郭彩紅

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

東山供水工程輸水隧洞設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述

郭彩紅

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

東山供水輸水隧洞是東山供水工程的關(guān)鍵和控制性分項(xiàng)工程。根據(jù)工程地形地質(zhì)、施工運(yùn)行、沿線建筑物及對(duì)周圍環(huán)境的影響，通過結(jié)構(gòu)計(jì)算確定隧洞的斷面型式、襯砌，并確定相應(yīng)的支護(hù)方式、防滲排水等，可為類似工程提供借鑒。

明流無壓隧洞；有壓隧洞；TBM施工隧洞；東山供水工程

1 工程概述

東山供水工程是山西省一項(xiàng)跨流域引調(diào)水工程，從山西省富水區(qū)清漳河流域、濁漳河流域調(diào)水到貧水區(qū)的汾河流域，實(shí)現(xiàn)了省內(nèi)汾河流域中游與漳河流域上游連通，是山西大水網(wǎng)規(guī)劃體系中的重要組成部分。

本工程大部分隧洞工程集中在輸水線路1號(hào)隧洞進(jìn)口流量調(diào)節(jié)閥室至北圖劃段需穿越清漳河、濁漳河的分水嶺（香煙嶺），云竹水庫(kù)至東團(tuán)城、東團(tuán)城至源神廟水庫(kù)需穿越清漳河、汾河分水嶺。輸水隧洞分明流無壓隧洞和有壓隧洞。明流無壓隧洞共8條，分別為1號(hào)洞、5號(hào)洞、6～11號(hào)洞，總長(zhǎng)72164m；有壓隧洞6條，洞內(nèi)穿PCCP及鋼管的直徑1200～2000mm，分別為2～4號(hào)洞、關(guān)河支洞、石匣導(dǎo)流洞、二期隧洞，總長(zhǎng)3296m。

2 隧洞布置

2.1 洞線及縱坡選擇

隧洞線路是供水工程線路的一部分，洞線布置應(yīng)服從輸水系統(tǒng)總體布置要求，還需綜合考慮地形地質(zhì)、施工運(yùn)行、沿線建筑物及對(duì)周圍環(huán)境的影響等因素，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較選定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

明流無壓隧洞，根據(jù)運(yùn)用要求、上下游水位銜接、沿線建筑物底部高程，以及施工檢修條件、不淤流速、工程投資和運(yùn)行管理費(fèi)等因素，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較選擇縱坡。有壓隧洞縱坡按沿線壓力管線的縱坡確定。

2.2 洞型斷面選擇

2.2.1 明流無壓隧洞

明流無壓隧洞的選擇主要考慮地形地質(zhì)、施工及結(jié)構(gòu)等因素，針對(duì)工程情況，確定為城門洞型。隧洞斷面除滿足施工設(shè)備布置要求外，還應(yīng)滿足輸水能力要求。根據(jù)流量、水深、縱坡的不同，隧洞斷面在滿足要求和過流能力的前提下，盡量采用最小的斷面面積。

2.2.2 有壓隧洞

結(jié)合工程總體布置，有壓隧洞洞內(nèi)安裝PCCP及鋼管。隧洞應(yīng)滿足管道安裝的需求，斷面采用圓形及城門洞型，采用混凝土回填。洞內(nèi)穿PCCP及不同管徑的鋼管，針對(duì)不同的管徑選取不同的隧洞斷面。

3 隧洞水力計(jì)算

根據(jù)總體方案，為確保明流無壓隧洞在不同流量下均能安全、穩(wěn)定地運(yùn)行，在確定隧洞的斷面形狀、底坡后，可用明渠均勻流理論試算確定隧洞水位、水深、流速、凈空等水力要素，進(jìn)而驗(yàn)證工程布置、斷面型式、尺寸及隧洞縱坡的合理性。

明流無壓隧洞按明渠均勻流公式計(jì)算：

式中：Q——流量，m3/s；

A——過水?dāng)嗝婷娣e，m2；

n——糙率，取值0.014；

R——水力半徑，m；

i——斷面底坡，取各隧洞的縱坡。

設(shè)計(jì)水深計(jì)算：由于隧洞洞線基本為直線，水流狀態(tài)按明渠均勻流分析，洞內(nèi)水深沿程不變。根據(jù)隧洞不同斷面，在設(shè)計(jì)最大流量工況下，進(jìn)行水力計(jì)算。

4 隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本工程中以Ⅳ、Ⅴ類圍巖為主，因此隧洞襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法進(jìn)行，計(jì)算采用規(guī)范中隧洞襯砌設(shè)計(jì)程序，輔以有限元分析并結(jié)合類似隧洞工程進(jìn)行分析。

作用于襯砌上而使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形的荷載，分主要荷載和附加荷載。主要荷載指長(zhǎng)期及經(jīng)常作用的荷載，有圍巖壓力、回填土壓力、襯砌自重、內(nèi)外水壓力荷載等；附加荷載指非經(jīng)常作用的荷載，有襯砌背后注漿壓力、凍脹壓力、混凝土收縮應(yīng)力、溫度應(yīng)力以及地震力等。計(jì)算荷載時(shí)應(yīng)根據(jù)上述兩類荷載同時(shí)存在的可能性進(jìn)行組合，并選用相應(yīng)的安全系數(shù)驗(yàn)算結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

在各荷載組合下計(jì)算隧洞鋼筋混凝土襯砌厚度，并驗(yàn)算接縫寬度，結(jié)果均能滿足驗(yàn)算要求。

5 隧洞支護(hù)設(shè)計(jì)

隧洞支護(hù)采用錨桿、掛網(wǎng)和噴混凝土作為主要的支護(hù)形式，并與鋼筋混凝土襯砌相結(jié)合，對(duì)隧洞圍巖起到了良好的保護(hù)作用。噴錨支護(hù)是使錨桿、混凝土噴層和圍巖形成共同作用的體系并且作為永久支護(hù)結(jié)構(gòu)的一次支護(hù)，噴錨網(wǎng)支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)主要是確定錨桿密度、錨桿長(zhǎng)度和材質(zhì)、止水措施、噴錨網(wǎng)面層結(jié)構(gòu)及整體穩(wěn)定性驗(yàn)算等。設(shè)計(jì)參數(shù)主要依據(jù)工程類比法，并結(jié)合本工程圍巖類別分析確定。設(shè)計(jì)中特別加強(qiáng)了土洞、地下水等特殊地質(zhì)條件洞段的一次支護(hù)設(shè)計(jì)。鋼筋混凝土襯砌作為永久支護(hù)結(jié)構(gòu)的二次支護(hù)，與一次支護(hù)共同組成復(fù)合式襯砌，并可適當(dāng)提高圍巖類別或降低圍巖荷載，用結(jié)構(gòu)計(jì)算確定襯砌厚度和配筋結(jié)果。

5.1 有壓隧洞

該隧洞段主要為安裝PCCP及鋼管服務(wù)，跨徑小，斷面圍巖相對(duì)穩(wěn)定。一次支護(hù)全斷面噴100mm厚C20素混凝土，在頂拱180°范圍內(nèi)設(shè)直徑25mm的水泥砂漿錨桿，掛150mm×150mm鋼筋網(wǎng)；待PCCP及鋼管安裝完畢后，進(jìn)行二次支護(hù)，洞內(nèi)全斷面回填C15素混凝土。

5.2 明流無壓隧洞

基本穩(wěn)定的Ⅲ類圍巖：頂拱180°范圍內(nèi)設(shè)直徑25mm水泥砂漿錨桿，間排距1m，梅花型布置；全斷面采用現(xiàn)澆250～300mm厚C25鋼筋混凝土襯砌，頂拱120°范圍內(nèi)回填灌漿。

穩(wěn)定性差的Ⅳ類圍巖：除底板外，內(nèi)掛直徑8mm鋼筋網(wǎng)（150mm×150mm），噴100mm厚的C20混凝土；設(shè)直徑25mm水泥砂漿錨桿，間排距1m，梅花型布置；全斷面采用現(xiàn)澆300～350mm厚C25鋼筋混凝土襯砌，頂拱120°范圍內(nèi)回填灌漿。

不穩(wěn)定的Ⅴ類圍巖：一次支護(hù)同Ⅳ類圍巖洞段；特別不穩(wěn)定段采用鋼支撐支護(hù)；二次襯砌全斷面現(xiàn)澆350～400mm厚C25鋼筋混凝土，頂拱120°范圍內(nèi)回填灌漿。

5.3 TBM施工隧洞段

9號(hào)隧洞TBM施工段為圓形斷面，預(yù)制混凝土管片拼裝式結(jié)構(gòu)襯砌，襯砌后由于管片與圍巖之間存在空隙，可以充填豆礫石后進(jìn)行回填灌漿，使之達(dá)到更好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和防滲止水作用。

5.4 土洞段及巖土過渡段

采用管棚加鋼拱架支護(hù)，掛網(wǎng)噴混凝土100mm?，F(xiàn)澆厚400mm的C25鋼筋混凝土圓形全封閉結(jié)構(gòu)作為二襯，并在頂拱180°范圍內(nèi)回填灌漿。

5.5 特殊洞段

對(duì)施工中超前鉆探孔出水量大的洞段，采用超前預(yù)注漿堵水和加固圍巖。對(duì)于局部地下水位較高洞段，襯砌后打排水孔減壓，保證結(jié)構(gòu)安全。

6 隧洞防滲設(shè)計(jì)

本工程明流輸水隧洞長(zhǎng)72.164km，其中1號(hào)隧洞、9～10號(hào)隧洞為長(zhǎng)距離輸水隧洞。

6.1 現(xiàn)澆混凝土襯砌洞段

Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ類圍巖及土洞段環(huán)向伸縮縫用651型橡膠止水帶止水，聚乙烯閉孔泡沫塑料板填縫；縱向施工縫中設(shè)遇水膨脹防水條。在巖土洞過渡段洞端采取固結(jié)灌漿，形成阻水帷幕，防止內(nèi)水外滲，對(duì)洞周圍土體形成有效保護(hù)。

6.2 TBM施工管片襯砌洞段

管片襯砌止水系統(tǒng)主要分為豆礫石回填灌漿層、橡膠止水條、防水膨脹砂漿。根據(jù)不同體型管片使用條件，采用不同型式的止水。對(duì)于無外水洞段的橡膠帶，其基座為可壓縮橡膠，上層為遇水膨脹橡膠；有外水洞段僅為可壓縮橡膠。

7 隧洞排水設(shè)計(jì)

本工程供水線路隧洞段大部分為有地下水洞段，分別穿過清漳河與濁漳河、汾河與濁漳河的分水嶺二蘭山和子金山。分水嶺段隧洞埋深較大，最大埋深達(dá)600余m，地下水位較高，洞頂上水頭較大，并存在斷層破碎帶。外水作用在高外水洞段對(duì)隧洞的襯砌作用影響較大。如果水頭超過60m，對(duì)于抵抗外水壓力，采取襯砌加厚、配筋加強(qiáng)或固結(jié)灌漿等方式顯然不經(jīng)濟(jì)。因此需對(duì)隧洞襯砌設(shè)置排水，來緩解外水壓力。對(duì)于高外水洞段，可以采用固結(jié)灌漿堵水，排水孔降壓的方式，并遵循先堵后排、堵排結(jié)合的原則來進(jìn)行。

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］1004-7042（2016）07-0031-02

郭彩紅（1979-），女，2006年畢業(yè)于華北水利水電學(xué)院水利水電工程專業(yè)，工程師。

2016-05-10；

2016-06-21