某工程排洪隧洞、輸水隧洞斷面結構和尺寸的優化設計

田俊佳，王金宏

(云南創研勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650228)

1 工程概況

某排洪、輸水工程位于山區河谷地帶，由兩個進口位置不同的、獨立的無壓隧洞，和一個匯合后的無壓隧洞組成，平面布置見圖1。排洪隧洞長0.34 km，設計底坡1/50，設計最大過流量11.0 m3/s(設計洪水經調節后的下泄流量)，隧洞斷面為圓拱直墻形式，頂拱中心角180°，C25鋼筋混凝土襯砌，厚30 cm，斷面凈寬1.5 m、凈高1.8 m，襯砌結構內側面布置鋼筋，底板沿結構底部、上表面分別布置下層、上層鋼筋。輸水排洪隧洞長1.60 km，設計底坡1/150，設計輸水流量0.6 m3/s，排洪流量4.65 m3/s，合計5.25 m3/s，斷面型式、結構、尺寸同排洪隧洞。

圖1 隧洞平面布置示意圖Fig. 1 Schematic diagram of tunnel layout

兩隧洞與匯合洞彎道連接，轉彎半徑為10.8 m(大于洞寬1.5 m的5倍，三個隧洞均屬于低流速隧洞)，設計底坡0。匯合隧洞長86 m，設計底坡1/80，設計最大過流量16.5 m3/s，隧洞斷面為圓拱直墻形式，頂拱中心角180°，C25鋼筋混凝土襯砌，厚35 cm，斷面凈寬1.8 m、凈高2.4 m，襯砌結構內側面布置鋼筋，底板沿結構底部、上表面分別布置下層、上層鋼筋。

隧洞施工安全措施，初期支護采用鋼拱架、噴C20細石混凝土(厚10 cm)，拱架、噴錨支護緊跟掌子面(常規地質條件，無支護段長不超過10 m，地質條件差時，不超過5 m)。Ⅲ類圍巖直接噴混凝土，Ⅳ類圍巖立鋼拱架(間距1.0～1.2 m)、噴混凝土，Ⅴ類圍巖立鋼拱架(間距0.8 m)、噴混凝土，地質條件差的局部地段，在頂拱鋼拱架外沿軸向打超前錨桿(間距20 cm)、仰角5°，和垂直于軸向的、扇型布置的系統錨桿(1個斷面3根夾角45°、或2根夾角60°，交替)，立鋼拱架(間距0.8～0.6 m)、噴混凝土；不打超前錨桿的洞段，立拱架前掛網。鋼拱架分為三段，直墻的立柱左右各一段，頂拱圓弧一段，立柱安裝、固定好后，架設、安裝頂拱鋼支撐，與立柱上端的墊板用螺栓連接。立柱下端設鎖腳錨桿，上端設定位錨桿，詳見圖2。

圖2 Ⅳ、Ⅴ類圍巖隧洞結構和支護斷面圖Fig.2 Cross-section of tunnel structure of IV and V surrounding rock and support

2 隧洞斷面結構和尺寸的優化設計及施工措施

輸水排洪隧洞從進口、匯合洞出口兩端頭施工，由于隧洞較長、且轉彎，洞內通風不好，需要大功率大斷面的風機供風；斷面小，只能等1個車輛進出后，另1個車輛才能進入，運輸距離長、外面的車輛等候時間長，斷面尺寸對于施工作業來說，顯得比較狹窄。為控制工程量，不設置錯車道。1個作業面的施工進尺，從最初的一天3炮10 m，到后來一天1炮2.0～3.5 m，影響施工進度和工期。遇到特殊地質情況，需花一天時間打超前錨桿。

設計時選擇基本尺寸的小斷面隧洞(控制工程量和投資)，施工時需要尺寸大一些的斷面以便于操作，二者形成了矛盾。尤其是對下一步襯砌混凝土澆筑完畢、養護好、驗收后的回填灌漿工作來說，作業面更加狹小。

鑒于以上原因，結合隧洞斷面開挖施工過程中出現的問題，設計方在保持基本設計斷面尺寸、主要工程量不變的情況下，對排洪隧洞、輸水隧洞斷面做了結構和尺寸的優化設計。雖然匯合隧洞不存在斷面尺寸問題，考慮到斷面結構尺寸能稍微大一點，有利于今后工程管理，檢修維護時的通風、作業，對也其進行了優化設計。

優化設計主要有以下幾點：

1)調整布置于鋼拱架外側的、順軸向的HRB335φ20 mm聯系鋼筋位置，由于開挖好的斷面不光滑、不規整，幾榀拱架間如果按原設計拉通布置聯系鋼筋，需要鑿除局部突出的巖石尖角和凸出部分，一方面增加了初期支護的鑿巖時間，不符合快支護、早成環、早封閉、少擾動的原則，一方面該空間不屬于工程結構范圍，鑿出來的空間下一步需要澆灌混凝土填滿。因此，設計提出聯系、穩定鋼拱架的鋼筋位置，由施工人員根據實際情況確定：

(1)如果拱架外側有空間，可以按原設計從外壁拉通布置、焊接；

(2)如果拱架外側沒有空間，兩榀拱架間有巖石尖角和凸出部分，凸出部分不超過40 mm，不予鑿除，在兩榀工字鋼的內緣焊接聯系鋼筋，可以使用短鋼筋；

(3)如果拱架外側沒有空間，凸出部分超過40 mm、屬于欠挖，需給予鑿除(將凸出部分控制在40 mm以內)，再將聯系鋼筋布置在拱架內側，可以使用短鋼筋。每個橫斷面的聯系鋼筋，綜合外側、內側均勻布置，根數只可增加，不可減少。

從已開挖出來的幾段斷面來看，普遍存在超挖，因此，外圈尺寸內(兩側和頂拱)聯系鋼筋的空間≤20 mm的范圍不作為設計硬性要求的、必須開挖的尺寸，要求施工單位根據前一施工斷面的開挖情況，按照重地質、少擾動(少藥量)、弱爆破、短進尺的原則，掌握洞挖的炮眼的布置和間距、數量、深度、傾斜角度，用藥量的多少，嚴格控制開挖量和開挖尺寸。

2)初期支護工字鋼型號，排洪、輸水隧洞從“普工14#”調整為“普工12#”，匯合隧洞從“普工16#”調整為“普工14#”，拱架間距根據隧洞地質情況，看是否調整、加密(間距縮短約20 cm)，在保障施工安全的基礎上，盡量不超工程量。

工字鋼型號尺寸調整后，外邊緣尺寸不變，內邊緣處可留出20 mm的空間，即可布置聯系鋼筋。

3)隧洞洞身C25鋼筋混凝土結構尺寸，底板位置、襯砌厚度不變，側墻、頂拱整體向外圍擴大20 mm一圈，優化后排洪、輸水隧洞斷面凈寬1.54 m、凈高1.82 m，空間增加0.09 m2，占原面積2.46 m2的3.6 %；匯合隧洞斷面凈寬1.84 m、凈高2.42 m，空間增加0.117 m2，占原面積3.97 m2的3.0 %。

設計優化調整后，復核計算排洪、輸水隧洞工程量，Ⅳ、Ⅴ類圍巖斷面每m斷面工程量：洞挖方量，側墻、頂拱減少20 mm一圈，混凝土量側墻、頂拱減少內側面20 mm一圈；支護體兩側壁和頂拱原有40、60 mm空隙需澆灌、回填混凝土，優化后空隙只有20、40 mm，20 mm作為結構混凝土澆筑，混凝土澆筑量每m比原斷面減少約0.009 m3，占0.9 %。

Ⅲ類圍巖斷面初期支護為直接噴混凝土(厚10 cm)，設計調整后，兩側、頂拱設計開挖斷面尺寸需擴大20 mm一圈，洞挖方量和混凝土量，側墻、頂拱從外壁增加20 mm一圈。每m斷面：開挖量增加約0.102 m3，占3.0 %，混凝土量增加約0.099 m3，占3.0 %，見圖3。

圖3 Ⅲ類圍巖隧洞結構和支護斷面圖Fig.3 Cross-section of tunnel structure of Ⅲ surrounding rock and support

結構內圈尺寸變化部位布置的鋼筋、尺寸相應調整，鋼筋用量略有增加。

無壓隧洞襯砌結構主要承受來自外壁的圍巖壓力、地下水壓力，內部的水壓力很小，經復核計算，結構尺寸擴大后，兩種斷面的襯砌厚度30 cm、35 cm不變，結構穩定、應力滿足要求。

緊貼拱架內壁布置的聯系鋼筋，澆入C25混凝土結構內，一定程度上可將其視為結構鋼筋，在完成聯系拱架、保證初期支護整體穩定的作用后，與C25混凝土結合，起到支持襯砌結構的穩定、分擔結構應力的一份子，見圖4。

圖4 聯系鋼筋在拱架背后、前面間隔設置Fig.4 Interval arrangement of tie bars in the back and front of the arch

4)為便于施工作業，排洪、輸水兩個隧洞進口鎖口長20 m的一段，鋼筋混凝土斷面按匯合隧洞斷面施工，鋼拱架采用“普工14#”，混凝土厚度35 cm，結構尺寸擴大15 cm一圈。其后設2 m長漸變段與洞身斷面相接。洞口前的喇叭口和仰拱尺寸做相應調整。兩個鎖口和漸變段增加了混凝土和鋼筋(混凝土增加48 m3)。

由于Ⅳ、Ⅴ類圍巖洞段多、占81 %，調整設計后，洞身混凝土和鋼筋增減，總體上變化不大，經業主、監理、施工共同商議，洞身增減的工程量不另行計量，按合同工程量結算。進口鎖口和漸變段混凝土和鋼筋，按變更后的圖紙工程量計量，洞身工程計量長度減少44 m。

3 結論

1)在同樣工程量情況下，應盡量使結構斷面的凈空尺寸最大，有利于工程施工和運行管理。本工程輸水隧洞較長，適宜的結構尺寸為凈寬1.6～1.65 m、凈高1.85 m。

優化設計、斷面尺寸調整(擴大)后，設計流量不變時，排洪隧洞底坡可在1/50～1/55之間調整、變動，輸水隧洞底坡可在1/150～1/160之間調整、變動，匯合隧洞底坡可在1/80～1/88之間調整、變動，有助于隧洞平面布置、縱剖面設計，如適當整體提高匯合隧洞的高程，減少隧洞長度。

同等底坡情況下，斷面尺寸的擴大，增加了過流量，提高了泄洪能力。

2)小斷面的隧洞，一段不宜太長，一般洞長600 m后，接一段明渠或渡槽，施工時在洞口兩端設置施工作業面(區)，可大大縮短洞內運輸距離和通風距離，和施工工序輪換、交替的時間，不僅利于通風、保證施工工期，同時節約施工成本。

3)不宜僅僅為節省工程量設計小斷面隧洞。小斷面隧洞尺寸小，施工作業受限于狹小空間，機械化的施工設備使用率低，大多工序是人工作業(比如錨桿、超前導管的施工，圖5)，效率和人員安全性低。

4)從進口施工的隧洞，洞內排水靠抽排，隧洞掘進深度超過500 m時，抽排水成本較高，尤其停電、靠柴油發電機發電來供風、抽排水、照明，成本更高；作業點附近地面時常存在積水，影響施工操作、運輸和通行，見圖6。而且，存在突然停電、作業面被浸沒的風險。輸水隧洞主要從出口的作業面掘進，進口工區掘進到650 m時，隧洞貫通。

圖5 錨桿施工Fig.5 Anchor construction

圖6 從進口施工的隧洞，地面時常積水。Fig.6 Tunnels constructed from the entrance often having water on the ground

5)施工過程中，為增強隧洞內的通風，在輸水隧洞軸線沿線地表選擇覆蓋層不厚的地點(里程1+005)利用地質鉆機打通氣孔，孔徑300 mm，下套管，孔口做網罩防護，孔深58.9 m。通風孔與洞身聯通后，洞內通風較好。施工結束后，通風孔永久保留。

6)三個隧洞的交匯、“V型”尖角處，巖體單薄、不穩定，要加強支護；由于洞挖爆破作業，尖角部位圍巖破碎、松散、易脫落，見圖7，為避免巖體變形，尖角體的凸出面從基礎到頂部用漿砌石襯護(澆筑永久襯砌混凝土前拆除)。隧洞交匯部位施工車輛過往頻繁，底部形成凹槽并積水，見圖8，影響到鋼支撐立柱的基礎穩固和圍巖的整體穩定。按照施工程序，隧洞貫通后，先澆筑邊墻和頂拱鋼筋混凝土，最后從里向外澆筑底板鋼筋混凝土。針對出現的問題，采取工程措施處理，抽干積水、清理底板凹槽部位至新鮮基巖，回填埋石混凝土到底板建基面，養護好后在面層鋪設保護鋼墊板，澆筑底板鋼筋混凝土前再將建基面清理干凈。

目前該工程完工兩年多，投入使用后發揮了很好的功效和作用。

圖7 “V型”尖角部位，圍巖破碎、松散、易脫落Fig.7 Surrounding rock breaking, loosing and falling off the V-shape corne

圖8 隧洞交匯處，施工期間車輛過往頻繁，形成凹槽并積水Fig.8 Vehicles passing frequently at the intersection of the tunnel during the construction and forming grooves and water accumulation