材料，如钢筋混凝土或预制混凝土衬砌板。这些材料不仅提供了隧洞的结构支撑，还对隧洞内部提供了防水和耐腐蚀的保护。在设计永久支护时，必须考虑到各种潜在的风险，如地震、地下水变化或交通荷载，并确保隧洞在其整个使用寿命内都能稳定地工作。

二、基础处理方法

（一）岩体加固

在隧洞工程中，特别是破碎岩层水工隧洞，岩体加固是为了提高岩体的稳定性和防止不稳定因素对隧洞的影响。以下是针对破碎岩层的三种常用岩体加固方法的详细讲述。灌浆法是一种传统的岩体加固方法，通过在岩层中注入水泥浆或化学浆液来提高岩体的稳定性和降低渗水。在破碎岩层中，灌浆法可以有效地填充岩层中的裂缝和空隙，从而增强岩体的整体性。此外，灌浆也可以有效地防止地下水渗入隧洞，从而降低隧洞的水害风险。锚杆/锚索加固则采用锚杆或锚索与岩体结合，形成一个预应力的加固体系。这种方法通过在岩层中钻孔并安装锚杆或锚索，然后对其进行张紧，从而产生一个与岩体反作用的力，增加岩体的稳定性。在破碎岩层中，锚杆/锚索加固可以有效地防止岩层的进一步破碎和移动，特别是在隧洞开挖过程中。混凝土衬砌是一种通过施加混凝土层来稳定岩体的方法。这种方法可以提供一个坚固的支撑结构，防止岩层的进一步破碎或移动。混凝土衬砌通常与初期或永久支护结合使用，以提供隧洞的结构支撑和防水保护。在破碎岩层中，混凝土衬砌不仅可以提供隧洞的结构稳定性，还可以有效地隔离外部的地下水或其他不利因素

[2]。

（二）深层冻结法

深层冻结法是一种特殊的隧洞工程技术，用于处理复杂地质环境，尤其在破碎岩层和含水层中。此方法的核心原理基于利用冷冻技术在岩体或土体中形成冰墙，从而强化其稳定性并减少渗水现象。当岩层或土层中的水分被冻结，会形成一个坚固的冰屏障。这个屏障不仅能有效地阻止水的流动，还为隧洞提供了一个稳定的工作环境。对于那些含有大量地下水、流速快的水域或破碎的岩层，深层冻结法尤为适用，因为在这些场景中，使用传统的加固方法可能会面临更多的挑战。对于深层冻结法的设计和施工，存在几个关键的注意点。为确保有效地形成冰墙，保持冷冻系统温度的稳定性至关重要。同时，整个冷冻过程中，温度的持续监测和调整也十分必要，这有助于预防冰墙的融化或破裂。从设备的角度看，选择高效且经过验证的冷冻设备也很关键，确保其在整个项目期间能够持续稳定运行。另外，在开始隧洞开挖之前，应给予足够的时间以确保冰墙完全形成并达到预定的厚度。完成隧洞开挖后，随着冰墙的逐渐融化，必须保持隧洞的稳定性，并在需要时采取其他加固措施。

（三）水帘幕或封水帷幕构建

水帘幕或封水帷幕在隧洞工程中扮演了关键角色，尤其是在需要控制和隔离地下水流的场合，例如在破碎岩层或渗水敏感区域。核心的原理在于使用特定材料构建一道屏障，隔绝或限制地下水的流动。这些材料包括特殊的化学制品，如聚合物、水泥浆或其他封堵剂。当这些材料被注入岩层的裂缝或空隙中，它们形成一个连续、防水的屏障，从而提高了岩体的整体稳定性。施工技术涉及多个关键步骤。首先，进行地质勘探，明确渗水的主要路径和影响区域。然后，在这些特定区域钻孔，注入所选的封堵剂。这一过程中，注浆的压力、深度和速度需要精确控制，以确保形成完整的水帘幕，同时也要避免对周围岩层造成不必要的伤害。评估水帘幕或封水帷幕的效果同样重要。常见的方法是进行渗水测试，这涉及测量隧洞内的水位变化或利用专门的仪器来检测渗水率。此外，可以利用地质雷达或其他高级探测设备来检查水帘幕的完整性和连续性，确保没有未封堵的裂缝或空隙存在。随着时间的推移，对水帘幕进行长期监测也十分必要，以便早期发现并处理可能出现的问题，从而确保隧洞在其使用期间始终保持干燥和稳定。

（四）地下水泵降水技术

地下水泵降水技术在隧洞工程中占据了重要的位置，特别是在遇到大量地下水或渗水问题时。这种技术旨在通过抽取地下水，降低水位，从而为隧洞施工创造一个较为干燥、安全的工作环境。设计原则与设备选择是成功实施地下水泵降水技术的关键。首先，进行地质勘查和水文分析，明确地下水的来源、流向和流量。基于这些信息，可以确定降水的需求和目标水位。此外，选择合适的设备也至关重要。水泵的选型应基于预期的抽水量、泵送距离以及地下水的性质，例如含有的杂质和腐蚀性。为了确保持续的降水效果，通常推荐选择具有冗余能力的水泵，并配备备用泵，以应对突发情况或设备故障。操作与管理环节中，实时监测是必不可少的。安装水位计和流量计，以实时跟踪地下水位和抽水效果。根据监测数据，可以调整水泵的运行状态，如启停、调整泵速等，以适应地下水的变化。此外，定期维护和检查水泵也很重要，以确保其长时间、稳定的运行。对于那些工作在特殊环境下的水泵，如高盐分或高杂质的地下水中，可能需要特殊的材料或设计来抵御腐蚀和磨损[3]。长期运行中，水泵降水可能会对周围的土地和水文条件产生影响。例如，过度抽水可能导致土地沉降或影响附近的水源。因此，进行定期的环境评估和监测也是操作和管理的一部分。这不仅确保了隧洞工程的安全，还考虑到了对周围环境的影响，以实现可持续的工程实践。

结论：隧洞工程在破碎岩层中已经取得了显著的进展，但仍然存在许多待解决的技术和工程挑战。通过综合利用多种设计策略和基础处理方法，可以显著提高隧洞的稳定性和安全性。然而，随着工程规模的增大和地质条件的复杂化，未来的研究应更加关注创新技术和方法，如智能监测系统、自适应设计策略和更高效的基础处理技术。此外，跨学科的合作，例如结合地质学、工程技术和环境科学，将为隧洞工程带来更多的机会和可能性，实现更加安全、经济和环保的隧洞施工。

参考文献：

[1]戚绍礼,韩坤.引水隧洞渗水处理方法及装置的研究与应用[J].四川水力发电,2022(4):41.

[2]高仝.水工隧洞设计方法研究[J].黑龙江水利科技,2017.

[3]刘连平.破碎岩层中切眼的支护设计[J].内蒙古煤炭经济,2018(17):2.