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摘要：水工隧洞具有工作面狭窄、工种多、地质条件影响大、施工组织复杂等特点。隧洞的施工过程是开挖、衬砌和灌浆，当岩层比较完整时，可以在隧洞完全挖通后再衬砌，当岩层破碎时，应开挖一段衬砌一段，以保安全，本文主要分析水工隧洞结构布置及其施工方法。
关键词：水工隧洞，布置，施工
1引言
水工隧洞可以水电站有压引水隧洞和水利枢纽中的各种泄水隧洞为典型讨论其布置方式。概括说，它们也可视为都由进口段、洞身段、出口段所组成，进口前和出口后当然还需长短深浅不等的引水渠和尾水渠。引水隧洞的进口一般位于水库调节库容所相应的工作深度以下，进口水流经洞身流入水轮机做功后，由尾水管下泄。位于水轮机四周的可自动改变开度的活动导叶实际相当于隧洞的工作闸门，用以调节流量。
2总体布置
从隧洞的工作看，工作闸门设于出口段，故进口段只设拦污栅和事故检修闸门。引水隧洞内一般流速较低以减小水头损失，而洞壁内水压力则较大，成为最主要的荷载。当水轮机甩负荷、导叶骤闭时还要引起附加水锤压力，故当水头高、洞线长时，隧洞在通向水电站厂房前还要加建调压室(调压井或调压塔)以降低洞身水锤压力。泄水隧洞可为有压隧洞，也可为无压隧洞。无论前者或后者，洞内一般具有较高流速，出口段要设消能工。有压隧洞显然必为深孔进水口。无压隧洞则既可为表孔进口，也可为深孔进口，后者的洞身无压流态是靠进口后断面突扩实现的。泄水隧洞一般要设置两道闸门，即控制泄流的工作闸门和隧洞或工作闸门本身检修时挡水的检修闸门。洞身的工作狀态与工作闸门的位置密切相关。有压隧洞的工作闸门常设于出口，有便于观察、操作和检修之利；无压隧洞的工作闸门则设于进口，当其闭门挡水时洞身易成为无水状态。检修闸门则都设于进口，且在工作闸门上游。显然，工作闸门应能在动水中启闭。深孔泄水隧洞的检修闸门则应能动水中关闭，而且可在静水中开启，后者之所以可能是因为届时已检修好的工作闸门将能封堵水流，实现平压。
（1）表孔泄洪隧洞
当隧洞用作水利枢纽的主要泄洪建筑物时，一般应尽量做成以表孔堰流方式进水。较典型的表孔泄洪隧洞是正堰斜井溢洪道，它由正向溢流堰、陡坡斜井、隧洞及其出口消能设备等组成，闸门安装于堰顶，泄水时斜井及隧洞内常处于无压流态，从水力学观点来说，类似于河岸正槽溢洪道，不过泄水陡槽以封闭式代替开敞式而已。
（2）深孔泄水隧洞
用作深孔泄水的隧洞由位于水下的进水口、洞身及出口消能段等组成。这类隧洞虽然进口段是有压的，但洞身水流既可为有压流，也可通过工作闸门后断面扩大而为无压流。就进口位置而言还可有两种布置方式，一种是低位进水口，即进水口底部与洞身底部为同一平面；另一种是较高位的进水口，即所谓龙抬头式，进口段与洞身之间以竖曲线及斜井相连。
3水工隧洞施工方法
3.1钻孔作业
钻孔作业在掘进循环时间中占有很大的比重。钻机有风钻、钻孔台车和液压凿岩机。
（1）风钻钻孔
风钻是以高压空气为动力的冲击凿岩机械。风钻钻孔在隧洞断面不大或机械化程度不高的情况下应用最广泛，按作用条件和架立方法，可分为手持式、伸缩式、柱架式和气腿式风钻。
（2）钻孔台车钻孔
钻孔台车是一种具有钻孔、装药、支撑等多种用途的移动式工作平台，主要用于全断面开挖。台车尺寸与台车层数，应根据开挖断面的大小和不同要求(如钻孔、支护、立模、扎筋等要求)，专门设计制造。钻孔台车各层安装的钻机数量，一般按照在一次掘进循环工作中，每台钻机能钻7～10个炮孔来装备。台车的行驶装置有轮胎式、履带式和轨道式三种。
（3）液压凿岩机
液压凿岩机按工作特点有两臂、三臂和四臂机型，主要是进口机械，厂家有：瑞典的Atlas公司、英国的Boart公司、芬兰的Tamror公司、日本的古河公司和法国的赛可马公司等。
3.2装碴运输作业
装碴和出碴是隧洞开挖中一项很繁重的工作，约占循环时间的50%～60%，是控制掘进速度的关键工序，包括装碴和运输两项作业。
（1）装碴
①人工装碴
常在装碴地点设置钢板，使爆破石碴落在钢板上，以便用铁铲装车。如果先埋设松碴炸药包将堆碴翻松，将有利于装碴。为了提高装碴效率，当采用下导洞开挖方式时，常利用漏斗棚架装碴；当采用上导洞开挖方式时，常利用工作平台车装碴。
②机械装碴
机械装碴常用的设备有：斗容为0.2～0.44m3的装岩机，其生产率为20～48m3/h；斗容为1～3m3的装载机；还有适合地下工程特点的1m3短臂正向铲。
（2）运输
石碴运输多采用窄轨铁路及装碴斗车，一般用电气机车或电瓶机车牵引。当运距短、出碴量少时，也可采用人力推运或卷扬机牵引0.6m3的窄轨式斗车运输。洞内有轨运输宜铺设双线，并每隔300～400m设置道岔，以满足装卸及调车的需要。如采用单线时，应每隔100～200m设置错车道岔，其有效长度应满足停放一列斗车的要求。堆碴地点应设在洞口附近，其高程应比洞底低些，以便重车下坡，并可利用废碴铺设路基，逐渐向外延伸。当隧洞断面较大时，也可以采用自卸汽车运输石碴，但应加强洞内通风，以排除内燃机产生的有害气体。
3.3隧洞临时支撑
临时支撑的形式很多，根据所使用的材料不同，有以下几种：
（1）木支撑
木支撑具有质量轻、加工架立方便、损坏前有显著变形不会突然折断等优点。但承受的压力小，所占净空面积大，耗用木材多，费用高，因此逐渐被其他材料所代替。木支撑的结构形式有门框形、拱形和扇形等。其中门框形架立最方便，形式简单，适用于断面积等不大的导洞和临时性支洞的支撑。拱形支撑构件承压能力大，其断面小、用料省，支撑下面空间大，适用于较坚硬的岩石中，可作隧洞扩大后的支撑。
（2）钢支撑
钢支撑适用于破碎而不稳定的岩层，能承受很大的山体压力，耐久性好、所占空间小。钢支撑可以多次使用，也可以留在永久性衬砌中不再拆除。由于钢支撑使用钢材多，费用高，一般只有在不良地质地段施工时才采用。
（3）预制混凝土及钢筋混凝土支撑
适用于岩石软弱、山岩压力大、支撑必须留在衬砌层内、跨度不大的断面中。其特点是刚性大，耐久性好，可作为永久性支护的一部分留在衬砌中。但质量大，安装运输不便，需用机械施工。
3.3隧洞开挖的辅助作业
隧洞开挖的辅助作业有通风、防尘、防有害气体、供水、排水、供电、照明等。
（1）通风与防尘
通风和防尘的目的是为了排除因钻孔、爆破等原因而产生的有害气体和岩尘，保证供给工人必要的新鲜空气，并改善洞内温度、湿度和气流速度。
①通风方式
通风方式有自然通风和机械通气两种。自然通风只有在掘进长度不超过40m时，才允许单独采用，其他情况都必须有专门的机械设备通风。机械通风的布置方式有压人式、吸出式和混合式三种。压人式是将新鲜空气沿风气管送到工作面，保证及时供给新鲜空气，但洞内的污浊空气则由洞身流出洞外，将流经整个隧洞；吸出式是将污浊空气由风管排出，但新鲜空气流入缓慢；混合式是在经常性供风时用压入式，而爆破后排烟时改用吸出式，从而具有上述两种方式的优点。
②通风量
通风量可按以下要求分别计算，并取其中最大值，再考虑20%～50%的风管漏风损失。①按洞内同时工作的最多人数计算，每人所需通气量为3 m3/min。②按冲淡爆破后产生的有害气体的需要计算，使其达到允许的浓度(CO的允许浓度应控制在0.02%以下)。③按洞内最小风速不低于0.15m/s的要求计算和校核通风量。
③防尘、防有害气体
除按地下工程施工规定采用湿钻钻孔，还应在爆破后通风排烟、喷雾降尘、对碴堆洒水，并用压力水冲刷岩壁，以降低空气中的粉尘含量。
（2）排水与供水
隧洞施工，需要排出地下涌水和施工废水。当隧洞开挖是向上坡进行，且水量不大时，可沿洞底设置排水沟，使水顺沟排出。当隧洞开洞是向下坡进行或洞底是水平时，应将隧洞沿纵向分数段，每段设置排水沟和集水井，用水泵排出洞外。洞内钻孔、洒水和混凝土养护等施工用水，一般可在洞外较高处设置水池，或直接用水泵加压供水，使压力水沿洞内敷设的供水管道送到工作面。
参考文献
[1]周克己主编. 水利工程施工第2版[M]. 中央广播电视大学出版社，2006.07.
[2]范世平主编. 水利工程建设监理理论与实用技术[M]. 中国水利水电出版社，2008.2.
关键词：水工隧洞，布置，施工
1引言
水工隧洞可以水电站有压引水隧洞和水利枢纽中的各种泄水隧洞为典型讨论其布置方式。概括说，它们也可视为都由进口段、洞身段、出口段所组成，进口前和出口后当然还需长短深浅不等的引水渠和尾水渠。引水隧洞的进口一般位于水库调节库容所相应的工作深度以下，进口水流经洞身流入水轮机做功后，由尾水管下泄。位于水轮机四周的可自动改变开度的活动导叶实际相当于隧洞的工作闸门，用以调节流量。
2总体布置
从隧洞的工作看，工作闸门设于出口段，故进口段只设拦污栅和事故检修闸门。引水隧洞内一般流速较低以减小水头损失，而洞壁内水压力则较大，成为最主要的荷载。当水轮机甩负荷、导叶骤闭时还要引起附加水锤压力，故当水头高、洞线长时，隧洞在通向水电站厂房前还要加建调压室(调压井或调压塔)以降低洞身水锤压力。泄水隧洞可为有压隧洞，也可为无压隧洞。无论前者或后者，洞内一般具有较高流速，出口段要设消能工。有压隧洞显然必为深孔进水口。无压隧洞则既可为表孔进口，也可为深孔进口，后者的洞身无压流态是靠进口后断面突扩实现的。泄水隧洞一般要设置两道闸门，即控制泄流的工作闸门和隧洞或工作闸门本身检修时挡水的检修闸门。洞身的工作狀态与工作闸门的位置密切相关。有压隧洞的工作闸门常设于出口，有便于观察、操作和检修之利；无压隧洞的工作闸门则设于进口，当其闭门挡水时洞身易成为无水状态。检修闸门则都设于进口，且在工作闸门上游。显然，工作闸门应能在动水中启闭。深孔泄水隧洞的检修闸门则应能动水中关闭，而且可在静水中开启，后者之所以可能是因为届时已检修好的工作闸门将能封堵水流，实现平压。
（1）表孔泄洪隧洞
当隧洞用作水利枢纽的主要泄洪建筑物时，一般应尽量做成以表孔堰流方式进水。较典型的表孔泄洪隧洞是正堰斜井溢洪道，它由正向溢流堰、陡坡斜井、隧洞及其出口消能设备等组成，闸门安装于堰顶，泄水时斜井及隧洞内常处于无压流态，从水力学观点来说，类似于河岸正槽溢洪道，不过泄水陡槽以封闭式代替开敞式而已。
（2）深孔泄水隧洞
用作深孔泄水的隧洞由位于水下的进水口、洞身及出口消能段等组成。这类隧洞虽然进口段是有压的，但洞身水流既可为有压流，也可通过工作闸门后断面扩大而为无压流。就进口位置而言还可有两种布置方式，一种是低位进水口，即进水口底部与洞身底部为同一平面；另一种是较高位的进水口，即所谓龙抬头式，进口段与洞身之间以竖曲线及斜井相连。
3水工隧洞施工方法
3.1钻孔作业
钻孔作业在掘进循环时间中占有很大的比重。钻机有风钻、钻孔台车和液压凿岩机。
（1）风钻钻孔
风钻是以高压空气为动力的冲击凿岩机械。风钻钻孔在隧洞断面不大或机械化程度不高的情况下应用最广泛，按作用条件和架立方法，可分为手持式、伸缩式、柱架式和气腿式风钻。
（2）钻孔台车钻孔
钻孔台车是一种具有钻孔、装药、支撑等多种用途的移动式工作平台，主要用于全断面开挖。台车尺寸与台车层数，应根据开挖断面的大小和不同要求(如钻孔、支护、立模、扎筋等要求)，专门设计制造。钻孔台车各层安装的钻机数量，一般按照在一次掘进循环工作中，每台钻机能钻7～10个炮孔来装备。台车的行驶装置有轮胎式、履带式和轨道式三种。
（3）液压凿岩机
液压凿岩机按工作特点有两臂、三臂和四臂机型，主要是进口机械，厂家有：瑞典的Atlas公司、英国的Boart公司、芬兰的Tamror公司、日本的古河公司和法国的赛可马公司等。
3.2装碴运输作业
装碴和出碴是隧洞开挖中一项很繁重的工作，约占循环时间的50%～60%，是控制掘进速度的关键工序，包括装碴和运输两项作业。
（1）装碴
①人工装碴
常在装碴地点设置钢板，使爆破石碴落在钢板上，以便用铁铲装车。如果先埋设松碴炸药包将堆碴翻松，将有利于装碴。为了提高装碴效率，当采用下导洞开挖方式时，常利用漏斗棚架装碴；当采用上导洞开挖方式时，常利用工作平台车装碴。
②机械装碴
机械装碴常用的设备有：斗容为0.2～0.44m3的装岩机，其生产率为20～48m3/h；斗容为1～3m3的装载机；还有适合地下工程特点的1m3短臂正向铲。
（2）运输
石碴运输多采用窄轨铁路及装碴斗车，一般用电气机车或电瓶机车牵引。当运距短、出碴量少时，也可采用人力推运或卷扬机牵引0.6m3的窄轨式斗车运输。洞内有轨运输宜铺设双线，并每隔300～400m设置道岔，以满足装卸及调车的需要。如采用单线时，应每隔100～200m设置错车道岔，其有效长度应满足停放一列斗车的要求。堆碴地点应设在洞口附近，其高程应比洞底低些，以便重车下坡，并可利用废碴铺设路基，逐渐向外延伸。当隧洞断面较大时，也可以采用自卸汽车运输石碴，但应加强洞内通风，以排除内燃机产生的有害气体。
3.3隧洞临时支撑
临时支撑的形式很多，根据所使用的材料不同，有以下几种：
（1）木支撑
木支撑具有质量轻、加工架立方便、损坏前有显著变形不会突然折断等优点。但承受的压力小，所占净空面积大，耗用木材多，费用高，因此逐渐被其他材料所代替。木支撑的结构形式有门框形、拱形和扇形等。其中门框形架立最方便，形式简单，适用于断面积等不大的导洞和临时性支洞的支撑。拱形支撑构件承压能力大，其断面小、用料省，支撑下面空间大，适用于较坚硬的岩石中，可作隧洞扩大后的支撑。
（2）钢支撑
钢支撑适用于破碎而不稳定的岩层，能承受很大的山体压力，耐久性好、所占空间小。钢支撑可以多次使用，也可以留在永久性衬砌中不再拆除。由于钢支撑使用钢材多，费用高，一般只有在不良地质地段施工时才采用。
（3）预制混凝土及钢筋混凝土支撑
适用于岩石软弱、山岩压力大、支撑必须留在衬砌层内、跨度不大的断面中。其特点是刚性大，耐久性好，可作为永久性支护的一部分留在衬砌中。但质量大，安装运输不便，需用机械施工。
3.3隧洞开挖的辅助作业
隧洞开挖的辅助作业有通风、防尘、防有害气体、供水、排水、供电、照明等。
（1）通风与防尘
通风和防尘的目的是为了排除因钻孔、爆破等原因而产生的有害气体和岩尘，保证供给工人必要的新鲜空气，并改善洞内温度、湿度和气流速度。
①通风方式
通风方式有自然通风和机械通气两种。自然通风只有在掘进长度不超过40m时，才允许单独采用，其他情况都必须有专门的机械设备通风。机械通风的布置方式有压人式、吸出式和混合式三种。压人式是将新鲜空气沿风气管送到工作面，保证及时供给新鲜空气，但洞内的污浊空气则由洞身流出洞外，将流经整个隧洞；吸出式是将污浊空气由风管排出，但新鲜空气流入缓慢；混合式是在经常性供风时用压入式，而爆破后排烟时改用吸出式，从而具有上述两种方式的优点。
②通风量
通风量可按以下要求分别计算，并取其中最大值，再考虑20%～50%的风管漏风损失。①按洞内同时工作的最多人数计算，每人所需通气量为3 m3/min。②按冲淡爆破后产生的有害气体的需要计算，使其达到允许的浓度(CO的允许浓度应控制在0.02%以下)。③按洞内最小风速不低于0.15m/s的要求计算和校核通风量。
③防尘、防有害气体
除按地下工程施工规定采用湿钻钻孔，还应在爆破后通风排烟、喷雾降尘、对碴堆洒水，并用压力水冲刷岩壁，以降低空气中的粉尘含量。
（2）排水与供水
隧洞施工，需要排出地下涌水和施工废水。当隧洞开挖是向上坡进行，且水量不大时，可沿洞底设置排水沟，使水顺沟排出。当隧洞开洞是向下坡进行或洞底是水平时，应将隧洞沿纵向分数段，每段设置排水沟和集水井，用水泵排出洞外。洞内钻孔、洒水和混凝土养护等施工用水，一般可在洞外较高处设置水池，或直接用水泵加压供水，使压力水沿洞内敷设的供水管道送到工作面。
参考文献
[1]周克己主编. 水利工程施工第2版[M]. 中央广播电视大学出版社，2006.07.
[2]范世平主编. 水利工程建设监理理论与实用技术[M]. 中国水利水电出版社，2008.2.