山西中部引黃工程中隧洞的設(shè)計(jì)淺析

楊建明

（山西省柏葉口水庫建設(shè)管理局，山西 太原 030002）

隧洞在公路、鐵路等工程中應(yīng)用十分廣泛，近些年大型引調(diào)水工程中也開始廣泛應(yīng)用。山西中部引黃工程是呂梁地區(qū)主要的引水項(xiàng)目，工程長約385 km，99%的工程為隧洞，主要為呂梁山區(qū)供水，該地區(qū)位于黃土高原，施工地理環(huán)境較為復(fù)雜，為合理有效的布設(shè)輸水線路，隧洞的應(yīng)用必不可少。本文根據(jù)工程特點(diǎn)，對(duì)隧洞方案進(jìn)行探討。

1 洞線布置方案比選

經(jīng)過多次現(xiàn)場踏勘、定線，中部引黃線路由于受地形、地質(zhì)條件的限制，輸水線路大的方案比選余地不大，線路西側(cè)主要為煤礦，而在東側(cè)地形比較高，隧洞支洞條件差，根據(jù)地形、地質(zhì)條件提出總干輸水線路僅在離石北至中陽段分別從離石東側(cè)（方案一）和西側(cè)經(jīng)過（方案二）的兩個(gè)方案進(jìn)行了比選。

方案一：輸水線路在臨縣的東南側(cè)繞開礦山開采邊界后，沿北川河西岸避開方山及離石區(qū)的煤礦后，在離石區(qū)西蜀巴采用倒虹吸跨越北川河，并從太中銀鐵路橋下穿過后，在北川河?xùn)|岸進(jìn)入總6#洞，總6#洞在離石及中陽東部繞開礦山開采邊界后，至中陽縣邢家?guī)X分為東西干。比較范圍內(nèi)總干線長40.84 km，東干長10.32 km，西干長12.21 km，總長63.47 km。

方案二：輸水線路在臨縣東南側(cè)繞開煤礦后，向西從方山縣兩煤礦之間穿過后，沿方山及離石煤礦區(qū)西側(cè)邊界向南至柳林縣梁家會(huì)村，在梁家會(huì)村西設(shè)橋式倒虹吸跨越三川河后，至中陽縣馮家坡分為東西干。在比較范圍內(nèi)總干長45.08 km，東干18.84 km，西干長8.06 km，總長71.22 km。

經(jīng)過比選，方案一在工程投資、施工難度、運(yùn)行管理等方面均具有明顯優(yōu)勢，故選用方案一。該輸水工程整體布置原則是一次提水，整體為無壓輸水隧洞。各干線的特性見表1。

表1 輸水線路特性表

2 隧洞斷面形式

2.1 隧洞縱坡選擇

根據(jù)運(yùn)用的要求、沿線各種建筑物底高程銜接為輸水工程的隧洞的縱坡的設(shè)計(jì)原則，同時(shí)結(jié)合施工及后期檢修條件、沿程分水設(shè)施、不淤流速、投資、管理和運(yùn)行等因素，通過比較分析選取技術(shù)經(jīng)濟(jì)的縱坡。設(shè)計(jì)最大流量為23.55 m3/s，縱坡i=1/2500～1/3000。

2.2 斷面形式

隧洞斷面的設(shè)計(jì)，符合隧洞過水能力的條件。針對(duì)該輸水工程的特點(diǎn)，過水設(shè)計(jì)是預(yù)留水面線上部分面積應(yīng)大于整個(gè)斷面面積的15%，凈空大于0.4 m，總干頂拱角度150°～180°，其他拱角度135°。

根據(jù)地質(zhì)條件，斷面形狀采用城門洞、馬蹄形和圓形三種斷面。土洞段采用馬蹄形斷面；TBM 施工段采用底部帶軌道平臺(tái)的圓形斷面；地下水位較高且無法排水的地段采用圓形斷面；其余部分采用城門洞型斷面。

隧洞斷面在滿足過流能力及施工要求的前提下，盡量采用最小的斷面面積。西干線、交汾靈支線以及蒲大支線的隧洞斷面均為施工條件控制斷面。隧洞典型斷面形式見表2。

表2 輸水工程典型斷面形式表

3 隧洞水力計(jì)算

3.1 水力學(xué)計(jì)算

隧洞設(shè)計(jì)計(jì)算公式：

式中：糙率n 值取0.014。

輸水工程典型斷面水力要素計(jì)算成果見表3。交汾靈隧洞有設(shè)計(jì)流量和特大干旱年調(diào)水流量兩個(gè)流量。

3.2 不沖不淤流速計(jì)算

允許不沖流速＜8 m/s（C25 鋼筋混凝土襯砌），不淤流速計(jì)算公式：

式中：根據(jù)汛期平均含沙量ρ 取1.89 kg/m3；由義門站資料可查得，粒徑為0.057 mm 查得為1.236×10-3m/s。

通過驗(yàn)證公式，得到 v"=0.48 m/s～0.66 m/s。由表 1 看出，若泵站運(yùn)行最小流量為2.95 m3/s，經(jīng)計(jì)算得到輸水隧洞流速最小0.78 m/s，不淤流速都小于設(shè)計(jì)流速。輸水工程典型斷面水力要素計(jì)算成果見表3。

表3 輸水工程典型斷面水力要素計(jì)算成果表

3.3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

輸水隧洞結(jié)構(gòu)計(jì)算采用北京理正軟件設(shè)計(jì)研究程序《巖土5.5，隧洞襯砌設(shè)計(jì)程序》計(jì)算，計(jì)算斷面從總干線及各支線隧洞中選取代表性的典型斷面。

作用在襯砌上的荷載按作用狀況分為基本荷載與特殊荷載兩類。計(jì)算荷載主要有：圍巖壓力、外水壓力、彈性抗力、襯砌自重、灌漿壓力等，計(jì)算時(shí)采用各自最不利的組合情況。

4 隧洞支護(hù)和襯砌

4.1 城門洞形隧洞

圍巖類別為Ⅱ～Ⅴ類采用鉆爆法施工的洞段，隧洞斷面采用城門洞形，支護(hù)及回填灌漿方式如下：

Ⅱ類圍巖：除底板外，噴C20 混凝土5 cm 厚；底板及側(cè)墻C20 素混凝土襯砌。

III 類圍巖：除底板外，噴C20 混凝土8 cm 厚；頂拱范圍內(nèi)局部不穩(wěn)定巖塊采用2.0 m 長φ25 隨機(jī)錨桿錨固；全斷面C25 鋼筋混凝土襯砌，頂拱100°范圍內(nèi)回填灌漿，灌漿壓力0.2 MPa。

IV 類圍巖：除底板外，噴C20 混凝土10 cm 厚；頂拱范圍內(nèi)設(shè)φ25 系統(tǒng)錨桿，長2.0 m，間排距1.0 m，梅花型布置；全斷面C25 鋼筋混凝土襯砌，頂拱100°范圍內(nèi)回填灌漿，灌漿壓力0.2 MPa。圍巖破碎地帶洞寬3 m 以下時(shí)采用14 工字鋼做鋼拱架超前支護(hù)，洞寬3 m 以上（包括3 m）時(shí)采用20 a 工字鋼做鋼拱架超前支護(hù)。

V 類圍巖：除底板外，內(nèi)掛 φ8 鋼筋網(wǎng)（150 mm×150 mm），噴C20 混凝土12 cm 厚；頂拱范圍內(nèi)設(shè)φ25 系統(tǒng)錨桿，長2.0 m，間排距1.0 m，梅花型布置；全斷面C25 鋼筋混凝土襯砌，頂拱100°范圍內(nèi)回填灌漿，灌漿壓力0.2 MPa。局部地段根據(jù)圍巖破碎程度，洞寬3 m 以下時(shí)采用14 工字鋼加φ25 超前錨桿或14 工字鋼加φ42 超前小導(dǎo)管超前支護(hù)，洞寬3 m 以上（包括3 m）時(shí)采用20 a 工字鋼加φ25 超前錨桿或20 a 工字鋼加φ42 超前小導(dǎo)管超前支護(hù)。

4.2 馬蹄形隧洞

土洞段隧洞斷面采用馬蹄形斷面，支護(hù)方式為：除底板外，內(nèi)掛 φ8 鋼筋網(wǎng)（150 mm×150 mm），噴 C20 混凝土 12 cm 厚；全斷面C25 鋼筋混凝土襯砌，頂拱100°范圍內(nèi)回填灌漿，灌漿壓力0.2 MPa。局部土體松散地段，洞寬3 m 以下時(shí)采用14工字鋼加φ42 超前小導(dǎo)管超前支護(hù)，洞寬3 m 以上（包括3 m）時(shí)采用20 a 工字鋼加φ42 超前小導(dǎo)管超前支護(hù)。

4.3 圓形隧洞

對(duì)地下水位高且不具備排水的隧洞段采用圓形斷面，共有4 段：①總干3#隧洞總77+040.9～總124+614.2 段，②總干4#隧洞總172+504.12～總177+584.09 段，③東干隧洞東0+765.92～東2+496.7 段，④東干隧洞東8+700～東28+763 段。

對(duì)于洞頂埋深比較大，采用鉆爆法施工，施工支洞條件差的洞段，選擇TBM 施工。TBM 施工洞段共兩段，其一為總干3#隧洞總77+040.9～總118+395.8 段，其二為東干隧洞東8+700～東 28+763.4 段。

5 襯砌分縫及止水

5.1 巖洞段

沿洞線每隔10 m 設(shè)一道環(huán)向變形縫，其底拱和邊、頂拱的環(huán)向縫不得錯(cuò)開。變形縫采取可靠的防滲措施，采用651 型橡膠止水帶止水，縫內(nèi)充填閉孔泡沫塑料板，縫口采用瀝青砂漿封堵。

5.2 土洞段

沿洞線每隔8 m 設(shè)一道環(huán)向變形縫，其底拱和邊、頂拱的環(huán)向縫不得錯(cuò)開。變形縫采取可靠的防滲措施，設(shè)明、暗兩道止水，采用651 型橡膠止水帶止水，縫內(nèi)充填閉孔泡沫塑料板，封口采用瀝青砂漿封堵。

5.3 TBM 施工管片襯砌洞段

管片襯砌體型較為復(fù)雜，在單位洞長出現(xiàn)的接縫遠(yuǎn)較現(xiàn)澆混凝土襯砌多，除環(huán)向縫外，縱縫形式也遠(yuǎn)較現(xiàn)澆混凝土襯砌縱縫復(fù)雜，由于管片襯砌為預(yù)制結(jié)構(gòu)拼裝而成，接縫接觸程度好壞與TBM 掘進(jìn)線路偏差、管片安裝精度關(guān)系非常密切。任何一個(gè)環(huán)節(jié)做不好，均可能對(duì)止水效果產(chǎn)生很大不利影響。

管片襯砌止水系統(tǒng)主要分為豆礫石回填灌漿層、橡膠止水條、防水膨脹砂漿三大部分。在掘進(jìn)機(jī)施工洞段，預(yù)制鋼筋混凝土管片與巖面間的空隙采用豆礫石充填并進(jìn)行回填灌漿，以達(dá)到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和防滲止水效果。由于豆礫石層的回填灌漿并非一次連續(xù)灌注而成，而是采用分段、分序進(jìn)行，即使豆礫石灌漿層自身強(qiáng)度及密實(shí)性好，仍會(huì)存在分序灌漿時(shí)產(chǎn)生冷縫，該縫便成為滲漏通道，故豆礫石回填灌漿層只能起到部分止水作用。為此，管片襯砌增加橡膠止水條、防水膨脹砂漿兩道止水措施。

6 結(jié)語

通過分析隧洞的結(jié)構(gòu)特征和水力學(xué)條件計(jì)算，得到中部引黃工程提水方式采用一次性提水，整體為無壓輸水隧洞。并通過不同地質(zhì)條件及其受力分析，開挖工藝選用鉆爆法和TBM盾構(gòu)，隧洞斷面形式采用城門洞、馬蹄形和圓形這三種的設(shè)計(jì)成果。現(xiàn)中部引黃工程已部分實(shí)現(xiàn)試通水，證明該工程水工隧洞是符合實(shí)際情況的，設(shè)計(jì)過程和設(shè)計(jì)成果可為類似工程提供可行經(jīng)驗(yàn)。