紀(jì)紅梅

（神木市水利工作隊(duì),陜西 神木 719300）

榆神工業(yè)區(qū)萬(wàn)鎮(zhèn)引水工程取水水源為黃河漫灘水和黃河干流地表水,供水對(duì)象為榆神工業(yè)區(qū)清水工業(yè)園煤化工生產(chǎn)和園內(nèi)居民生活用水及園區(qū)生態(tài)用水[1]。工程穿越黃河、陰會(huì)溝、禿尾河之間的黃土梁峁溝壑區(qū),這就需對(duì)供水工程隧洞建設(shè)方案進(jìn)行探討。

1 概況

榆神供水工程計(jì)劃在黃河右岸神木縣萬(wàn)鎮(zhèn)上下游西豆峪至界牌19.36 km范圍內(nèi)修建22眼黃河漫灘水水源井抽取地下水,在黃河右岸神木縣萬(wàn)鎮(zhèn)上游大約2.3 km的位置修建地表水源泵站提取黃河干流地表水[2],兩部分來(lái)水匯集到一級(jí)泵站前池,經(jīng)一級(jí)泵站提升后經(jīng)過(guò)隧洞和5級(jí)泵站提升,輸送至榆神工業(yè)區(qū)清水工業(yè)園內(nèi)的清水溝水庫(kù)。其中一級(jí)泵站至三級(jí)泵站之間需采用隧洞輸水方式進(jìn)行建設(shè)。

2 輸水隧洞工程地質(zhì)條件

2.1 地形、地質(zhì)條件

區(qū)域地質(zhì)穩(wěn)定,基巖緩傾角單斜構(gòu)造。隧洞穿越區(qū)域溝谷縱橫,地面侵蝕劇烈,地形極其破碎[3]。隧洞沿線地下水由降水補(bǔ)給,有黃土裂隙水及基巖裂隙水兩種形式。黃土裂隙水級(jí)分布于側(cè)向排泄條件較差的梁峁中部?；鶐r裂隙水分布于第四系下伏的砂巖風(fēng)化裂隙,一般含水層厚度10 m～30 m,河谷最深可達(dá)50 m。

2.2 隧洞布置的邊界條件

根據(jù)工程總體方位,引水隧洞從位于黃河右岸岸坡的一級(jí)泵站出水池開(kāi)始,穿越黃河、陰會(huì)溝、禿尾河之間的黃土梁峁溝壑區(qū),沿東南—西北方向輸水至位于禿尾河谷地的三級(jí)泵站進(jìn)水池。因?yàn)槎诠こ淘黾右命S河地表水,需要在陰會(huì)溝內(nèi)設(shè)置沉沙庫(kù),進(jìn)口一級(jí)泵站選址、陰會(huì)溝沉沙庫(kù)選址、出口三級(jí)泵站選址是隧洞布置的控制節(jié)點(diǎn),隧洞在平面上需平順銜接。

3 隧洞方案分析

隧洞線路起點(diǎn)為萬(wàn)鎮(zhèn)一級(jí)泵站,經(jīng)過(guò)陰會(huì)溝二級(jí)泵站,目的地為位于禿尾河谷的三級(jí)泵站。由于該段隧洞穿越禿尾河左岸的一系列沖溝,其布置需綜合考慮多種因素,為此擬定2個(gè)比選方案。

方案一：隧洞以萬(wàn)鎮(zhèn)一級(jí)泵站為起點(diǎn),到石窯溝三級(jí)泵站,總長(zhǎng)29.78 km,分兩個(gè)部分。其中,第一部分從萬(wàn)鎮(zhèn)一級(jí)泵站至陰會(huì)溝二級(jí)泵站,共4.23 km,為1#隧洞。1#隧洞洞底高程為841.8 m,以使洞身上覆基巖厚度,延伸約1 km后,隨埋深增加,洞線向西北方向稍作偏折,以便在陰會(huì)溝左岸出洞,并與二級(jí)泵站銜接。第二部分從陰會(huì)溝二級(jí)泵站至石窯溝三級(jí)泵站,共25.55 km,分為4段,為2#～5#隧洞。第二部分隧洞從二級(jí)泵站出水池開(kāi)始,基本沿直線與石窯溝三級(jí)泵站連接,僅在桃柳溝作較小轉(zhuǎn)折,以渡槽跨越桃柳溝、大柳溝。沿線設(shè)渡槽2座、長(zhǎng)200 m,倒虹1座,長(zhǎng)192 m,引水暗涵1座,長(zhǎng)370.87 m。

方案二：隧洞以萬(wàn)鎮(zhèn)一級(jí)泵站為起點(diǎn),到?jīng)鏊?jí)泵站,總長(zhǎng)20.37 km,分兩部分。其中第一部分與方案一一致,長(zhǎng)4.23 km,為1#隧洞；第二部分隧洞起點(diǎn)為陰會(huì)溝二級(jí)泵站出水口,終點(diǎn)為涼水井三級(jí)泵站,該段隧洞長(zhǎng)約16.14 km,分為3段,為2#～4#隧洞。沿線設(shè)倒虹1座,長(zhǎng)83 m；渡槽1座,長(zhǎng)110 m。

從利用隧洞引水能力增加引用黃河地表水的需要考慮,采用較長(zhǎng)的隧洞輸水在總體上有利,為此選擇自一級(jí)泵站開(kāi)始采用引水隧洞至禿尾河左岸的石窯溝口出洞（石窯溝后地面漸高無(wú)出洞條件）,洞后設(shè)泵站,泵站后敷設(shè)壓力管道。如此形成第一布置方案。該方案屬于長(zhǎng)隧洞短管道方案,并且輸水線路基本為直線,屬于距離最短方案。雖然方案一較方案二總長(zhǎng)較長(zhǎng),但是引水量和引水安全性要比方案二好,綜合建設(shè)條件,建議選擇方案一隧洞建設(shè)方案。

4 隧洞設(shè)計(jì)

隧洞為引水線路上關(guān)鍵建筑物,建筑物級(jí)別為3級(jí)。

4.1 隧洞斷面型式

隧洞穿越區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單,圍巖基本穩(wěn)定,地下水補(bǔ)給微弱,采取排水措施后地下水作用水頭較小,隧洞斷面主要受施工控制,尺寸規(guī)模較小,隧洞斷面型式擬定在保證結(jié)構(gòu)合理的前提下,應(yīng)盡可能方便施工。參照類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn),擬定城門(mén)洞型和平底馬蹄型兩種斷面進(jìn)行比較。

4.2 斷面尺寸

本工程一期設(shè)計(jì)流量是2.3 m3/s,按一般隧洞設(shè)計(jì)流速1.5 m/s～2.0 m/s判斷,過(guò)水?dāng)嗝婷娣e僅需1.1 m2～1.5 m2,顯然隧洞斷面尺寸主要受施工要求控制；二期工程實(shí)施后設(shè)計(jì)流量是6.8 m3/s,加大流量是8.0 m3/s,所需過(guò)水?dāng)嗝婷娣e為4 m2～5.3 m2,隧洞斷面與施工控制斷面接近。確定隧洞斷面尺寸,需對(duì)施工布置及遠(yuǎn)期增加過(guò)水能力進(jìn)行權(quán)衡。

4.2.1 考慮施工布置的斷面尺寸

根據(jù)隧洞布置結(jié)果,各段隧洞長(zhǎng)度見(jiàn)表1,利用天然出露條件適當(dāng)設(shè)置支洞,可使每個(gè)掘進(jìn)工作面的最大距離控制在2km以內(nèi)。隧洞穿越巖層主要為砂巖、泥巖,構(gòu)造裂隙不發(fā)育,隧洞開(kāi)挖后圍巖基本穩(wěn)定,適合鉆爆法施工。

表1 方案一隧洞長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)表

按照鉆爆法施工方式,對(duì)兩種型式的隧洞施工斷面布置,擬定斷面尺寸。施工布置考慮的主要因素有：為節(jié)省斷面尺寸并降低通風(fēng)要求,施工運(yùn)輸采用600軌道礦車(chē),采用500 mm直徑軟風(fēng)管,礦車(chē)與側(cè)面設(shè)備和風(fēng)管的凈距分別取30 cm和20 cm。

滿足施工布置要求的有兩種斷面,其斷面輪廓尺寸為：城門(mén)洞型斷面2.64 m×2.64 m；平底馬蹄形,寬2.7 m,高2.7 m,該尺寸是滿足施工運(yùn)輸需要的隧洞凈尺寸?？紤]隧洞斷面較小,圍巖在采取錨噴措施后可滿足施工期穩(wěn)定要求,以噴層厚度10 cm考慮。兩種斷面型式的施工布置見(jiàn)圖1,控制斷面面積特征見(jiàn)表2。

圖1 施工布置圖

表2 施工控制斷面與襯砌隧洞斷面比較 單位：m2

隧洞斷面得到充分利用,過(guò)水面積占85%時(shí),城門(mén)洞型斷面水力要素為：濕周5.68 m,水力半徑0.6725,取糙率為0.014,C=1/n·R1/6=66.86,（α=111°,凈空高70 cm,馬蹄形與之接近）。隧洞比降1∶1000時(shí),最大過(guò)水能力為6.62 m3/s,小于二期8.0 m3/s。

4.2.2 考慮二期過(guò)水要求的斷面尺寸

要滿足二期通過(guò)8.0 m3/s流量,經(jīng)試算在比降為1∶750～1∶2000時(shí),襯砌隧洞凈斷面需擴(kuò)大為2.4 m×2.4 m～2.9 m×2.9 m,（隧洞比降1∶1500,襯砌隧洞凈斷面為2.7m×2.7 m,開(kāi)挖斷面3.5 m×3.5 m）。

4.2.3 斷面形式比較

對(duì)兩種斷面比較見(jiàn)表2。

馬蹄形斷面的開(kāi)挖、支護(hù)及襯砌工程量均較小,且與城門(mén)洞斷面比較,爆破成型及受力條件相對(duì)更好,推薦采用平底馬蹄形斷面。

4.3 比降選擇

隧洞比降不同,將引起隧洞斷面尺寸、泵站揚(yáng)程及工程運(yùn)行費(fèi)用的變化。為此針對(duì)不同比降下的隧洞斷面結(jié)構(gòu)尺寸、工程量及運(yùn)行費(fèi)變化情況進(jìn)行分析,見(jiàn)表3。

表3 不同尺寸隧洞比較表

當(dāng)比降為1∶750時(shí),過(guò)水流量8.0 m3/s的斷面接近施工控制斷面,所以1∶750為比較的最陡比降。

方案一隧洞總長(zhǎng)度29784 m,比降從1∶750減緩到1∶2000引起泵站凈揚(yáng)程的變化量分別為10.23 m、10.23 m和5.12 m,按泵站綜合效率74%,每米揚(yáng)程變化引起的單方水用電量變化為0.0037 kW·h。經(jīng)綜合比較工程投資及運(yùn)行費(fèi)變化情況,本階段推薦采用比降1∶1500。

4.4 隧洞水力計(jì)算

按比降i=1∶1500,糙率n=0.014,對(duì)平底馬蹄形斷面,計(jì)算出不同流量下的隧洞水深見(jiàn)表4。

表4 不同流量下隧洞水深情況表

4.5 隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)隧洞線路布置情況,包含支洞在內(nèi)的隧洞施工分段長(zhǎng)度不大于4.5 km,適合采用鉆爆法施工。按洞線布置結(jié)果,絕大多數(shù)洞段置于基巖內(nèi),洞頂以上基巖厚度大于4倍洞徑。在穿劉魯則溝處,隧洞埋深小于2倍洞徑,設(shè)置1段過(guò)溝暗涵。

4.5.1 正常埋深洞段

（1）支護(hù)設(shè)計(jì)

考慮隧洞斷面較小,對(duì)大部分圍巖基本穩(wěn)定的Ⅲ類(lèi)圍巖洞段,采用長(zhǎng)2 m的Φ16鋼筋錨桿,間距1 m。噴混凝土厚度10 cm。對(duì)位于Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖隧洞進(jìn)出口段、位于黃土中的洞段,采取注漿管棚進(jìn)行超前支護(hù),管棚支護(hù)范圍為洞頂180°拱頂部,超前鋼管間距30 cm；噴C20混凝土10 cm,錨桿用長(zhǎng)2 m、間距1 m、Φ16砂漿鋼筋錨桿；采取鋼架支撐,鋼架用工16型鋼制作,鋼架腳部設(shè)2根鎖腳錨桿。

（2）二次襯砌

為降低糙率滿足過(guò)水要求,對(duì)全斷面進(jìn)行混凝土襯砌,Ⅲ類(lèi)圍巖洞段襯砌厚度30 cm。進(jìn)出口段及Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖洞段,襯砌厚40 cm。綜合考慮強(qiáng)度及耐久性要求,選用襯砌混凝土標(biāo)號(hào)為C25F200W6,工程所在地屬寒冷地區(qū),洞口段200 m范圍內(nèi)抗凍標(biāo)號(hào)采用F300。

工程區(qū)地下水補(bǔ)給量少,圍巖隔水性好,不存在洞水外滲問(wèn)題。隧洞襯砌按允許裂縫設(shè)計(jì)。隧洞襯砌僅配置構(gòu)造筋。輸水工程線路通過(guò)的禿尾河支溝、沖溝地表水及地下水水質(zhì)良好,大部分對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)腐蝕性,在干濕交替作用的環(huán)境條件下,對(duì)鋼筋混凝土中鋼筋具弱腐蝕性,對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具弱腐蝕性。

4.5.2 淺埋明涵段

劉魯則溝有兩處位置,洞頂高程略低于溝底,采用明洞過(guò)溝方案。為便于銜接,明洞斷面內(nèi)輪廓與隧洞相同,洞身采用40 cm厚現(xiàn)澆鋼筋混凝土。明洞基槽開(kāi)挖至弱風(fēng)化巖層,然后用素混凝土回填至洞底以下40 cm?；坶_(kāi)挖寬度較洞壁外側(cè)擴(kuò)大1 m,覆蓋層開(kāi)挖邊坡1∶1,基巖開(kāi)挖邊坡1∶0.75。開(kāi)挖坑槽回填至洞頂,洞頂以上采用M7.5漿砌石防護(hù)。明洞段兩端延伸至完整基巖穩(wěn)定岸坡處直接與正常段隧洞銜接,不設(shè)明口。

5 結(jié)語(yǔ)

引水隧洞線路選擇要根據(jù)地質(zhì)、施工條件,優(yōu)先保障引水量和引水安全。經(jīng)過(guò)分析探討,榆神供水隧洞要考慮二期引水工程,進(jìn)口一級(jí)泵站和出口三級(jí)泵站比降平順銜接。經(jīng)綜合分析,供水線路選擇方案一,斷面采用平底馬蹄形斷面,隧洞比降選擇1∶1500,施工采用鉆爆法。圍巖洞段采用長(zhǎng)2 m的Φ16鋼筋錨桿,黃土洞段采取注漿管棚進(jìn)行超前支護(hù),對(duì)全斷面進(jìn)行混凝土襯砌,可為為工程建設(shè)實(shí)施提供科學(xué)依據(jù)。