延安黃河引水工程楊家山隧洞斷面體型方案研究

薛長青

（陜西水環境工程勘測設計研究院 陜西 西安 710018）

1 概述

延安黃河引水工程從黃河干流右岸延川縣延水關鎮王家渠村提水，經排沙處理后加壓送至楊家山隧洞進口，通過楊家山隧洞輸水至延川縣城東南約2.2km的清澗河右岸高家灣凈水廠，經凈化處理后分兩路支管供水，一路向西北至子長縣工業園區，另一路向西南至延安市寶塔區姚店工業新區凈水廠。楊家山隧洞為延安黃河引水工程的咽喉工程，也是整個引黃工程最長的輸水隧洞，全長11.36km，設計引水流量4.2m3/s，縱比降1/2000，進口高程766.67m，出口高程761.00m。隧洞起點在柏樹坬山塬上，隧洞終點在清澗河左岸坡，與高家灣凈水廠隔河相望。

楊家山隧洞穿越黃河一級支流趙家河和清澗河之間的黃土梁峁，沿線山巒起伏、地形破碎，相對高差100m～150m，河流各支溝有殘留的一、二、三級階地堆積，局部可見小范圍的崩塌滑坡堆積。洞線穿越的地層巖性主要有黃土狀壤土、砂巖夾泥巖等。

2 隧洞斷面體型方案

2.1 隧洞橫斷面形式確定

根據《水工隧洞設計規范》（SL279-2002）要求，隧洞橫斷面形狀與隧洞的用途、地質條件、施工方法、襯砌結構等各種因素相關。本次設計隧洞橫斷面體型主要根據地質條件、襯砌結構和施工難易程度來確定。

2.1.1 地質條件對體形的要求

根據地質勘察報告，楊家山隧洞地質條件較為簡單，沿線無斷層和破碎帶。洞室圍巖以三疊系胡家村組（T3h）砂巖夾泥巖為主，進口段有長約1026m的黃土隧洞，黃土洞段地下水位低于洞底設計高程，基巖洞段地下水位高于洞頂設計高程。隧洞洞室為Ⅲ類圍巖的洞段長9648km，洞室為Ⅳ類圍巖的洞段長375m，洞室為Ⅴ類圍巖的洞段長133m，這三種圍巖占隧洞總長的比例分別為：83.48%、3.31%、1.17%。整個洞段地質條件相對良好，不良地質洞段較少。在地質條件較好時宜采用圓拱直墻式斷面，方便施工。

表1 隧洞橫斷面尺寸設計方案比較表

2.1.2 襯砌結構對體形的要求

從結構要求分析，無壓流隧洞可供選擇的斷面形式主要有：圓拱直墻型、馬蹄形等形式。無壓隧洞在地質較差的情況下采用方圓型可能會出現底板或邊墻的穩定問題，改為圓形或馬蹄形對圍巖穩定有利。由于楊家山隧洞大部分圍巖地質條件良好，故經過結構計算，襯砌25cm素砼即可滿足受力要求。少數地質條件較差洞段或土洞段在支護做好的情況下，可考慮采用圓拱直墻型。

2.1.3 施工條件對體形的要求

從施工角度來說，方圓型斷面易于滿足水力條件和方便施工；圓形斷面對施工運輸有影響，需要墊片或改變開挖斷面；長距離輸水隧洞若采用馬蹄形斷面，開挖時按方圓型施工需增大尺寸，否則襯砌為馬蹄形后難以滿足施工要求。對于本工程，為了加快進度，節省投資，建議采用方圓型施工開挖斷面。

2.1.4 斷面形式確定

經過上述綜合分析，結合陜西省絕大多數已成小斷面長距離輸水隧洞的實踐經驗，楊家山無壓隧洞宜采用圓拱直墻式斷面，方便施工，洞內水力條件容易滿足，且便于進出口連接。洞身圓拱中心角選用180°，并以此進行結構計算。

2.2 隧洞橫斷面尺寸方案

2.2.1 擬定原則

根據《水工隧洞設計規范》（SL279-2002），輸水隧洞的橫斷面尺寸，除應滿足運行條件下的過流能力外，還應符合施工要求。隨著施工機械的發展，施工技術的進步，縮短了施工工期，減少了建設期利息，經濟效益明顯。故在此次設計橫斷面尺寸時，充分考慮在不同施工條件下，不同地質情況下，不同襯砌條件下，通過技術經濟分析確定橫斷面尺寸的合理性。根據本工程的輸水特點，橫斷面尺寸的控制因素主要在輸水流量上體現，而不是在施工方面體現，為了最大限度地滿足隧洞結構要求，減少一次性投資，給工程帶來最大效益，應對斷面方案進行比選。

2.2.2 隧洞工程類比

在設計初期按原可研的設計流量進行設計，初步擬定了橫斷面尺寸B×H＝2.5m×3.05m；隨著設計工作的深入，以及審查批復的可研工程規模，通過對引紅濟石工程的關山隧洞、馬欄河引水工程馬欄隧洞的參觀學習、咨詢探討，采用斷面尺寸B×H＝2.5m×3.05m。通過水力計算復核，可滿足本次設計流量4.2m3/s的過流要求。

馬欄隧洞是陜西省巖石小斷面引水隧洞中較長的一個。由于洞線長、斷面小、埋深大、工作面少，給供電、通風、出渣、通訊、高壓風水管路等增加了很大難度。該隧洞開挖斷面B×H＝2.6m×2.5m主要是按照施工機具和施工斷面位置要求設計的。對于長距離小斷面過水隧洞來說，設計是否合理的控制因素是在該斷面尺寸條件下，隧洞施工是否可以安全、高效實施。較小的施工斷面既會限制洞內施工的機械化程度及作業人數，又會影響洞內的排煙效果及出渣進料的能力。

2.2.3 橫斷面尺寸方案比選

根據《水利水電工程施工組織設計規范》（SL303-2004），在滿足不同施工設備，合理布置風、水、管、路（簡稱三管兩路）后，繪制施工外包絡圖，根據外包絡圖確定最小施工斷面尺寸。通過對前期工作的總結，以及借鑒馬欄隧洞的實踐成果，現提出三個最小施工斷面尺寸，分別為B×H＝1.5m×1.8m、1.8m×2.4m、2.5m×3.05m。斷面形式采用圓拱直墻式，施工采用鉆爆法。

對其進行經濟技術比較，選擇出較合理的設計橫斷面。方案比較見表1。

方案Ⅰ（B×H＝1.5m×1.8m）

優點：工程量小，投資少；

缺點：受斷面尺寸制約，施工風、水、管路很難布設，只能運用效率極低的人工開挖、裝渣及運輸方式。施工難度很大、施工安全性較差，平均日進尺很低，工期較長，運行管理不便。

方案Ⅱ（B×H＝1.8m×2.4m）

優點：工程開挖量居中，投資居中；

缺點：受斷面尺寸制約，只能運用效率較低的機械施工方式，施工風、水、電及出渣軌道布設比方案Ⅰ優化，平均日進尺參數提高，故工期縮短，管理運行條件改善。

方案Ⅲ（B×H＝2.5m×3.05m）

優點：因施工斷面增大，可采用效益較高的機械施工，施工難度相應降低，平均日進尺大幅度增加，工期縮短，可提高發揮工程效益。

缺點：工程開挖量大；投資增加較多。

推薦方案。通過對比，由于方案Ⅰ設計隧洞橫斷面很小，無法實施高效率設備作業，施工風、水、電、排煙、軌道布置困難，施工難度很大，故從施工角度最先排斥推薦方案Ⅰ。由于方案Ⅱ施工相對困難，施工工藝復雜，工程投資優勢不明顯，且無法滿足工程總體工期要求。方案Ⅲ斷面增大，可運用高效率施工機械，施工安全性較高，投資增加不大，且可滿足整體工程工期。由于楊家山隧洞為延川黃河引水工程的咽喉工程，控制著整個工程進度，采用大斷面，可提前發揮工程效益，故本次設計采用方案Ⅲ（B×H＝2.5m×3.05m）作為設計橫斷面尺寸。

3 結語

楊家山隧洞為延安黃河引水工程的咽喉工程，也是延安引黃工程最長距離的輸水隧洞。根據隧洞沿線的地質條件、襯砌結構和施工難易程度對隧洞體型的要求，并結合已成長距離輸水隧洞的實踐經驗，經綜合分析比較，楊家山無壓隧洞宜采用圓拱直墻式斷面。通過經濟技術方案比選，楊家山隧洞設計橫斷面尺寸采用大斷面方案（B×H＝2.5m×3.05m），可極大縮短施工工期，使延安黃河引水工程提前發揮工程效益，以盡早解決延安市一區四縣六個工業園區用水的燃眉之急。陜西水利