山西省大水網(wǎng)工程無壓輸水隧洞標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計

閆國保

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院，山西太原030024）

山西省大水網(wǎng)工程無壓輸水隧洞標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計

閆國保

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院，山西太原030024）

1 引言

山西省位于黃土高原，屬于黃河中游地區(qū)，水土流失嚴(yán)重。我省大水網(wǎng)的主骨架總體布置為“兩縱十橫”，以從水源豐富區(qū)域向缺水區(qū)域引調(diào)水工程為主。因此，輸水隧洞在引調(diào)水工程中占有重要地位。輸水隧洞的設(shè)計與施工，與工程的投資、進(jìn)度和質(zhì)量都有很大關(guān)系。盡管我們在隧洞設(shè)計與施工中積累了大量經(jīng)驗，但缺乏標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，工程建設(shè)過程中出現(xiàn)了設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、施工技術(shù)措施差異較大等問題，給隧洞的設(shè)計、施工帶來一定的混亂，有些還造成了不必要的浪費。因此，本文根據(jù)我省引調(diào)水工程特點，進(jìn)行引調(diào)水工程隧洞標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計研究。

我們在收集、分析整理山西省已建工程，以及在建的中部引黃、小浪底引黃、東山供水、辛安泉改擴(kuò)建4個骨干工程的輸水隧洞設(shè)計資料的基礎(chǔ)上，通過對隧洞斷面形式、斷面設(shè)計參數(shù)、隧洞支護(hù)設(shè)計參數(shù)、襯砌結(jié)構(gòu)、回填灌漿、排水設(shè)置等的研究，形成了《山西省大水網(wǎng)工程無壓輸水隧洞標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計導(dǎo)則》（下稱《導(dǎo)則》）［1］，作為大水網(wǎng)工程無壓輸水隧洞設(shè)計指導(dǎo)性文件。本文結(jié)合《導(dǎo)則》，介紹大水網(wǎng)輸水隧洞標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計。

2 大水網(wǎng)骨干工程無壓輸水隧洞布置情況

山西省大水網(wǎng)4個骨干工程，輸水線路總長855.96km，其中無壓輸水隧洞總數(shù)量為25座，總長523.8km，占輸水線路總長度的61.19%。大水網(wǎng)4個骨干工程的輸水隧洞，在長度和數(shù)量上均超過了建國以來山西省已建輸水隧洞的總和，詳見表1。

表1 山西省大水網(wǎng)4個骨干工程詳表

3 大水網(wǎng)項目輸水隧洞工程地質(zhì)條件

大水網(wǎng)4個骨干工程輸水線路大多穿越地形復(fù)雜的山區(qū)，輸水隧洞地質(zhì)條件復(fù)雜，圍巖類別多數(shù)為Ⅳ、Ⅴ類，Ⅲ類圍巖的洞段僅占不到20%。輸水隧洞中以巖洞為主，特點是隧洞埋深大、巖性差，有部分洞段在地下水位以下，個別洞段甚至穿越泉域。

3.1 中部引黃工程

沿線地表普遍覆蓋有第四系（Q）低液限粘（粉）土層，多數(shù)地段在基巖面以上覆蓋有第三系（N2）低液限粘土層。沿線出露的基巖地層有太古界變質(zhì)巖，古生界寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系，中生界三疊系。

隧洞圍巖類別Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類，多數(shù)洞段圍巖類別為Ⅳ、Ⅴ類；隧洞洞頂以上埋深20～690m，部分洞段位于巖溶地下水位以下。

3.2 小浪底工程

工程區(qū)沿線發(fā)育和出露的地層有太古界涑水群（A s）、絳縣群（A j），下元古界中條群（P t z），上元古界震旦系中統(tǒng)（Z2）和下統(tǒng)（Z1），古生界寒武系（?）、奧陶系（O）、石炭系（C）、二疊系（P），新生界下第三系平陸群（E2p）及上第三系上新統(tǒng)（N2）、第四系（Q）。

隧洞圍巖類別Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類，多數(shù)洞段Ⅳ、Ⅴ類，少數(shù)洞段為Ⅲ類，隧洞洞頂以上埋深20～820m。巖洞長40.89km，均位于地下水位以下；土洞長11.88km。

3.3 東山供水工程

工程區(qū)沿線發(fā)育和出露的地層有太古界贊皇群，元古界長城系下統(tǒng)，古生界寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系，中生界三疊系，新生界上第三系及第四系。

隧洞圍巖類別Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類，多數(shù)洞段Ⅳ、Ⅴ類，少數(shù)洞段為Ⅲ類，隧洞洞頂以上埋深20～600m。

3.4 辛安泉工程

本區(qū)主要發(fā)育寒武系（?）、奧陶系（O）碳酸鹽巖；石炭系（C）、二迭系（P）、三迭系（T）陸相碎屑巖；上第三系（N）及第四系（Q）松散堆積物等。隧洞圍巖類別Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類，多數(shù)洞段Ⅳ、Ⅴ類，少數(shù)洞段為Ⅲ類，隧洞洞頂以上埋深40～300m。

4 隧洞斷面標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計研究

4.1 斷面型式

大水網(wǎng)工程無壓輸水隧洞根據(jù)地質(zhì)條件采用了不同的施工方法，包括鉆爆法、T B M法、人工開挖和盾構(gòu)法。結(jié)合水力學(xué)、工程地質(zhì)與水文地質(zhì)以及施工方法等因素，經(jīng)分析研究，采用如下4種斷面型式。

（1）對于鉆爆法施工的巖洞段，多數(shù)采用門洞型斷面，因為門洞型斷面易于滿足水力學(xué)條件和方便施工［2］。對于工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件復(fù)雜及洞頂以上外水壓力較大的巖洞段斷面型式，標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計沒有提出要求，建議結(jié)合工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件，進(jìn)行專門研究，例如采用圓形斷面等。

（2）對于T B M法掘進(jìn)的巖洞段，采用圓形斷面，主要考慮了T B M掘進(jìn)設(shè)備的施工特點。T B M法施工在中部引黃和東山供水工程中均有應(yīng)用。

（3）對于鉆爆法施工的土洞段，采用馬蹄形斷面，主要考慮了馬蹄形斷面的受力好的特點。

（4）對于盾構(gòu)法施工的土洞段，采用圓形斷面，主要考慮了盾構(gòu)機(jī)的施工特點。盾構(gòu)法施工在小浪底引黃工程中有應(yīng)用。

4.2 斷面設(shè)計參數(shù)

4.2.1門洞型斷面頂拱中心角

根據(jù)資料統(tǒng)計，四個骨干工程的輸水隧洞門洞型斷面頂拱中心角設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)不盡統(tǒng)一。中部引黃工程全部采用135°中心角，小浪底工程和辛安泉工程全部采用180°中心角，東山供水工程采用180°、150°、120°三種不同中心角。

頂拱中心角是基于工程量、襯砌結(jié)構(gòu)受力和施工要求因素綜合確定的。相同洞寬的隧洞段，頂拱中心角變化太多不利于鋼模臺車襯砌施工。本次研究過程中，經(jīng)過水力計算和襯砌結(jié)構(gòu)計算，初步確定了門洞型斷面的頂拱中心角設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)：隧洞斷面寬度大于或等于3.6m時，頂拱中心角采用180°，小于3.6m時頂拱中心角采用135°。

4.2.2隧洞凈空面積和高寬比

在水力計算過程中，結(jié)合隧洞凈空面積的選取，對隧洞高寬比也進(jìn)行了研究。經(jīng)計算分析，得出將隧洞凈空面積控制在15%～20%、高寬比控制在1.4左右比較合理。計算條件是：頂拱中心角為135°時，水深控制在直墻頂；頂拱中心角為180°時，水深可以適當(dāng)淹沒直墻，以節(jié)省工程量。因此，《導(dǎo)則》提出以下要求。

（1）高寬比應(yīng)在1.0～1.5范圍內(nèi)選取，洞內(nèi)水位變化較大時宜采用大的比值。高地應(yīng)力區(qū)斷面的高寬比應(yīng)與地應(yīng)力條件相適應(yīng)，若水平地應(yīng)力大于垂直地應(yīng)力時，宜采用高度較小而寬度較大的斷面；若垂直地應(yīng)力大于水平地應(yīng)力時，宜采用高度較大而寬度較小的斷面。

（2）應(yīng)根據(jù)隧洞通氣條件確定隧洞凈空面積。通氣條件好，在恒定流情況下隧洞凈空面積比不小于15%，且高度不小于400m m。

4.2.3隧洞斷面寬度

（1）鉆爆法施工的無壓輸水隧洞最小斷面尺寸是本次標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計研究的重點。根據(jù)山西省已建工程統(tǒng)計，采用鉆爆法施工的隧洞最小斷面大多數(shù)為2.5m，個別隧洞最小斷面也有2.0m的，但其單座隧洞長度在1.0km之內(nèi)，而且具有兩個工作面和兩個出渣通道。考慮大水網(wǎng)4個骨干工程的單座隧洞長度大多數(shù)在3km以上，隧洞斷面太小施工難度很大，出渣、通風(fēng)問題比較突出，影響施工進(jìn)度。經(jīng)綜合比較研究認(rèn)為，對于采用鉆爆法施工、鋼模臺車襯砌的長距離輸水隧洞最小凈斷面寬度2.5m是合理的。

因此，《導(dǎo)則》規(guī)定：隧洞橫斷面的最小尺寸除應(yīng)滿足運(yùn)行要求外，還應(yīng)符合施工要求。隧洞斷面最小寬度，對于采用鉆爆法施工、鋼模臺車襯砌的隧洞，最小凈斷面寬度取2.5m。采用掘進(jìn)機(jī)、架鉆臺車等較大型設(shè)備施工時，斷面尺寸應(yīng)通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析確定。

（2）對于2.5m寬度以上的隧洞斷面的過流能力也進(jìn)行了研究，主要是水力計算。經(jīng)過水力計算，不同的流量條件下，需要的斷面寬度不盡相同，由于4個骨干工程的設(shè)計流量相差較大，斷面寬度很難標(biāo)準(zhǔn)化。就是同一工程，由于沿線分水，隧洞斷面寬度也難以統(tǒng)一。本次標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計研究統(tǒng)一了4個骨干工程隧洞水力計算的混凝土糙率，均采用0.014。

4.3 T B M斷面設(shè)計參數(shù)

采用T B M法和盾構(gòu)法施工的隧洞洞徑，其斷面設(shè)計參數(shù)是在水力計算基礎(chǔ)上，結(jié)合采購條件，以滿足輸水要求、盡量統(tǒng)一掘進(jìn)設(shè)備的規(guī)格為原則進(jìn)行研究的。

根據(jù)大水網(wǎng)T B M采購情況，東山供水和中部引黃工程東干T B M段洞徑均采用3.2m，管片厚度0.25m，開挖洞徑3.9m，中部引黃工程總干3#洞T B M段洞徑采用4.3m，管片厚度0.25m，開挖洞徑5.0m。

T B M法施工的管片厚度，是通過萬家寨引黃工程聯(lián)接段、北干線、南干線管片襯砌資料統(tǒng)計分析［3-4］，并按最小施工厚度確定的。引黃南干4#洞采用了厚度為220m m的六邊形管片，由于巖石比較破碎和圍巖側(cè)壓力過大有關(guān)出現(xiàn)了大量裂縫［5-6］。中部引黃和東山供水隧洞沿線地質(zhì)條件復(fù)雜，為避免出現(xiàn)管片裂縫，確定管片厚度為250m m是合理的。

5 隧洞襯砌結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計

5.1 隧洞噴錨支護(hù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計參數(shù)

經(jīng)過對4個項目和我省已建工程資料分析類比，確定的噴錨支護(hù)標(biāo)準(zhǔn)見表2，主要考慮了目前施工人員技術(shù)和設(shè)備的能力的影響。

表2 噴錨支護(hù)設(shè)計參數(shù)

5.2 隧洞襯砌厚度及混凝土指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)

5.2.1襯砌厚度標(biāo)準(zhǔn)

標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計研究中，混凝土和鋼筋混凝土襯砌厚度充分考慮了混凝土的強(qiáng)度、抗?jié)B、外力作用、構(gòu)造要求和施工方法。外力作用包括圍巖壓力、外水壓力等。由于地下水的作用不確定性，標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計主要確定了洞頂以上小于或等于10m的作用水頭的襯砌標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，對位于泉域巖溶地下水位以下、洞頂以上地下水位較高的洞段襯砌標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計參數(shù)未涵蓋。《導(dǎo)則》確定的襯砌標(biāo)準(zhǔn)如下。

（1）對洞頂以上作用水頭小于或等于10m的門洞型巖洞襯砌厚度，分凈寬3.0m以上和凈寬3.0m及以下兩種情況，襯砌厚度標(biāo)準(zhǔn)見表3和表4。

表3 混凝土襯砌標(biāo)準(zhǔn)（凈寬3.0m以上）

表4 混凝土襯砌標(biāo)準(zhǔn)（凈寬3.0m及以下）

（2）鉆爆法施工的圓形隧洞襯砌混凝土厚度采用300m m。

（3）對于馬蹄形土洞，凈寬4.0m及以上，襯砌厚度采用400m m；凈寬4.0m以下襯砌厚度采用300m m。

（4）盾構(gòu)法施工隧洞襯砌按六邊形預(yù)制管片設(shè)計，厚度采用350m m。

（5）T B M法施工的隧洞襯砌按六邊形預(yù)制管片設(shè)計，厚度采用250m m，豆礫石回填灌漿厚度90m m。

對于地下水作用水頭超過10m、且不宜設(shè)置排水孔的隧洞段，襯砌結(jié)構(gòu)難以承受較大外水壓力時，可通過比較，確定采取加大襯砌厚度或?qū)σr砌外圍巖進(jìn)行固結(jié)灌漿的方式，以減小外水壓力對襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的影響。

5.2.2混凝土指標(biāo)要求

隧洞襯砌混凝土標(biāo)準(zhǔn)化要求如下。

（1）素混凝土強(qiáng)度等級C 20，鋼筋混凝土強(qiáng)度等級C 25，預(yù)制混凝土強(qiáng)度等級C 40；抗?jié)B等級W6，濕陷性黃土洞段襯砌混凝土抗?jié)B等級W8。

（2）隧洞進(jìn)、出口段200m范圍內(nèi)混凝土襯砌抗凍等級應(yīng)根據(jù)地區(qū)不同選擇，洞身段抗凍等級F 50。隧洞進(jìn)、出口段抗凍等級：晉北地區(qū)F 150～F 200，晉中地區(qū)F 150～F 100，晉南地區(qū)F 100。

5.3 鋼筋混凝土襯砌配筋率的確定

經(jīng)過對4個項目和我省已建工程資料分析類比，以及不同隧洞斷面尺寸、襯砌厚度，經(jīng)受力分析，確定合理的配筋率。標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計研究中，還研究了改善隧洞襯砌結(jié)構(gòu)受力條件的措施，例如增加45°貼角或修圓墻板間夾角等，以減少配筋量。對于襯砌鋼筋的配置，《導(dǎo)則》規(guī)定如下。

（1）受力筋采用H R B 335級鋼筋，直徑可在16～25m m之間選擇；受力條件、斷面尺寸和襯砌厚度相同的隧洞段，受力鋼筋可選用兩種不同直徑的鋼筋，兩者之間的級差應(yīng)在2m m以上。

（2）受力筋的配筋率不應(yīng)小于0.15%。

（3）分布筋采用H P B 235級鋼筋，其直徑可根據(jù)受力筋的配置情況，在10m m、12m m或14m m范圍內(nèi)選用，間距采用150m m。

（4）包括受力筋和分布筋，襯砌鋼筋含量控制在90～120kg/m3之間。

5.4 其他

5.4.1混凝土襯砌分縫

混凝土分縫是設(shè)計中比較復(fù)雜的問題，目前對分縫的間距及分縫的作用存在不同的看法。根據(jù)已建工程資料統(tǒng)計，伸縮縫間距一般在5～18m之間［7］。《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》（SL 279-2002）［8］規(guī)定澆筑段長度可采用6～12m，強(qiáng)度等級大于C 20時，襯砌分段長度不宜大于12m。

分縫長度除與溫度伸縮有關(guān)外，還與施工方法、澆筑能力等因素有關(guān)，總結(jié)山西省已建工程經(jīng)驗，標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計確定的分縫標(biāo)準(zhǔn)如下。

（1）巖洞襯砌沿洞線每10m設(shè)置一條永久縫，內(nèi)設(shè)橡膠止水。

（2）土洞襯砌沿洞線每隔8m設(shè)一道環(huán)向變形縫，采用明、暗兩道止水。

（3）在地質(zhì)條件明顯變化處和井、洞交匯處、或其他可能產(chǎn)生較大相對變位處，設(shè)置永久縫，并采取相應(yīng)的防滲措施。

5.4.2回填灌漿

在混凝土澆筑和凝結(jié)過程中由于自重作用和收縮，使混凝土與圍巖之間形成縫隙；同時由于巖面開挖的不平整以及局部超挖，也會使襯砌和巖面之間形成縫隙或空腔。只有通過回填灌漿填充頂部的縫隙，才能保證圍巖和襯砌共同受力。標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計參考已建工程的施工經(jīng)驗，確定了以下回填灌漿標(biāo)準(zhǔn)。

（1）回填灌漿的范圍在頂拱中心角100°以內(nèi)，孔距和排距為2m，灌漿壓力可采用0.3MP a。灌漿孔應(yīng)深入圍巖50m m以上。

（2）土洞的回填灌漿宜采用低壓灌漿，灌漿壓力應(yīng)小于0.2MP a。

5.4.3排水設(shè)置

無壓輸水隧洞穿過地下水位較高的區(qū)域時，隧洞襯砌的外水作用是主要荷載之一，為減小外水壓力，常采用的辦法是設(shè)置排水系統(tǒng)。大水網(wǎng)工程標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計規(guī)定如下。

（1）對于不涉及泉域的隧洞，地下水位超過洞頂時，頂拱范圍內(nèi)設(shè)置排水孔，間排距2m。

（2）地下水位低于隧洞時，不設(shè)排水孔。

（3）排水孔的設(shè)置應(yīng)考慮排水對周圍環(huán)境的影響。對于地下水位高、外水壓力大的洞段，為減少工程費用，必須設(shè)置排水孔時，應(yīng)考慮排水對周圍村莊用水和保護(hù)性泉域的影響，并采取必要的工程措施。

（4）設(shè)置排水孔的隧洞，宜在水面以上布設(shè)排水孔。排水孔的間距、排距、孔深應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件分析決定。排水孔的間距、排距可采用3m，孔深可深入巖石3m，應(yīng)保證底板和側(cè)墻的抗浮穩(wěn)定。

6 結(jié)語

大水網(wǎng)無壓輸水隧洞標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計研究具有十分重要的意義，在此基礎(chǔ)上形成的《山西省大水網(wǎng)工程無壓輸水隧洞標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計導(dǎo)則》，在一定程度上規(guī)范了4個骨干工程的隧洞設(shè)計，統(tǒng)一了包括斷面形式、斷面設(shè)計參數(shù)、隧洞支護(hù)設(shè)計參數(shù)、襯砌結(jié)構(gòu)、回填灌漿、排水設(shè)置等的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，并在4個骨干工程中應(yīng)用。沒有明顯變化，說明控制斷面位置相對合適，否則向下游重新選取。

（4）設(shè)計洪水水面線推求

設(shè)計洪水水面線應(yīng)根據(jù)河道沿程比降、流量、跨河建筑物等情況，從下游向上游分段推求。

水面線推算斷面分段原則：

盡可能使斷面間的水力坡度無明顯變化；

當(dāng)河流有支流匯入或流量分出等流量突變時，需在突變位置加設(shè)斷面；

當(dāng)有攔河堰、橋梁等攔（跨）河建（構(gòu)）筑物時，需在堰（橋）上、下增設(shè)斷面；

一般河道推算斷面間距可按3～5倍河寬選取，當(dāng)河道形狀有明顯擴(kuò)寬或縮窄等變化時，變化位置應(yīng)增設(shè)斷面。

當(dāng)河道斷面幾何特征參數(shù)已定時，影響水面線推算的關(guān)鍵參數(shù)是河道的糙率系數(shù)。糙率系數(shù)選擇考慮主要因素有河道岸坡及河床粗糙程度、灘地植被、河槽縱橫形態(tài)的變化等。若有實測洪水資料，可結(jié)合河道現(xiàn)狀縱橫斷面資料，分析反推糙率系數(shù)。若無實測洪水資料，可參照類似河道治理經(jīng)驗或水力計算手冊擬定糙率系數(shù)。

2.3.2地下暗河

縱向設(shè)計主要是隧洞進(jìn)出口水流銜接、隧洞洞身縱坡擬定等。重慶近年實施治理項目地下暗河縱向設(shè)計采取了在隧洞進(jìn)口前布置引水渠銜接水流，洞身縱坡根據(jù)進(jìn)出口高程和水力學(xué)計算分析確定。設(shè)計中存在問題主要是對河道斷面漸變到隧洞斷

通過研究輸水隧洞標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，確定了山西省大水網(wǎng)4個骨干工程無壓輸水隧洞標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計準(zhǔn)則，在一定程度上規(guī)范了隧洞設(shè)計，統(tǒng)一了包括斷面形式、斷面設(shè)計參數(shù)、隧洞支護(hù)設(shè)計參數(shù)、襯砌結(jié)構(gòu)、回填灌漿、排水設(shè)置等的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，并在4個骨干工程中應(yīng)用。

山西省大水網(wǎng)工程；無壓輸水隧洞；標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計

T V 222.5

：A

：1672-2469（2015）09-0094-05

10.3969/j.i s s n.1672-2469.2015.09.030

閆國保（1963年—），男，高級工程師。