輸水隧洞工程的設計與施工探討

趙 君

（渭南市水利水電勘測設計院 陜西 渭南 710016）

1 工程概況

本工程是以供水為主，兼顧農田灌溉、發電和防洪等綜合效益的Ⅱ等水利樞紐工程。樞紐工程由粘土心墻砂礫石壩（壩高130m）、泄洪洞、溢洪洞、引水洞、壩后電站、古河道防滲、副壩、滑坡體處理等單位工程組成。水庫總庫容2億m3，年調節水量4.28億m3，日供水110萬m3，其中農業用水 1.23億m3，灌溉農田76萬畝。水電站裝機容量2萬kW，年發電量7308萬kW·h。

2 地質情況分析

本隧洞工程地處秦嶺山麓山前洪積坡區域，洞室地層巖性主要為第四系坡洪積的土壤、砂礫及卵石層，屬于不穩定型Ⅴ類巖體。土壤 f≤0.8，砂礫、卵石 f≤0.5，洞頂以上巖體厚約7m～25m，地下水位高于洞頂，砂礫曾滲透系數為54m/d，土壤滲透系數為0.19m/d。

3 隧洞設計

3.1 輸水線路的選擇及布置思路

輸水隧洞在進行輸水系統線路選擇時盡可能布置成最短的直線，布置時應綜合考慮地形、地質、樞紐布置等條件。

隧洞進口設計樁號64+701.819，出口設計樁號66+855.28，隧洞設計中心線左轉折122°10'03"，中心線樁號為65+844.04。由于最為發育的裂隙、破碎帶以及巖層層面與陡傾的構造、裂隙和開挖臨空面很容易形成不穩定塊體的位置，對圍巖穩定非常不利，所以對工程區大小沖溝較發育、地形比較破碎、不適合線路布置的位置不能確定輸水系統線路。本工程選擇了隧洞設計中心線左轉折122°10'03"為主要布置輸水系統線路。

本工程輸水隧洞屬于重要輸水建筑物，也是整個工程的唯一輸水通道，其主要作用是實現引水工程的供水量，實現供水保證率95%的目標。

根據引水工程的總體布置，隧洞選線不但要滿足地形、地質要求，還要結合一些取水樞紐以及電站運行條件等因素綜合確定。

隧洞的設計思路為：在滿足引用足夠水量和洞內不淤的條件下，初步確定隧洞出口高程，再根據洞線地形條件，綜合確定隧洞比降，推算至隧洞進口，然后根據隧洞進出口能量損失進行水力計算，調整進口高程，確定經濟、合理的比降，使隧洞進出口水頭損失相對較小。最后根據確定的比降，確定經濟合理、利于施工和運行管理的隧洞斷面形式及其他建筑物形式。

3.2 隧洞斷面設計

根據已知條件，洞身斷面采用明渠均勻流公式進行過流計算，計算水深0.61m；洞內水面線連接通過進、出口各段面能量方程確定，出水池壓力管道滿足淹沒條件。

隧洞斷面設計尺寸最大高為4.10m，最大寬度為3.40m，隧洞坡降比為1/2500，襯砌混凝土厚度30mm～40mm，隧洞全長2153.46m。隧洞設計中心線左轉折122°10'03"，中心線樁號為65+844.04。隧洞設計斷面圖見圖1。

4 豎井的設計

隧洞工程總共設計有三個豎井，斷面均為圓形，豎井頂部有150#鎖口盤，鎖口盤外徑為8.0m，深3.0m。鎖口盤以下至豎井底設計均為200#噴射混凝土支護，厚度為25cm，三個豎井井深度分別為18.09m、18.5m、20.8m。

圖1 隧洞設計斷面圖

5 過流能力

根據《水工隧洞設計規范》（SL279-2002），隧洞過流能力，對長洞按均勻流計算。采用明渠均勻流公式：

式中，ω——過水斷面面積，ω=bh0；

b——矩形隧洞過水斷面寬度，x=b+2h0；

x——濕周；x=b+2h0；

R——滿流時的水力半徑；R=ω/x；

已知隧洞設計流量 q=0.83m3/s，底坡i=1/2000，斷面寬度 b=3.4m，高度 H=4.1m，對于鋼筋砼襯砌n=0.015。根據曼寧公式進行試算，設計流量下洞內水深h0=0.75m＜1.5m，故洞身過流能力滿足規范要求。

6 隧洞斷面襯砌設計

本工程隧洞襯砌結構計算原則采用限制裂縫開展寬度計算，以工程類比和理論計算分析相結合的方法進行隧洞結構設計。按一次噴錨支護對圍巖的加固作用和圍巖的自承能力，適當提高圍巖的彈性抗力系數，降低外水折減速系數。

6.1 荷載計算

（1）襯砌自重

式中，G——自重，kN；

γc——混凝土容重，kN/m3；

V——混凝土體積，m3。

（2）山巖壓力

山巖壓力按照普氏公式的塌落拱理論計算，均布的垂直山巖壓力：

式中，q——豎向圍巖壓力,kPa；

γ——巖體重度；

B——隧洞開挖寬度，m；

H——隧洞開挖高度，m；

φ——巖體內摩擦角；

f——巖石堅固系數。

（3）側向山巖壓力

E1=0.7γHtg2（45°-φ/2）

E2=（0.7h+H）γtg2（45°-φ/2）

（4）彈性抗力系數計算

k=100k0/r

式中，k——巖石的抗力系數，N/cm3；

k0——巖石的單位抗力系數，N/cm3；

r——圓形隧洞斷面開挖半徑，對于非圓形洞，采用B/2；

B——為斷面開挖寬，cm。

（5）外水壓力

依據《水工隧洞設計規范》（SL279-2002)，作用在混凝土、鋼筋混凝土和預應力混凝土襯砌結構上的外水壓力，可按式：

式中，Pe——作用在襯砌結構外表面的地下水壓力，kN/m2；

βe——外水壓力折減系數，可參照《水工隧洞設計規范》（SL279-2002）；

γw——水的重度，一般取9.81kN/m3；

He——地下水位至洞中心的水頭，內水外滲時取內水壓力。

（6）回填灌漿壓力

拱頂在120°范圍內襯砌進行回填灌漿，灌漿壓力按0.5MPa計。

6.2 結構計算參數

（1）地質參數

依據《本工程輸水隧洞工程地質勘察報告》推薦值，為各類圍巖地質參數取值。

（2）結構參數

根據隧洞斷面結構尺寸B×H=3.4×4.1m及各洞段地質概況，初步擬定斷面支護與襯砌參數見表1。

表1 結構參數表

本工程從經濟角度來講，充分利用圍巖的彈性抗力以及圍巖的地質條件要求，經過分析研究計算比較本工程的應力條件和滲透條件以及從地形、地質條件來分析可知，采用混凝土襯砌能夠滿足本工程的應力和滲透條件。所以輸水隧洞采用混凝土襯砌，襯砌厚度為30mm～40mm，混凝土標號為150#，抗滲標號為S4，配合比 1∶2.2∶3.92，水灰比0.53。

7 豎井施工研究分析

7.1 開挖施工

豎井開挖方法采用全斷面自上而下進行。豎井開挖前要做的工作主要是，先進行豎井井口的鎖口盤施工，如果鎖口盤混凝土未達到設計的強度，鎖口盤以下豎井就不能進行施工。經驗收混凝土強度達到設計要求后，依次再安裝井口的龍門架以及附屬設施。

根據圍巖狀況分析，豎井井壁采用噴錨支護的施工方法進行施工。豎井施工時，邊挖進，邊噴護，開挖深度一般情況下控制在2.0m～2.5m之間，具體情況根據圍巖特性定奪。根據要求豎井在開挖過程中比原直徑大于0.5m，本工程豎井直徑為4.0m，開挖直徑為4.5m。

豎井開挖施工使用此方法，不但經濟、保證質量，而且安全、容易施工。

7.2 噴錨支護施工

本工程豎井開挖每段完成后，沿井壁周圍每78.5cm布置一根砂漿錨桿，每層之間的間距為60cm～80cm，錨桿采用不小于Φ20的Ⅱ級鋼筋，一般情況下，錨桿采用梅花形型布置，人工挖孔，錨桿埋深在2.75m以上，外露25cm左右?？仔纬梢院螅捎霉嘧⑸皾{法進行灌注砂漿，錨桿灌注完成后形成鋼筋網，立即噴射200#混凝土。根據施工現場記錄和規范要求的規定，噴射風一般情況下控制在2kg/cm2～2.5kg/cm2，噴射角度控制在85°～90°，距離控制在0.6m～1.2m左右。

噴錨支護施工是工程中常用的一種防護措施施工方法，本工程不但豎井施工采用了噴錨支護，隧洞掘進施工中也采用了噴錨支護的方法。噴錨支護施工方法不能夠縮短工期，施工難度大、費用高，但能夠保證工程的質量以及安全。

8 隧洞施工研究分析對策

本工程由于地質條件復雜，工程在施工過程中，采用了多種施工方法進行隧洞施工。經過方案分析比較，首先選擇了邊開挖掘進，邊噴錨支護，邊襯砌混凝土施工的方案。

8.1 隧洞開挖分析

開挖施工采用正臺階法掘進。首先開挖上半部分，開挖長度控制在1.0m～1.2m之間。開挖完成立即噴錨支護，噴錨長度1.0m，上半部分噴錨完成后，開始下半部分掘進。為確保噴錨支護混凝土的強度，下半部分開挖總比上半部分少一個循環施工。

8.2 排水施工分析

隧洞工程施工時，洞內排水是一個很關鍵的施工環節。本工程通過地下水的分布情況研究分析，制定了多種方案進行洞內排水施工。經多方比較，最終選擇了兩種比較合理的抽排方案：一種是采用洞外沿洞內中心線右側6m處鉆深水井的方法進行洞內排水，深水井深度為50m，洞外排水井設置在地下水的上游，多用高揚程水泵連續抽排。另一種是在洞內采用人工挖井，集中將洞內的水抽排在豎井下的集水井，而后采用離心泵將其抽排至洞外。

上述兩種排水方法在隧洞工程中使用最為廣泛，特別是在地下水位較高以及地下水流量較大的隧洞施工時，一般情況下采用這兩種抽排水施工方法會比較合理。

8.3 混凝土襯砌施工

本工程混凝土襯砌共分兩期，一期襯砌頂拱側墻，兩側模板隨著鋼拱架均衡上升并澆筑，混凝土運輸車用膠輪車將其混凝土運輸至倉面，混凝土輸送泵輸送混凝土入模，插入式搗固器搗固?；炷烈r砌1.5m一個循環，接著開挖下一個循環。模板拆除一般在襯砌混凝土強度達到70%以上以后開始。本工程混凝土襯砌根據工程的性質、特點確定了每次襯砌的深度，由于地質條件的復雜性，本工程隧洞只能以1.5m一個循環為基礎，進行混凝土襯砌施工。

8.4 分析對策

本工程在隧洞施工時，也采用了另外一種施工方法，即“短進尺，強支撐，快襯砌”施工方法，采取全斷面開挖，是一種比較靈活的施工方法。開挖的時候，首先開挖頂拱，及時支護，穩定后，立即開挖下半部分，開挖時采取強支護，開挖長度上半部分最大2.0m，下半部分最大1.6m。本方法節約材料成本，按拆方便，堅固耐用，安全可靠，便于施工。

9 結論

本工程隧洞施工時，采用了兩種施工方法，一種臨時噴錨支護施工方法，另一種是短進尺，強支護，快襯砌施工方法。臨時噴錨支護在工程的短時期內具有很大的防護措施作用，但是從工程總體來分析，施工方法、費用相對比較高，施工復雜，影響工期，并在施工過程中會不斷的出現塌方等相關問題，沒有“短進尺，強支護，快襯砌”施工方法經濟、工期短、簡單。本文通過輸水隧洞的設計、施工進行研究分析，得出了輸水隧洞施工較為經濟、容易、安全、工期短的施工方案。陜西水利