一种高压隧洞分离式透水混凝土衬砌的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种高压隧洞分离式透水混凝土衬砌，属于水利水电工程中的高压隧洞领域。本发明由工业皂垫层和透水混凝土衬砌两部分组成，工业皂垫层在隧洞衬砌混凝土浇筑前喷涂于围岩开挖面，透水混凝土衬砌由透水混凝土浇筑而成。本发明通过主动将混凝土衬砌和围岩分离、采用透水混凝土替代常规混凝土作为隧洞衬砌，使得衬砌几乎不承担荷载，主要起减小糙率和保护围岩的作用。本发明适用于工程地质条件较好时的高压隧洞，其优点在于能更充分发挥围岩承载力，不须配置钢筋、衬砌厚度可按满足施工要求的最小厚度确定、取消了隧洞顶部的回填灌浆，从而能降低工程造价、提高施工效率，具有非常广阔的应用前景。
【专利说明】
一种高压隧洞分离式透水混凝土衬砌
技术领域
[0001] 本发明涉及水利水电工程中的高压隧洞领域，特别涉及一种高压隧洞分离式透水 混凝土衬砌。
【背景技术】
[0002] 高压隧洞的衬砌型式主要有不衬砌与锚喷、混凝土衬砌、钢板衬砌等。其中不衬砌 与锚喷隧洞依靠围岩自身承载，优点是节省投资、施工方便，缺点是围岩开挖面往往凹凸不 平，导致隧洞糙率较大，增大了隧洞的水头损失，在重要工程中较少采用。钢板衬砌隧洞依 靠钢板和围岩联合承载，优点是结构可靠，缺点是花费昂贵，施工较复杂。混凝土衬砌隧洞 介于不衬砌与锚喷隧洞和钢板衬砌隧洞之间，在水利水电工程中得到了广泛的应用。
[0003] 目前对于采用混凝土衬砌的高压隧洞而言，体力理论已被广泛采用。体力理论认 为，衬砌混凝土在高内水压力的作用下难免开裂，开裂后混凝土成为透水体，隧洞发生内水 外渗，内水压力以体积力的形式作用于混凝土衬砌和围岩中，围岩承担绝大部分内压荷载， 混凝土衬砌的主要功能在于减小糙率和保护围岩。
[0004] 采用混凝土衬砌的高压隧洞能充分发挥围岩承载力，比钢板衬砌隧洞更具技术经 济性。然而，传统的混凝土衬砌由于与围岩接触，两者联合承载，在一定程度的内水压力作 用下，不可避免产生拉应力甚至开裂，需配置钢筋以满足承载能力极限状态和正常使用极 限状态要求。此外，为保证围岩和混凝土的接触，隧洞顶拱需进行回填灌浆。布置钢筋和进 行回填灌浆一方面增加了工程造价，另一方面也增加了施工复杂性，降低了施工效率。
[0005] 根据体力理论，隧洞充水后发生内水外渗，假定渗水压力按对数衰减，根据水力连 续方程可得衬砌外表面的渗水压力为：
[0006]
[0007] 式中，η为衬砌内表面半径;r2为衬砌外表面半径;R为内水外渗渗径;PiS作用于 衬砌内表面的水压力;P 2为内水外渗后衬砌外表面水压力;kc为衬砌混凝土渗透系数，kr为 围岩渗透系数。
[0008] 由式（1)可知，衬砌混凝土渗透系数越大，衬砌外表面水压力越接近内表面水压 力。当kr> >kc时，P2 ? Pi，衬砌内外表面水头基本相等。传统的衬砌采用常规混凝土浇筑而 成，混凝土开裂后成为透水衬砌。若采用透水混凝土替代常规混凝土作为隧洞衬砌，主动使 衬砌渗透系数远大于围岩渗透系数，能使衬砌内外表面水头基本相等，衬砌几乎不承担荷 载。
[0009] 综上所述，采用工程措施主动将混凝土衬砌和围岩分离，并采用透水混凝土替代 常规混凝土作为隧洞衬砌，能使衬砌几乎不承担荷载，全部荷载由围岩承担。当工程地质条 件较好时，可以充分发挥围岩承载力，在满足混凝土衬砌功能要求的前提下，达到降低工程 造价、提高施工效率的目的。研制发明一种高压隧洞分离式透水混凝土衬砌，具有非常广阔 的应用前景。
【发明内容】
[0010]本发明的目的是，研制一种比传统的钢筋混凝土衬砌工程造价低、施工效率高的 新型高压隧洞衬砌。该新型衬砌适用于工程地质条件较好时的高压隧洞，能更充分发挥围 岩承载力。为了实现上述目的，本发明通过主动将混凝土衬砌和围岩分离、采用透水混凝土 替代常规混凝土作为隧洞衬砌，使得衬砌几乎不承担荷载，主要起减小糙率和保护围岩的 作用。所采用的技术方案是:一种高压隧洞分离式透水混凝土衬砌，由工业皂垫层和透水混 凝土衬砌两部分组成。
[0011] 进一步，所述工业皂垫层在隧洞衬砌混凝土浇筑前喷涂于围岩开挖面。工业皂在 混凝土拌合水、地下水或隧洞充水后外渗水的作用下缓慢溶解，使混凝土衬砌与围岩之间 存在空隙，两者被主动分离开来。
[0012] 进一步，所述透水混凝土衬砌由透水混凝土浇筑而成，其渗透系数远大于围岩渗 透系数。隧洞充水后，透水混凝土衬砌中发生内水外渗，内外表面基本没有水头差，透水混 凝土衬砌几乎不承担荷载，主要起减小糙率和保护围岩的作用。
[0013] 进一步，隧洞设计过程中，采用下式校核透水混凝土渗透系数是否满足要求：
[0014]
(2)
[0015] 式中，Δ p为透水混凝土衬砌内外表面水头差计算值；P为透水混凝土衬砌内外表 面水头差允许值，由结构设计确定;η为透水混凝土衬砌内表面半径;r 2为透水混凝土衬砌 外表面半径;R为内水外渗渗径;PiS作用于透水混凝土衬砌内表面的水压力;P2为内水外渗 后透水混凝土衬砌外表面水压力;k。为透水混凝土渗透系数，k r为围岩渗透系数。
[0016] 本发明具有以下优点：
[0017] (1)由于透水混凝土衬砌几乎不承担荷载，因此不须配置钢筋，且透水混凝土衬砌 厚度可按满足施工要求的最小厚度确定，显著降低了工程造价。
[0018] (2)透水混凝土衬砌与围岩被主动分离开来，取消了隧洞顶部的回填灌浆，进一步 降低了工程造价。
[0019] (3)透水混凝土衬砌施工仅包括喷涂工业皂和透水混凝土浇筑两部分内容，回避 了钢筋绑扎、回填灌浆等工序，因而施工更方便，施工效率更高。
【附图说明】
[0020] 图1为喷涂工业皂后隧洞断面图；
[0021 ]图2为混凝土浇筑完成后隧洞断面图；
[0022]图3为工业皂溶解后隧洞断面图；
[0023]图4为隧洞计算模型。
[0024]图中标记：1为围岩，2为开挖面，3为工业皂垫层，4为透水混凝土衬砌，5为空隙 为透水混凝土衬砌内表面半径，r2为透水混凝土衬砌外表面半径，R为内水外渗渗径，Pi为作 用于透水混凝土衬砌内表面的水压力，P 2为内水外渗后透水混凝土衬砌外表面水压力。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步说明。本发明的具体实施包括下 列步骤：
[0026] (1)参照图4,根据式(2)，估算对透水混凝土衬砌4的渗透系数的要求。如某工程高 压隧洞，衬砌内表面半径为4.6m，衬砌外表面半径为4.9m，设计内水压力为350m水头，内水 外渗渗径为150m，围岩为II类花岗岩，相应的渗透系数为2XKT 5cm/S。假设透水混凝土渗透 系数比围岩高两个数量级，为2Xl(T3cm/s，则按式（2)可得衬砌内外表面水头差仅为 0.065m，可认为基本不承担内水压力，故透水混凝土渗透系数大于2 X l(T3Cm/S即可满足要 求。对于透水混凝土而言，该要求很容易达到。
[0027]目前国内外高压隧洞最高水头为1000m左右，按式(2)计算，衬砌内外表面水头差 也仅为0.19m。可见对于高水头隧洞而言，当地质条件足够好，具体为当满足最小覆盖厚度 准则、最小地应力准则和渗透稳定准则时，本发明仍具适用性。
[0028] (2)开展透水混凝土配合比试验，优化并确定配合比。透水混凝土配合比目前已有 大量公开的成熟技术可供参考。本实施例采用的配合比如表1所示。
[0029] 表1采用的透水混凝土配合比
[0030]
[0031] 按表1的配合比，实测的渗透系数为8Xl(T2Cm/S，满足步骤（1)估算的对透水混凝 土的渗透系数的要求并有较大的裕度。
[0032] (3)工业皂垫层3喷涂
[0033]参照图1，隧洞开挖完成后，在开挖面2喷涂厚30mm的工业皂垫层3。具体的工艺流 程包括:工业皂运输、工业皂加热融化、分层喷射、厚度检查、必要的补喷处理、验收。
[0034] 工业皂运输至现场后，先进行加热融化，再采用喷射机喷涂至开挖面。喷射机采用 喷混凝土所用喷射机改装而成。喷涂作业时，保证连续向喷射机供料;保持喷射机工作风压 稳定;完成或因故中断喷涂作业时，用清水将喷射机和输料管内的积料清除干净。喷涂完成 后，打孔进行工业皂垫层3的厚度检查，并进行验收。
[0035] (4)透水混凝土衬砌4施工
[0036] 参照图2，喷涂工业皂垫层3完成后，进行透水混凝土衬砌4施工，具体的工艺流程 包括:施工准备、基础验收、模板及埋件安装、仓面验收、混凝土拌和与运输、混凝土浇筑、拆 模、抹面、养护、质量检查与验收。
[0037] 施工准备、基础验收在工业皂垫层3喷涂之前完成。工业皂垫层3喷涂完成后，立即 进行模板及埋件安装。可能的埋件包括接地扁钢、灌浆预埋黑铁管等，不设止水铜片。拌制 透水混凝土时，严格按照透水混凝土配料单和投料程序进行配料。栗送入仓时，根据天气情 况和入仓坍落度要求控制出机口坍落度。混凝土均采用软轴振捣器对称振捣，振捣棒插入 位置呈梅花型布置，并插入下层5cm左右，严禁触动钢筋及模板，每一位置的振捣时间，以混 凝土不再显著下沉、不出现气泡，并开始泛浆为准。混凝土浇筑结束后及时养护。在混凝土 强度达到50%后拆模，拆模时必须保证成型混凝土表面和棱角不因拆除模板而受损坏，拆 模后进行必要的抹面。透水混凝土养护完成后，进行质量检查与验收。
[0038] (5)隧洞充水运行
[0039] 参照图3,隧洞具备充水运行条件后，进行隧洞充水运行。在工业皂垫层3喷涂后至 隧洞充水时，工业皂在混凝土拌合水、地下水或隧洞充水后外渗水的作用下缓慢溶解，使透 水混凝土衬砌4与围岩1之间存在空隙，两者被主动分离开来。
[0040] 隧洞发生内水外渗后，隧洞内水压力直接作用于围岩1上，透水混凝土衬砌4泡在 水中，几乎不承担荷载，起到减小糙率和保护围岩的功能。
【主权项】
1. 一种高压隧洞分离式透水混凝土衬砌，其特征在于由工业皂垫层和透水混凝土衬砌 两部分组成。2. 根据权利要求1所述的一种高压隧洞分离式透水混凝土衬砌，其特征在于采用工业 皂垫层布置在围岩和透水混凝土衬砌之间，主动将两者分离开来。3. 根据权利要求1所述的一种高压隧洞分离式透水混凝土衬砌，其特征在于所述的透 水混凝土衬砌由透水混凝土浇筑而成，使得透水混凝土衬砌几乎不承担荷载，主要起减小 糙率和保护围岩的作用。4. 根据权利要求3所述的透水混凝土衬砌，其特征在于，隧洞设计过程中采用下式校核 透水混凝土渗透系数是否满足要求：式中，Δ P为透水混凝土衬砌内外表面水头差计算值；p为透水混凝土衬砌内外表面水 头差允许值，由结构设计确定;ri为透水混凝土衬砌内表面半径;Γ2为透水混凝土衬砌外表 面半径;R为内水外渗渗径;Pi为作用于透水混凝土衬砌内表面的水压力;P 2为内水外渗后透 水混凝土衬砌外表面水压力;k。为透水混凝土渗透系数，kr为围岩渗透系数。
【文档编号】E21D11/10GK105863675SQ201610193176
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月23日
【发明人】张巍, 周翠英
【申请人】中山大学