吉林省中部城市引松供水工程總干線支洞封堵設計

秦 晉

（吉林省水利水電勘測設計研究院 吉林長春 130021）

1 概況

吉林省中部城市引松供水工程（以下簡稱中部供水工程）TBM1施工段有三條支洞，分別為1#、2#、3#支洞，即TBM1拆卸支洞、檢修支洞、出發支洞，其中1#、2#支洞為臨時支洞，3#支洞為永久支洞；TBM2施工段有三條支洞，分別為4#、5#和6#支洞，即TBM2拆卸支洞、檢修支洞、出發支洞，其中4#、5#支洞為臨時支洞，6#支洞為永久支洞；TBM3施工段有兩條支洞，分別為7#、8#支洞，即TBM3拆卸支洞、檢修支洞，其中7#、8#支洞為臨時支洞。

臨時支洞施工完后做永久混凝土實體封堵，永久支洞封堵體中間留設檢修廊道和檢修門。

臨時支洞封堵體按照 IV級建筑物設計，永久支洞按照Ⅲ級建筑物設計。

1#支洞和主洞相交于 2+313m處，2#支洞和主洞相交于 14+092m處，3#支洞和主洞相交于22+750m處，1#支洞長度946m，坡度8%，主支交叉處洞底板 231.05m，支洞口高程 295.40m；2#支洞長度1317m，坡度3.1%，主支交叉處洞底板 228.32m，支洞口高程 263.00m；3#支洞長度413m，坡度8.7%，主支交叉處洞底板226.30m，支洞口高程256.00m。

4#支洞和主洞相交于25+581m處，5#支洞和主洞相交于 36+443m處,6#支洞和主洞相交于47+799m處，4#支洞長度 822m，坡度 5.23%，主支交叉處洞底板 225.63m，支洞口高程268.62m；5#支洞長度1050m，坡度9.0%，主支交叉處洞底板 223.12m，支洞口高程 304.00m；6#支洞長度834m，坡度8.6%，主支交叉處洞底板220.48m，支洞口高程281.66m。

7#支洞和主洞相交于50+379m處，8#支洞和主洞相交于61+054m處，7#支洞長度518m，坡度10.8%，主支交叉處洞底板 219.88m，支洞口高程 267.00m；8#支洞長度 1188m，坡度 9.8%，主支交叉處洞底板 217.40m，支洞口高程317.00m。

上述支洞設計斷面尺寸均為7.2×6.8m(寬×高)，城門洞型。

2 地質條件

1#支洞封堵體段圍巖巖性為P2y16-1二疊系楊家溝組砂巖、砂礫巖，屬Ⅲ類圍巖，主洞和支洞處未見明顯不良地質構造帶；

2#支洞封堵體段圍巖巖性為燕山早期花崗巖，中粗粒結構，屬Ⅱ類圍巖，主洞和支洞處未見明顯不良地質構造帶；

3#支洞封堵體段圍巖巖性為燕山早期花崗巖，中粗粒結構，屬Ⅱ類圍巖，主洞和支洞處未見明顯不良地質構造帶；

4#支洞封堵體段圍巖巖性為J1n14南樓山組凝灰巖、凝灰質砂巖，充填方解石脈，隱晶質-斑狀結構，屬Ⅲ類圍巖，主洞線 1017鉆孔揭露1條斷層F18，在支洞樁號1+021～1+051m段通過，斷層巖石破碎；

5#支洞封堵體段圍巖巖性為燕山早期花崗巖，中粗粒結構，屬Ⅱ類圍巖，主洞和支洞處未見明顯不良地質構造帶；

6#支洞封堵體段圍巖巖性為δ燕山早期石英閃長巖，中粗粒結構，屬Ⅱ類圍巖，主洞和支洞處未見明顯不良地質構造帶；

7#支洞封堵體段圍巖巖性為燕山早期花崗巖，中粗粒結構，屬Ⅱ類圍巖，主洞和支洞處未見明顯不良地質構造帶；

8#支洞封堵體段圍巖巖性為T3X15三疊系小蜂蜜頂子組凝灰巖，凝灰結構，塊狀構造，中粗粒結構，屬Ⅲ類圍巖；還有部分華力西晚期閃長巖，閃長巖灰白色，中細粒結構，塊狀構造，主洞和支洞處未見明顯不良地質構造帶。

3 導流洞封堵設計

3.1 設計標準

施工支洞采用混凝土封堵體封堵，封堵體雖設在臨時建筑物的支洞之中，但封堵體本身卻是永久性建筑物，它關系到工程的運行安全，其設計標準按照永久Ⅲ級建筑物標準設計。

封堵體在永久運行期，上游承受水頭最大壓力計算為：靜水水頭 H+水錘動水壓力水頭 h。各支洞上游水頭壓力如表1所示。

3.2 封堵體布置及結構設計

封堵體最小長度計算如下公式，安全長度按照兩倍最小長度取整數。

其中：L―封堵體長度，m；P―總水壓，MN；[τ]―容許剪應力（0.2MPa～0.3MPa）；A―封堵體剪切面周長，m。

表1 支洞封堵體上游水頭壓力表

作用水頭以表1中水頭計算，容許剪應力[τ]取0.2Mpa計算，封堵體最小長度需要大于3m。

國內已建類似工程的封堵體長度多數是洞徑的2.5～3倍，是擋水水頭的1/3～1/4。

本工程綜合考慮封堵體長度采用表 2中安全長度考慮。

表2 封堵體長度的計算成果

其中3#、6#封堵體中間留設檢修廊道，封堵體內部為空腔，單位長度的重量減小，相應封堵體長度增加。

考慮到施工方便以及封堵體和圍巖的結合，封堵體布置在支洞靠近主支洞交叉處平洞段，選擇圍巖類別較好的地段設置。

3.3 封堵體結構設計

封堵體分兩種結構形式，一種為實體結構，一種封堵體留設檢修廊道和檢修閘門。

封堵體材料采用微膨脹混凝土，混凝土強度為C20，抗滲等級為W8。

為了封堵體灌漿需要，同時有利于施工期混凝土散熱，在封堵體內部設置縱向灌漿廊道。廊道的高度和寬度，除必須滿足灌漿施工等要求外，根據經驗，寬、高應小于或等于封堵體斷面寬和高的0.6倍。經分析確定不留檢修門的永久封堵體灌漿廊道設為城門洞型，斷面尺寸2.8m×2.8m，留設檢修門的封堵體檢修廊道設為城門洞型，斷面尺寸3.8m×3.8m。灌漿廊道在灌漿結束后，用混凝土回填，其強度等級和配合比與封堵體混凝土相同。回填前應將廊道周邊混凝土鑿毛1cm并沖冼干凈。

為了增加封堵體的抗滑穩定，在封堵體底部設Ф25錨桿，錨桿采用梅花型布置，穿過鋼筋混凝土襯砌深入巖石 2.0m，深入封堵體混凝土2.0m，總長為4.0m。

同時為了增加封堵體的抗滑穩定和滲漏，封堵體采用楔形體并設抗滑齒槽，隧洞頂拱和邊墻擴挖形成斜面，斜面坡度1∶3，斜面長3m。抗滑齒槽深度 500mm，槽底寬 1000mm，齒槽邊坡1∶2。以1#支洞封堵體（無檢修廊道）、3#支洞封堵體（有檢修廊道）為例，布置見圖1～3。

3.4 封堵體抗滑穩定驗算

3.4.1 計算公式

根據目前國內外采用的計算方法，封堵體抗滑驗算采用抗剪斷強度公式計算。

式中：K—安全系數；P—水頭的總推力，kN；f—混凝土與巖石之間的抗剪斷摩擦系數；c—混凝土與巖石接觸面的抗剪斷凝聚力；w—封堵體自重，kN；A—與圍巖有效接觸面積；本工程按底板面積+1/2邊墻面積計算。

圖1 封堵體布置圖

圖2 1#封堵體斷面布置圖

圖3 3#支洞封堵體斷面布置圖

3.4.2 計算工況

荷載組合：正常隧洞輸水水頭壓力+閥門關閉水錘壓力+封堵體自重。

3.4.3 設計參數選擇

（1）安全系數：荷載組合，允許安全系數[K]=3.0；

（2）混凝土容重：24.5kN/m3；

（3）摩擦系數f及凝聚力c。

根據中部供水初步設計階段的地勘報告中給定的各類圍巖建議f和c指標見表3，經分析選定：

1#支洞混凝土和巖石摩擦系數 f=0.9，抗剪斷凝聚力c=700kPa；

2#支洞混凝土和巖石摩擦系數 f=1.1，抗剪斷凝聚力c=1100kPa；

3#支洞混凝土和巖石摩擦系數 f=0.9，抗剪斷凝聚力c=700kPa；

4#支洞混凝土和巖石摩擦系數 f=0.9，抗剪斷凝聚力c=700kPa；

5#支洞混凝土和巖石摩擦系數 f=1.1，抗剪斷凝聚力c=1100kPa；

6#支洞混凝土和巖石摩擦系數 f=1.1，抗剪斷凝聚力c=1100kPa；

7#支洞混凝土和巖石摩擦系數 f=1.1，抗剪斷凝聚力c=1100kPa；

8#支洞混凝土和巖石摩擦系數 f=0.9，抗剪斷凝聚力c=700kPa。

3.4.4 計算成果

根據上述計算公式、參數及荷載組合，封堵體抗剪斷計算成果見表4。

從表4計算結果可以看出，在最不利工況下，支洞封堵體的抗滑穩定安全系數均滿足要求。

4 結束語

為了做到封堵體不滑動，不滲水，在工程設計中采用了封堵體三面楔形體的結構，并且設置了抗滑錨桿，封堵體和巖石接觸面接觸灌漿的措施。但在施工過程中，封堵體微膨脹混凝土的配合比、大體積混凝土溫控措施等施工技術也是很關鍵的。

表3 輸水總干線隧洞圍巖抗剪斷試驗采用指標表

表4 封堵體抗剪斷計算成果表