陈 锐，李娇娜，孙海清，李 坤

（长江勘测规划设计研究有限责任公司，430010，武汉）

高地应力条件下德罗电站软岩引水隧洞洞型与支护设计

陈 锐，李娇娜，孙海清，李 坤

（长江勘测规划设计研究有限责任公司，430010，武汉）

德罗电站引水隧洞具有距离长、埋深大、洞室围岩为软岩和地应力水平高的特征，确定隧洞断面形式及支护方式，是隧洞工程设计的重点及难点。针对过流能力、结构受力、施工条件、工程投资和工期控制等，对不同断面形式隧洞进行比较分析，推荐采用平底马蹄形断面。根据隧洞沿程围岩类型，确定隧洞各洞段支护方式。三维数值计算表明，德罗电站引水隧洞平底马蹄形断面选择和支护设计方式是合适的，可为同类隧洞工程设计提供参考。

拉洛；德罗电站；引水隧洞；高地应力；软岩；洞型

一、德罗电站引水隧洞工程及地质概况

1.工程概况

西藏拉洛水利枢纽及配套灌区工程由枢纽和四大灌区工程两部分组成，枢纽工程包括大坝、泄洪建筑物、鱼道、德罗引水隧洞、德罗电站和拉洛电站。

德罗引水隧洞连接枢纽及灌区，库水通过隧洞经德罗电站发电后进入灌区。隧洞进口在距离坝址约6 km的加木扎处，隧洞沿线地面高程4 630～4 815 m，隧洞埋深100～213 m。平面上隧洞采用两段弧线连接3段直线段布置。隧洞直线进口4 724 m后接转角35.9°弧线段，转向后接长2 376 m直线段，末端再转角73.5°后接长54.5 m直线段至隧洞出口，线路总长7 536.16 m。

隧洞采用无压引水，设计引用流量19.4m3/s，最大引用流量23.3m3/s，进口高程4283.50m，出口高程4 280.00 m，坡比0.466‰，由进口消力池段、洞身标准段和出口加高段三部分组成。

2.工程地质条件

工程区褶皱构造主要为吉定—直岗复式向斜，在洞身及出口段等部位页岩与砂岩薄层相间岩层褶皱剧烈，在数十米范围见多个褶皱分布。隧洞所经过的主要地层为侏罗系中—上统遮拉组 （J2-3Z）：主要为深灰色、灰色砂岩与页岩互层，局部夹玄武岩及安山岩，含硅质结核和泥质、炭质结核等。地层地下水总体不丰，侏罗系弱风化页岩中等透水，微新页岩弱透水。

德罗隧洞区域构造呈总体东西向分布，初步分析区域构造应力方向与之垂直，区域主应力方向为近南北向。最大水平主应力方向侧压系数σH/σz范围为1.1～1.9。德罗电站地基岩体物理力学参数建议值详见表1。

表1 德罗隧洞围岩岩石物理力学性质参数建议值

二、德罗隧洞设计主要技术难点

根据工程地质条件和选定的洞线布置方案，洞身围岩 IV1类洞段长2 292 m，占30.41%；IV2类洞段长3 655 m，占48.50%；V类围岩洞段长1 589.16 m，占21.09%。同时德罗隧洞洞段的最大埋深为213 m，计算最大水平地应力为9.1 MPa，最大水平主应力方向与洞轴线夹角约56°。根据洞身走向、埋深及地质条件，德罗隧洞设计主要面临以下难点：

①洞身围岩均属软岩，总体倾向NE，均为陡倾，与洞室右边墙开挖卸荷后易出现层理面的顺层松弛；

②最大水平向主应力与部分隧洞走向呈大角度相交，最大水平应力处交角为56°，强度应力比小于1，开挖后变形持续时间较长，且变形量值相对较大，流变特征十分明显；

③围岩岩体存在失水软化，长时间泡水后散体的物理现象，软化系数小，吸水后抗压强度降低十分明显；

④围岩类别低，必须保证施工安全，施工完成后需保证洞室长期稳定运行；

⑤隧洞施工为整个枢纽工程施工的控制工期，确保隧洞顺利施工也是设计中需要考虑的重要问题。

德罗引水隧洞设计需面临高地应力条件下软岩成洞及长期稳定的问题，需要从隧洞基本断面形式、支护方式、开挖方式以及交通等多方面进行综合考虑。

三、德罗引水隧洞洞型选择

1.断面形式初拟

常见的深埋软岩隧洞断面形式一般有圆形、城门洞形（圆拱直墙形）和马蹄形，根据灌溉流量要求拟定德罗引水隧洞各类型洞室断面的尺寸。

在满足设计过流能力的前提下，3种断面形式中圆形断面最小，过流条件最好，洞室围岩稳定与衬砌结构受力条件均最优。但从施工条件角度，德罗引水隧洞需采用全断面钻爆法施工，圆形断面底部不平整，弧形底面对施工运输有影响，采用钻爆法施工时交通不便，出渣困难，将大大增加施工工期，若采用先平底后再进行二次开挖，将同样引起工期延长，并导致造价增加；城门洞形和马蹄形断面底部相对平整，适于开挖后机械化交通与出渣，方便支护及衬砌施工，而为解决高外水压力带来的影响，德罗隧洞采用无压引水，结合德罗引水隧洞实际情况，隧洞断面形式主要对城门洞形断面和马蹄形断面进行比选。

2.断面形式比选

城门洞形断面和马蹄形断面过流能力与施工便利条件基本相当，因此主要从洞室围岩稳定、衬砌结构受力和工程量等方面对两种断面形式进行比较。

在围岩稳定方面，采用平面有限元取不同埋深洞段，各计算断面的埋深分别为213 m、179 m和97 m。以隧洞区域的初始地应力实测数据为基础，并结合折线方案所选取的3个计算断面所在区域的洞轴线实际走向，可确定对于选定的3个计算断面，初始地应力场的水平向大主应力方向与洞轴线的夹角分别为56°、56°和22°，相应水平向大主应力侧压力系数分别为1.7、1.7和1.1。

经过城门洞形及马蹄形断面在各种埋深条件下围岩稳定计算，其计算模型详见图1，计算结果详见表2。由表2分析可知，虽然城门洞形和马蹄形断面均能满足隧洞稳定要求，但马蹄形断面因其体型优势，围岩承载条件较城门洞形好，围岩最大变形较城门洞形减小5%～7%，塑性区深度减小约1 m。在保证洞室长期稳定及水力学条件相同的情况下，城门洞形断面与马蹄形断面开挖面积相当，但需加大初期支护强度、衬砌厚度及配筋，工程投资增加约5%。

因此，从洞室围岩稳定、衬砌结构受力和工程量方面综合比较，德罗引水隧洞采用马蹄形断面相对更优，有利于保证隧洞长期稳定，且经济效益更好。

3.马蹄形断面形式优化

在选择马蹄形断面作为引水隧洞推荐断面基础上，为创造更为有利的工程施工条件，对标准圆底马蹄形断面和平底马蹄形断面进行了比较，以进一步优化隧洞断面形式，马蹄形断面形式详见图2。两断面形式围岩稳定特征指标详见表3。

图1 各断面计算模型

图2 马蹄形隧洞断面形式

表2 不同断面形式围岩稳定特征指标对比

根据洞室围岩及衬砌结构受力分析成果，当采用平底马蹄形洞形设计时，相比于圆底马蹄形，围岩变形稍有增加，增幅在0.1～0.4 mm；底板的塑性区深度增大0.1 m，达到3.3 m；底板部位的围岩拉应力区稍有增加，但分布范围较小；锚杆应力有所增大，增幅在3～7 MPa；衬砌应力变化较小，衬砌内力较小，可根据构造要求配筋。总体而言，引水隧洞采用平底马蹄形和圆底马蹄形断面时，围岩稳定性基本相当。

根据上述分析成果，在进行引水隧洞断面形式选择时，将圆底马蹄形断面优化为平底马蹄形断面，一方面虽然隧洞围岩稳定性略有降低，但总体影响不大，洞室结构安全仍然能够得到保证；另一方面可进一步改善隧洞的施工条件，便于洞室开挖成型以及衬砌结构浇筑，也有利于施工机械的布置和交通，对于距离较长的引水隧洞而言，可大大提高施工效率，保证施工工期。

综合以上各种因素，推荐平底马蹄形断面作为德罗引水隧洞洞身段标准断面。

四、隧洞支护设计

引水隧洞围岩类别以Ⅳ、Ⅴ类为主，隧洞标准段开挖断面为马蹄形，最大开挖宽度5.4 m，开挖高度5.0 m，根据实际地质与埋深情况，分段对洞室围岩进行设计。隧洞开挖初期主要采用柔性支护，适应围岩变形，Ⅳ1类洞段采用系统喷锚作为先期支护，Ⅳ2、Ⅴ类围岩段采用钢拱架和系统喷锚作为先期支护，施工开挖后应及时封闭，做好排水及底部防护；局部褶皱及断层破碎区，采用超前锚杆或小导管等进行预先支护，保证围岩稳定。出口由于岩石条件较差、开挖尺寸较大、顶部覆盖厚度小，成洞困难，采用管棚施工法。隧洞施工完成后，采用钢筋混凝土衬砌进行刚性支撑，以防止流变对洞室断面、围岩稳定带来的一系列问题。引水隧洞各洞段支护参数详见表4所示。

表3 圆底马蹄形和平底马蹄形断面围岩稳定特征指标对比

表4 德罗引水隧洞围岩衬砌与支护参数

施工中应每隔50 m进行洞室变形及围岩应力监测，根据监测数据分析，及时调整支护参数。

经洞室稳定数值计算分析，隧洞洞周塑性区深度为1.0～3.2 m，基本上处于锚固支护的长度范围以内；围岩变形为4.8～17.4 mm；洞周围岩应力量值和分布规律总体正常；锚杆应力15～142 MPa，洞室围岩稳定性能够得到保证。

五、结 论

德罗电站引水隧洞距离长、埋深大，洞室围岩基本为IV、V类软岩，地应力水平相对较高，隧洞的断面形式与支护方式选择对过流能力、结构受力、施工条件及工程投资和工期控制影响较大，也是隧洞工程设计成败的关键因素。

马蹄形断面过流能力和结构受力条件优于城门洞形断面，施工条件优于圆形断面，在保证洞室结构安全的前提下能确保施工便利，缩短施工工期。本文通过深入研究分析，将曲线马蹄形断面优化为平底马蹄形断面，对洞室围岩稳定性影响有限，但可大大提升施工布置的便利性和效率，有利于进一步降低施工难度，保证施工工期。根据隧洞沿程围岩条件，进行德罗隧洞平底马蹄形断面的支护设计，经三维数值分析计算，洞室围岩稳定性能够得到保证。在现场施工中，隧洞未出现局部失稳或整体洞段垮塌现象，未出现锚杆被拉断现象，因此得知德罗电站引水隧洞平底马蹄形断面的选择和支护设计方式是合适的。

[1]张志强，关树宝.软弱围岩隧道在高地应力条件下的变形规律研究[J].岩土工程学报，2000（6）.

[2]赵长海，周小兵，贺建国，等.极软岩隧洞的设计与施工[J].岩石力学与工程学报，2006，25（增1）.

责任编辑 张金慧

Design of tunnel type and support for soft-rock diversion tunnel of Deluo Hydropower Station under high geostress condition

Chen Rui,Li Jiaona,Sun Haiqing,Li Kun

Due to the special features of long distance,deep buried tunnel with soft rock as surroundings and high geostress in diversion tunnel of Deluo Hydropower Station,the difficult parts of design including defining of types of tunnel sections and support patterns are discussed.Through comparative analysis of different types of sections,a horseshoe cross section is suggested in line with discharge capacity,load-carrying capability,construction condition,costs and construction schedule of the project.Supporting patterns for different sections are specified according to types of surrounding rocks.Based on three dimensional numerical calculation,the design is feasible for Deluo Hydropower Station that can be learned by other projects wishing to pursue these approaches.

Laluo;Deluo Hydropower Station;diversion tunnel;high geostress;soft rock;tunnel type

TV61

B

1000-1123（2016）20-0044-04

2016-10-18

陈锐，高级工程师。