臨汾市引沁入汾浮山供水工程隧洞工程的設計

摘 要：文章根據隧洞工程設計的原則，從基礎地質資料入手，分別對巖洞及土洞從隧洞斷面、支護、襯砌、灌漿、防滲等方面進行了設計。

關鍵詞：隧洞；地質；巖洞；土洞；設計

1 工程概述

臨汾市引沁入汾浮山供水工程，是和川取水輸水工程的配套工程，供水工程從草峪嶺隧洞出口取水，經總干渠（草峪嶺隧洞出口到浮山縣城北劉村溝止）及浮山干渠（從主線路出口聯合建筑物起到張狼溝止，）至北王鄉，全長20.231km，其中隧洞總長19.692km，占供水線路總長97.34%。

2 隧洞工程設計

根據《調水工程設計導則》（SL430-2008），確定隧洞工程等別為Ⅳ等，建筑物級別為4級，建筑物防洪標準為10年一遇設計，30年一遇校核。由于隧洞沿線較長，而郭店隧洞樁號0+122～13+090，長12968m，圍巖分類涵蓋了本工程所有分類，即Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖及土洞工程，故文章僅就郭店隧洞設計進行了論述。

2.1 工程地質

郭店輸水隧洞從交口河暗渠至唐閣河，隧洞長12968m，其中：巖石隧洞長12820m（樁號0+122～12+942），土質隧洞長148m（樁號12+942～13+090）。設計底高程850.715～845.478m。隧洞地面高程857～1102m，隧洞埋深15.011～253.528m，洞軸向S35°W。

2.1.1 基巖隧洞段。

（1）樁號2+250～2+719，5+478～7+829，長2820m，隧洞圍巖類別總體為Ⅲ類。洞頂圍巖厚度72.63～110.75m，圍巖厚度大于三倍洞徑。隧洞位于地下水位以下5.77～25.53m。但受節理裂隙切割，局部圍巖穩定性差，應及時噴錨支護。（2）樁號0+826～1+421，3+875～5+478，7+829～9+831，10+953～12+010，長5257m，隧洞圍巖類別總體為Ⅳ類。洞頂圍巖厚度27.09～112.78m，圍巖厚度大于三倍洞徑。隧洞段位于地下水位以下5.77～25.53m。圍巖穩定性差。部分洞段處于地下水位以下，易產生冒頂和滑塌，應及時噴錨支護。隧洞穿過裂隙發育地層時，施工中局部可能產生涌水、突水現象，需考慮封閉和排水措施。（3）樁號0+152～0+826、1+421～2+250、2+719～3+875、9+831～10+953、12+010～12+942。斷層破碎帶和局部淺埋段圍巖為Ⅴ類，屬極不穩定巖體。洞頂圍巖厚度8.73～96.42m，該隧洞段位于水位以下。建議對本段圍巖進行鋼支撐支護，并及時加固、襯砌處理。對局部淺埋洞和斷層破碎帶段，施工時要特別注意施工安全，要及時支護。尤其是隧洞巖層發育“X”節理，易產生錐體墜落，施工時要及時噴混凝土，系統錨桿加鋼筋網，并澆混凝土襯砌。

2.1.2 土質隧洞洞身段。樁號12+942～13+070段：地層為中更新統（Q2），低液限粉土和低液限粘土。隧洞黃土圍巖分為乙類黃土，隧洞位于地下水位以上，洞頂上覆土層厚度4.19～25.63m，成洞條件較好。由于原生結構垂直節理和次生構造節理裂隙之間的組合關系，會造成拱頂裂縫掉塊及側墻楔形剪切體滑移體、塌落。在施工過程中，將洞底夯實，應注意洞簾和邊坡的穩定性，頂拱的坍塌問題。建議采取邊開挖邊防滲襯砌，邊回填砌體外圍空隙的緊湊施工程序，保證襯砌結構強度和防滲效果。

2.1.3 隧洞涌水量。巖質隧洞段均在地下水位以下，洞頂以上水位高5.77～25.53m。巖層的滲透系數為k=0.002～0.493m/d，巖層的透水率為0.2～45.54Lu，具微～中等透水性。根據隧洞涌水量初步估算，參考沁河灌區總干中段中最長的七里坡巖質隧洞涌水量計算，計算得總涌水量為3221.19m3/d。但因輸水沿線遇到的NNW和NWW方向張性，張扭性導水斷層帶，可能出現集中滲水，應引起重視。

2.2 郭店隧洞工程設計

2.2.1 巖洞設計。

（1）斷面設計。隧洞橫斷面為門洞型斷面，采用最小施工斷面，底寬2.5m，頂拱中心角采用135°，頂拱半徑1.35m，直墻高2.2m，洞高3.035m。

（2）一般支護設計。根據國家標準《錨桿噴射砼支護技術規范》（GBJ86-85）中有關支護參數建議表，類比已建成的草峪嶺隧洞及和川取水輸水工程隧洞的支護參數，采用支護參數見表1。

在實際施工時，應根據監控量測數據和緊跟開挖面地質詳勘的結果，修正初期支護類型和參數。

（3）特殊地段支護設計。當隧洞遇斷層破碎帶、淺埋破碎帶、X節理發育帶等穩定性極差的特殊地段時，依次選用以下支護措施。

鋼支撐：鋼支撐采用14a工字鋼制作，排距為1m，施工時根據圍巖條件進行調整，拱架之間采用φ20鋼筋進行連接，拱架鎖角錨桿結合系統錨桿布設。

超前錨桿：長3m，循環搭接長度0.5m，掌子面外露0.5m，與下部橫向架設的型鋼拱架焊接。超前錨桿布置在頂拱部位，間距采用0.4m。超前錨桿的有效長度為2m。

（4）襯砌設計。隧洞Ⅲ類、Ⅳ類圍巖采用300厚C25鋼筋砼襯砌，Ⅴ類圍巖采用350厚C25鋼筋砼襯砌，抗滲等級為W6，隧洞進、出口段200m范圍內砼襯砌抗凍等級為F150，洞身段抗凍等級F50。隧洞襯砌施工采用先側墻及頂拱、后底板的順序。

隧洞襯砌結構計算采用“隧洞襯砌內力計算程序”，程序采用的基本方法是將襯砌的計算化為非線性常微分議程組的邊值問題，采用襯砌邊值問題的數值解法，并結合水工隧洞的洞型和荷載特點，以計算隧洞襯砌在各主動荷載及其結合作用下的內力和位移。對襯砌上的彈性抗力分布不作任何假定，由程序經迭代計算自動算出。

由計算結果可知，考慮到初期支護按“新奧法”施工，且增加鋼筋網、錨桿等支護措施后，Ⅲ類、Ⅳ類及Ⅴ類圍巖隧洞襯砌最大壓應力及最大拉應力均能滿足要求。

（5）襯砌的分縫。沿洞線的澆筑分段長度考慮澆筑能力和溫度收縮等因素并參照同類工程，鋼筋混凝土襯砌分段長度采用10m，各段間設伸縮縫一道，縫寬2cm，縫內設651型橡膠止水帶一道，聚乙烯閉孔泡沫板填縫。砼襯砌中的縱向施工縫，縫的接觸面必須進行鑿毛沖洗處理。

（6）回填灌漿。鋼筋混凝土襯砌的頂拱必須進行回填灌漿，回填灌漿的范圍在頂拱中心角135°以內，排距均為2m，灌漿壓力可采用0.3MPa。灌漿孔應深入圍巖50mm以上。

2.2.2 土洞設計

郭店隧洞12+942～13+090為土洞段，長148m。由于該段土洞地層巖性為第四系中更新統（Q2）壤土，具弱濕陷性，故該段土洞設計按濕陷性土基考慮。

（1）斷面設計。土洞橫斷面為馬蹄型斷面，采用最小施工斷面，凈寬2.6m，凈高2.6m。

（2）支護設計。由于濕陷性黃土的自穩性很差，且土層具有水平層理，施工中頂拱部位容易坍塌，因此，在頂拱180°范圍內布設超前小管棚。小管棚采用φ42mm的鋼管制作，超前管棚環向間距為30cm，布設于鋼拱架工字鋼腹部。每排管棚長度為3m，每四榀鋼拱架之間可預先施工1組管棚，并保證每級管棚之間相互搭接。管棚每根鋼管的外傾角為8°～9°。鋼拱架采用全封閉式，間距為0.6m，在鋼拱架腹板中部焊接φ8@150mm鋼筋網片，然后采用干噴法噴射120厚C20混凝土。為有效降低隧洞的沉陷變形，在底拱開挖并架設完鋼拱架后，立即采用低流態干硬性C20砼分兩層夯填。

（3）襯砌設計。隧洞襯砌采用300厚C25鋼筋砼，抗滲等級為W8，隧洞出口段200m范圍內砼襯砌抗凍等級為F150，洞身段抗凍等級F50，為增強砼抗裂、抗滲性能，在砼中摻加TMS防水劑，提高砼的密實度和抗滲性能。土洞段與巖洞交界處，土洞段支護、襯砌及防滲型式均伸入巖洞5m。土洞襯砌結構計算方法同巖洞襯砌計算，由于該段土洞位于地下水位以上，故不考慮外水壓力。計算結果滿足要求。

（4）防滲設計。鋼筋混凝土襯砌施工前，將一次支護表面整平后全斷面鋪設土工布緩沖層，土工布規格為400g/m2，土工布鋪設完畢后全斷面鋪設復合土工膜，土工膜規格為700g/m2。

鋼筋混凝土襯砌沿洞線的澆筑分段長度采用8m，各段間設伸縮縫一道，縫寬2cm，縫內設651型橡膠止水帶一道，聚乙烯閉孔泡沫板填縫。砼襯砌中設4條縱向施工縫，接縫處必須進行鑿毛沖洗處理，并增設651型橡膠止水帶一道。

（5）灌漿。鋼筋混凝土襯砌的頂拱必須進行回填灌漿，回填灌漿的范圍在頂拱中心角180°以內，排距均為2m，灌漿壓力應小于0.2MPa。

3 結束語

本工程實施后，可向山西中強煤焦電化材一體化工業園區提供工業用水950萬立方米，供水保證率為95%；每年可為北王農業灌溉區提供農業用水630萬立方米，灌溉保證率為50%。