含预制宽缝结构的高压水工隧洞衬砌结构及施工方法

技术领域

本发明涉及水利工程技术领域，尤其涉及一种含预制宽缝结构的高压水工隧洞衬砌结构及施工方法。

背景技术

有压水工隧洞是一种重要的输水建筑物，多采用圆形断面衬砌结构，其结构受力特点为衬砌结构在内水压力的作用下径向往围岩侧挤压变形，环向产生拉力。根据衬砌设计原理与工作形态的不同，内水压力通过衬砌部分或全部传递至围岩。随着大型引调水工程及抽水蓄能电站的建设与发展，需要建设高压(H值)大洞径(D值)水工隧洞。目前的水工隧洞设计主要有以下几类：

不衬砌隧洞设计理论：若围岩强度及模量高、完整性好且最小地应力水平高于内水压力，可按不衬砌隧洞设计理论设计有压隧洞，即开挖后仅进行围岩喷锚支护，不进行衬砌。其缺点是：对围岩等级、地应力等地质条件要求高，大部分有压水工隧洞工程难以满足要求；超挖欠挖起伏及喷射混凝土粗糙表面使得洞周糙率较大，增加沿程水头损失，降低输水与发电效率；围岩长期浸没于水下，可能逐渐劣化而导致隧洞的长期稳定性问题。

限裂衬砌结构设计理论：现行的水工隧洞设计规范推荐方法，理论清晰，技术较为成熟，主要技术方案为：采用钢筋混凝土结构进行衬砌，内水压力作用于衬砌内表面，径向挤压衬砌并使衬砌结构环向产生拉应力。当内水压力较低时，衬砌内拉应力量值低于混凝土抗拉强度，衬砌结构完整，大部分内水压力荷载由衬砌混凝土与钢筋共同承载，传递至围岩较小；随着内水压力的增高，衬砌内拉应力量值不断增大，高于混凝土抗拉强度后，混凝土开裂形成裂缝，但在钢筋作用下可控制裂缝开度与间距。其缺点是：在高水头作用下，有压水工隧洞的混凝土衬砌会发生开裂透水现象，并在高外渗水流的作用下引起压力隧洞的衬砌与围岩发生分离，导致压力隧洞的运行工作机制及水力传导行为发生显著地变化，给隧洞安全性造成隐患。同时，高压内水外水可能导致山体内地下水位上升，威胁边坡安全，故限裂衬砌承载能力有限，不适用于高HD值隧洞。

透水衬砌结构设计理论：衬砌采用透水混凝土或预设排水孔等透水措施，洞内充水后可实现内外平压，以实现可承载高HD值内水压力。其缺点是：高压内水劈裂围岩造成内水外渗，进而可能造成山体稳定问题；过多内水外水造成水量平衡问题；内水外渗造成上段有压隧洞外水压力升高的同时，外水压力可能扩散至下段压力管道段围岩，而使得下段压力管道排水量增大及钢管钢衬外压失稳问题突出。

钢衬设计理论：先开挖洞径较过水断面大1.2m的隧洞，在隧洞能进行钢管连续焊接，形成内部封闭的钢板衬砌，在钢衬外侧与硐壁之间回填混凝土并灌浆。此技术方案主要用于高水头常规水电站或抽蓄电站近厂房部位压力管道。其缺点是：需开挖大于过流断面洞径的隧洞，围岩稳定性可能劣化，开挖及后期回填混凝土量大，钢衬虽承载内压能力强但易发生抗外压失稳，外压控制往往需要附加排水隧洞，造价高。

发明内容

针对现有有压水工隧洞混凝土衬砌结构存在的对高HD值条件适应性不足的问题，本发明所要解决的技术问题是提供一种可承载高HD值的含预制宽缝的高压水工隧洞衬砌结构及施工方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

含预制宽缝结构的高压水工隧洞衬砌结构，包括依次设置在隧洞内壁上的喷层和衬砌，以及多根穿过衬砌和喷层并伸入围岩的锚杆，所述衬砌上沿其周向间隔设置有多条预制宽缝，预制宽缝的长度方向与隧洞延伸方向一致，预制宽缝的深度与衬砌厚度相同，所述预制宽缝内填充有弹性止水结构。

进一步的是，所述喷层的厚度不小于10cm，混凝土标号不低于C30。

进一步的是，所述衬砌为钢筋混凝土衬砌，单幅段长度为9-12m，厚度不低于35cm，被预制宽缝分隔出的单块衬砌对应的圆心角不超过90°。

进一步的是，沿隧洞延伸方向设置有多排锚杆组，每一排锚杆组包括多根沿隧洞圆周呈放射状设置的锚杆，所述锚杆深入未松动岩体至少1m，洞壁外露端长度0.3～0.5m，锚杆布置于单块衬砌环向近跨中部位。

进一步的是，所述预制宽缝的数量为4-8条，宽缝的宽度为2-3cm，且沿衬砌圆周均匀间隔设置。

进一步的是，所述弹性止水结构为模量小于20MPa的弹性填缝剂，填缝剂与混凝土粘结强度不低于隧洞内最高内水压力。

含预制宽缝结构的高压水工隧洞衬砌结构的施工方法，包括以下步骤：

步骤一、根据项目要求确定隧洞过水断面尺寸，计算隧洞内最高内水压力；

步骤二、根据隧洞过水断面尺寸，初步设定衬砌的厚度、预制宽缝的数量和锚杆的布置间距；

步骤三、根据内水压力计算上述初设衬砌结构的径向变形量，得到每条预制宽缝的张开度；

步骤四、判断张开度是否处于合理范围内，如不符合，重新设定步骤二的衬砌结构，直到预制宽缝的张开度满足要求；

步骤五、满足步骤四的要求后，根据步骤二的衬砌结构进行施工，施工过程按照以下顺序进行：开挖隧洞、喷涂喷层、布设锚杆、浇注衬砌、设置预制宽缝、在预制宽缝内填充弹性止水结构。

进一步的是，以衬砌内侧过水断面半径为r

进一步的是，在计算预制宽缝的张开度时，可采用下列方法进行近似计算，并采数值模拟方法进行仿真分析：

内水压力P

F＝Ak

其中，k

衬砌直接传递至围岩的附加径向应力可按圆形洞室径向应力扩散公式计算，

Zi为计算深度，i＝1时对应喷层，取z

衬砌在内水压力作用下径向变形量为：

其中：当i为1,2,3,4时，Δz

则此时衬砌环向平均应变为：

由于衬砌为钢筋混凝土结构，其刚度远大于宽缝，则衬砌环向变形几乎全部由预制宽缝承载，转换为宽缝张开度；将衬砌应变沿单片衬砌环向积分，得到每条宽缝张开度：

考虑现有填缝材料在应变率小于0.2时一般处于弹性阶段，以此可得到宽缝张开度。

进一步的是，在设置预制宽缝时，先预制宽缝缝体模板，并将其置于分块衬砌的纵向模板端部，然后在模板内布置钢筋笼，浇注混凝土，待混凝土初凝后拆掉宽缝缝体模板，在缝体中注入填缝材料形成弹性止水结构。

进一步的是，在设置预制宽缝时，先将预制好的分块衬砌的钢筋笼通过伸出喷层的锚杆固定于洞壁处，相邻两块钢筋笼之间留出间隙，然后根据控制点位安装台车模板后一次性完成全环浇筑，待混凝土初凝后使用混凝土切割机在分块钢筋笼预留间隙处切穿衬砌，最后在缝体中注入填缝材料形成弹性止水结构。

本发明的有益效果是：该衬砌结构可在钢筋混凝土衬砌充水，衬砌内表面受到高内水压力作用时，锚杆结构将衬砌与围岩紧密联系起来，发挥类似群桩的效果，钢筋混凝土衬砌通过锚杆将部分内水压力传递至围岩，从而有效减小衬砌径向变形量，也就减小了衬砌环向变形量；同时有压隧洞在充排水工作状态发生径向及环向变形后导致预制宽缝增大时，预制宽缝结构不会失去止水效能，保证内水不会通过预设宽缝结构产生外渗，确保隧洞长期稳定运行。

附图说明

图1是本发明衬砌结构的断面视图；

图2是本发明通过宽缝缝体模板来设置预制宽缝的结构示意图；

图3是本发明通过切割衬砌来设置预制宽缝的结构示意图；

图中标记为，1-围岩，2-喷层，3-衬砌，4-锚杆，5-预制宽缝，6-钢筋笼，7-填缝材料，8-间隙。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

需要说明，若本发明中有涉及方向性指示用语，如上、下、左、右、前、后的方向、方位用语，是为了利于构件间相对位置联系的描述，非为相关构件、构件间位置关系的绝对位置特指，仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。若本发明中有涉及数量的用语，如“多”、“多个”、“若干”等，具体指的是两个及两个以上。

如图1所示，本发明的预制宽缝高压水工隧洞衬砌结构，包括依次设置在隧洞内壁上的喷层2和衬砌3，以及多根穿过衬砌3和喷层2并伸入围岩1的锚杆4，所述衬砌3上沿其周向间隔设置有多条预制宽缝5，预制宽缝5的长度方向与隧洞延伸方向一致，预制宽缝5的深度与衬砌3厚度相同，所述预制宽缝5内填充有弹性止水结构。相对于传统的隧洞结构，本发明一方面利用锚杆4将衬砌3与围岩1紧密联系起来，发挥类似群桩的效果，使钢筋混凝土的衬砌3通过锚杆4将部分内水压力传递至围岩1，从而有效减小衬砌3径向变形量，也就减小了衬砌3的环向变形量；同时通过精确的计算，当有压隧洞在充排水工作状态发生径向及环向变形后导致预制宽缝5增大时，预制宽缝5也不会失去止水效能，保证内水不会通过预置宽缝5产生外渗，确保隧洞长期稳定运行。

为了进一步提高整个衬砌结构的稳定性和结构强度，本发明提供了以下一些优选方案：

所述喷层2的厚度应不小于10cm，混凝土标号不低于C30。

所述衬砌3为钢筋混凝土衬砌，单幅段长度为9-12m，与台车长度一致，方便浇注施工，考虑结构强度，厚度应不低于35cm；为了使衬砌3在变形过程中不在中部出现裂纹，被预制宽缝5分隔出的单块衬砌3对应的圆心角不超过90°。

对于锚杆4的布置形式，优选方案是，沿隧洞延伸方向设置有多排锚杆组，每一排锚杆组包括多根沿隧洞圆周呈放射状设置的锚杆4，所述锚杆4深入未松动岩体至少1m，洞壁外露端长度0.3～0.5m，确保与喷层2和衬砌3与锚杆4充分连接，锚杆可布置于单块衬砌环向近跨中部位。

所述预制宽缝5的数量为4-8条，宽度为2-3cm，且沿衬砌3圆周均匀间隔设置。预制宽缝5的数量主要根据隧洞洞径选择，比如对于开挖洞径4m～5m的隧洞，宜环向分为四块衬砌3，即预制宽缝5的数量为4条；如开挖洞径6m～10m的隧洞，则环向分为六块衬砌3，制宽缝5的数量也为6条。宽缝的宽度为2-3cm，主要是根据一般的填缝材料的应变率来确定的，通常认为填缝材料在应变率小于0.2时处于弹性阶段，预制宽缝5过宽会导致填缝材料容易开裂，2-3cm比较合适。

在选择弹性止水结构的填充材料时，所述弹性止水结构优选模量小于20MPa的弹性填缝剂，填缝剂与混凝土粘结强度不低于隧洞内最高内水压力。

对上述含预制宽缝高压水工隧洞衬砌结构的施工方法，包括以下步骤：

步骤一、根据项目要求确定隧洞过水断面尺寸，计算隧洞内最高内水压力；

步骤二、根据隧洞过水断面尺寸，初步设定衬砌3的厚度、预制宽缝5的数量和锚杆4的布置间距；

步骤三、根据内水压力计算上述初设衬砌结构的径向变形量，得到每条预制宽缝5的张开度；

步骤四、判断张开度是否处于合理范围内，如不符合，重新设定步骤二的衬砌结构，直到预制宽缝5的张开度满足要求；

步骤五、满足步骤四的要求后，根据步骤二的衬砌结构进行施工，施工过程按照以下顺序进行：开挖隧洞、喷涂喷层、布设锚杆、浇注衬砌、设置预制宽缝、在预制宽缝内填充弹性止水结构。

在确定锚杆数量时可按以下方式进行：以衬砌内侧过水断面半径为r

在计算预制宽缝的张开度时，可采用下列方法进行近似计算，并采数值模拟方法进行仿真分析：

内水压力P

F＝Ak

其中，k

衬砌直接传递至围岩的附加径向应力可按圆形洞室径向应力扩散公式计算，

Zi为计算深度，i＝1时对应喷层，取z

衬砌在内水压力作用下径向变形量为：

其中：当i为1,2,3,4时，Δz

则此时衬砌环向平均应变为：

由于衬砌为钢筋混凝土结构，其刚度远大于宽缝，则衬砌环向变形几乎全部由预制宽缝承载，转换为宽缝张开度；将衬砌应变沿单片衬砌环向积分，得到每条宽缝张开度：

考虑现有填缝材料在应变率小于0.2时一般处于弹性阶段，以此可得到宽缝张开度。

在设置预制宽缝5时，本发明提供了两种方案：

方案一、如图2所示，先预制宽缝缝体模板，并将其置于分块衬砌的纵向模板端部，然后在模板内布置钢筋笼6，浇注混凝土，待混凝土初凝后拆掉宽缝缝体模板，在缝体中注入填缝材料7形成弹性止水结构。

方案二、如图3所示，先将预制好的分块衬砌的钢筋笼6通过伸出喷层2的锚杆4固定于洞壁处，相邻两块钢筋笼6之间留出间隙8，然后根据控制点位安装台车模板后一次性完成全环浇筑，待混凝土初凝后使用混凝土切割机在分块钢筋笼6预留间隙8处切穿衬砌3，最后在缝体中注入填缝材料7形成弹性止水结构。

两种方案都能在衬砌3上施工出预制宽缝5，同时不对衬砌结构中的钢筋笼6造成损坏，确保了整个衬砌结构的稳定性和结构强度。