基于投資最優的隧洞設計方案比選

摘 要：隨著經濟的發展，隧道的修建越來越多，如何在滿足結構使用性能的基礎上，做到投資最優，是隧道修建急需解決的問題。文章結合某隧道設計成功實踐，詳細闡述了基于投資最優的該遂洞設計關鍵的洞線方案、隧洞單、雙洞方案和洞底高程設計方案的確定過程，可供同類工程設計參考。

關鍵詞：投資最優；水工隧洞；設計

1 工程概況

某進出口地面高程90～97m，山頂高程214～293m。。隧洞進口由斷層f1、節理L1、斷層F1形成的楔形體屬不穩定體，應加強固坡措施。洞身段樁號為378+467～380+117，378+467～378+594段處在構造發育帶內，巖體的完整性已遭較大的破壞，極易產生塌方，圍巖評價為不穩定，為Ⅳ類圍巖；378+594～379+194段地表燧石條帶白云巖為弱風化巖，洞頂板以上至少有50m厚的微風化巖，巖體完整性好，地下水活動微弱，為Ⅱ類圍巖，圍巖評價為基本穩定，局部可能存在小型不穩定組合體，工程地質條件較好； 379+194～379+294段地表燧石條帶白云巖為弱風化巖，洞頂板以上至少有30～50m厚的微風化巖，位于向斜南西翼，受向斜構造的影響，巖體層間結合性較差，局部節理發育，地下水有可能局部富集，為Ⅲ類圍巖，圍巖穩定評價為穩定性差，可能存在不穩定組合體； 379+294～379+354段處于向斜軸部及F2斷層帶中，巖體結構為碎裂結構，地下水較活躍，為Ⅳ類圍巖，圍巖穩定評價為不穩定，局部可能產生坍落； 379+354～379+454段地表燧石條帶白云巖為弱風化巖，洞頂板以上有30～40m厚的微風化巖。本段位于向斜北東翼，受向斜構造的影響，巖體層間結合性較差，局部節理發育，地下水有可能局部富集，為Ⅲ類圍巖，圍巖穩定評價為穩定性差，可能存在不穩定組合體； 379+454～380+014段地表巖石即為弱風化巖，頂板以上微風化巖厚20～120m，巖體完整性好，地下水活動微弱，為Ⅱ類圍巖，圍巖評價為基本穩定，局部可能存在小型不穩定組合體，工程地質條件較好； 380+014～380+117段地表巖石即為弱風化，局部發育小規模破碎帶，節理發育但閉合，地下水活動微弱，為Ⅲ類圍巖。隧洞工程區地震動峰值加速度為0.05g，地震動反應譜特征周期為0.45s，相當于原地震基本烈度6度區，按6度設防，工程建筑物不進行抗震計算。

2 基于投資最優洞線方案比選

洞線I隧洞方案為崗頭隧洞于新建村東北穿越崗頭山，洞身長1300m，該隧洞進口段斷層節理發育，斷層破碎帶較寬，進出口均有較厚的覆蓋層，上覆圍巖薄，工程地質條件差，成洞困難；洞線II方案為避開不良地質段，將洞線西移300m，案隧洞主體長1650m，隧洞軸線走向NE33°50′10″，巖層走向NW280°～300°，洞線與巖層走向近乎垂直，有利于洞身圍巖穩定，隧洞進出口地面高程90.0～97.0m，山頂高程214～293m，洞身段地質為層狀巖體單一結構，巖性為燧石條帶白云巖，Ⅱ、Ⅲ類圍巖占隧洞總長的89%，巖體完整性好；方案主要技術經濟比較見表1。

基于投資最優考慮，由于洞線II方案主體工程投資減少4252萬元，最后被確定為推薦方案。

3 基于投資最優隧洞單、雙洞方案比選

隧洞設計流量125m3/s，加大流量150m3/s，洞身長1650m。經過水力計算，提出單、雙洞兩種方案，見圖1，經濟比較見表2。

（a）雙洞方案 （b）單洞方案

圖1 單雙洞線方案洞身斷面圖

表3 方案主要工程量對比

基于投資最優考慮，由于雙洞方案單洞線方案減少投資1138萬元，最后被確定為推薦方案。

4 基于投資最優洞底高程的確定

鑒于在隧洞上下游渠段內的設計水深只有4.5m，隧洞分配水頭值為0.345m，而隧洞需要的底寬為7.8m，不具備形成有壓隧洞的條件，采用無壓隧洞。根據工程類比和經濟分析，在Ⅱ、Ⅲ類圍巖中采用錨噴支護作為永久支護是經濟的。采用圓拱直墻型斷面，斷面單一，施工簡便，造價較低，故確定采用圓拱直墻型斷面。按照常規設計，洞底高程的縱向布置常采用上下游渠底高程連線，經水力計算斷面凈寬為9.3m×2，洞內設計水深4.38m，加大水深4.87m，斷面高寬比為0.84；對于洞底高程進理論分析和水工模型試驗，提出了洞底高程降低0.9m的布置方案，兩種比較方案主要工程數量對比見表3。洞底降低0.9m比洞底不降低節省投資669.1萬元，降低洞底方案明顯優于不降洞底方案，選為推薦方案。

5 結束語

隧洞設計過程中，在滿足結構設計要求的基礎上，始終堅持基于投資最優的原則確定各種方案，取得了很好的經濟效益，可供同類工程設計參考。

參考文獻

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作者簡介：劉斌（1987-），男，漢族，本科，助理工程師，主要從事鐵路與公路施工工作。