鄂北水資源配置工程淺埋長輸水隧洞設計

(中國電建集團 華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 310014)

鄂北水資源配置工程是國務院172項重大水利工程之一，旨在從根本上解決鄂北地區“十年九旱”的干旱缺水問題。該工程由丹江口南岸引水至湖北省大悟縣，全長270 km，灌溉面積24.23萬hm2，是湖北省1號重大戰略民生工程。

唐縣-尚市隧洞布置于湖北省隨州市唐縣鎮崗地地區(圖1)，是鄂北水資源配置工程中全線最長的一條隧洞，是控制性工程。該隧洞全長16.55 km，埋深淺(約20 ～ 65 m)，斷面大(最大開挖直徑7.8 m)，穿越地層復雜，圍巖條件差(其中Ⅴ類圍巖14.7 km，占89 %)，施工難度大[1]。作為鄂北水資源配置工程中地質條件最差、單段最長、難度最大的明流隧洞項目，其復雜的地質環境和較強的地表-隧洞耦聯特征給工程設計與施工帶來了巨大挑戰。沿線地貌如圖2所示。

地質環境復雜主要表現在：隧洞沿線穿越復雜的軟弱破碎巖層和土巖復合地層(強風化千枚巖、片麻巖、砂層、巨孤石等)，圍巖完整性差，無自穩能力。其中，強風化千枚巖屬于劣質巖，遇水軟化嚴重(軟化系數可達到0.3以下)，掌子面極易失穩，冒頂塌方威脅突出；砂層無法自穩，易流動，且與巖層形成復合地層，施工開挖與爆破控制難度極大；巨孤石體積和重量大，支護局部受力大，加之爆破振動引起附加應力，易導致支護破壞，孤石塌落處理難度大；基坑邊坡體夾淤泥層，嚴重影響邊坡穩定。

隧洞施工與地表耦聯性強主要表現在：隧洞埋深淺，上覆厚度最薄處僅21 m，隧洞近距離下穿20多個堰塘、河流以及數個村莊，隧洞施工與地表環境和人類生活活動耦合作用強烈，關聯十分密切。強風化千枚巖地層軟化效應極為強烈，極易導致地表沉降和塌陷災害；砂卵石則為富水層，透水性強，處理不當極易導致冒頂突水等重大施工災害，甚至可能引起地表水源損失，帶來惡劣環境影響；大斷面隧洞開挖如產生頂拱沉降過大、施工爆破振動控制不當等問題，均會對上部建筑物安全和人民生活帶來極大負面影響。

因此，科學認識該隧洞沿線復雜地質與環境條件所帶來的工程與環境問題，揭示巖體穩定問題、滲透安全問題及環境協調問題的內在機理和響應規律，合理制定應對策略，精準確定開挖、支護、爆破及其他處理措施的設計參數，是實現工程安全高效建設、“三年通水”目標的重要支撐。同時，對鄂北供水項目涉及的工程技術開展深入總結、理論補充，并建立成套技術工法、控制技術、分析理論與方法，意義重大。

已有學者對隧洞工程[2-3]或復雜地質條件下隧道工程展開了系列研究[4-5]，取得了豐碩的研究成果。本文在前人研究基礎上，針對鄂北供水工程的實際工

圖1 唐縣-尚市隧洞布置及沿線圍巖質量Fig.1 Layout and surrounding rock quality of the tunnel from Tangxian to Shangshi

程特點和解決具體工程問題的需求，開展了淺埋復雜地質環境下特長調水工程建設關鍵技術的研究。通過對施工方案、開挖設計、灌漿及排水設計、基坑防護、特殊洞段處理等方面關鍵技術難題的深入研究，最終找到了合理的解決方案，并對設計方案進行優化，保證了項目實施過程的安全性、高效性和經濟性。

圖2 隧洞沿線地形地貌Fig.2 Topography along the tunnel

1 唐縣-尚市隧洞設計施工關鍵技術體系

根據環境地質條件可知，唐縣-尚市隧洞沿線上覆地層條件惡劣，尤以砂卵石層和巨孤石地層最具獨特性和代表性，其流動砂層和質重體大孤石給工程支護帶來了巨大挑戰，冒頂、塌方等現象出現的可能性高；隧洞進洞口地層防滲水防突水問題難度大，地層富水性和透水性強，且與地表河、堰等相互耦合，極可能發生透水、流沙和坍塌事故，導致洞口報廢。隧洞沿線布置有6個施工支洞, 支洞洞口開挖形成深基坑, 其地質體松散破碎，且夾有緩傾淤泥質黏土，嚴重影響邊坡穩定性，是整個隧道工程安全運行的關鍵點。

因此，如何通過超前支護、分步開挖、初期支護等措施有效控制圍巖及支護的變形破壞，降低對地面建筑物的影響；采取何種有效防滲措施，并優化開挖支護方案以降低對地層的擾動；如何評估淤泥質黏土層對邊坡穩定性的影響效應與控制作用，實現支護方案與邊坡角的協同優化等，是工程面臨的巨大挑戰和亟待系統深入研究的難題。關鍵問題研究路線如圖3所示。

2 輸水隧洞施工方案簡介

為克服項目地勢平緩、無較低河谷地形利用的難題，選擇了高運輸效率、高開挖工效、高永久襯砌效率、高保通率、洞內危險情況下逃生速度快的平洞施工方式。平洞施工方案的施工要點如下所述。

(1) 為避免進洞后的過長土洞開挖問題，在支洞口采用明挖方法，將洞口基本降至基巖后再進洞。雖然施工后在洞口形成了較深土基基坑，但可將土洞開挖風險轉化為更為可控的基坑明挖防護風險。

(2) 為避免支洞線路過長導致投資增加過大的問題，將重車通行最大縱坡坡比控制在12%以內，中間設置5%的緩坡平段，以便中途緩沖，隧洞綜合坡比控制在10%以內。

(3) 支洞采用倒坡洞形式，通過在洞口處設置集水井解決排水問題。

按此原則，該項目中布置6條平洞(見圖1)，將主洞分成7段分別施工，施工支洞凈斷面尺寸設計為6.0 m × 6.5 m。按照該方案實施后發現，平洞方案非常有利于后期施工組織，開工后隧洞開挖單工作面最快達到6 m/d，最慢4 m/d，進入主洞后，僅用時一年半即安全順利地實現了全線貫通。

3 隧洞開挖支護技術

隧洞開挖支護技術是唐縣-尚市隧洞施工設計關鍵技術體系的首要突破點。該隧洞惡劣的地質條件給隧洞開挖與支護帶來了巨大困難，隧洞施工和維護面臨極大挑戰，選擇合理有效的開挖方法、安全穩定的岔洞口設計，保證隧洞正常工作的支護形式成為隧洞順利施工和運行的關鍵。

針對該地區地質條件，從特殊段開挖方式、岔洞口形式到主體隧洞開挖支護，再到隧洞永久支護，最終形成了可行性高、安全性強的隧洞開挖支護技術體系。

3.1 劣質段隧洞開挖方式選擇

輸水隧洞中間約4.2 km長的洞段主要由片巖、千枚巖和少量石英砂巖構成，屬軟弱破碎巖層和土巖復合地層，巖石單軸飽和抗壓強度Rb=3.710～5.032 MPa，以極軟巖為主。該洞段開挖以后，雖已采用強支護措施保證隧洞圍巖穩定性，但掌子面作為臨空面時經常沿正向發生坍塌。即便每個循環中采用臨時錨噴支護等措施對掌子面進行了加固[4]，支護效果仍不明顯，對洞內施工初期支護和繼續開挖掘進造成了很大的困難。

圖3 關鍵問題研究路線Fig.3 Research route of key problem

考慮到核心土留設對隧道掌子面穩定性影響顯著[5]以及地質條件的惡劣性，對開挖方案進行調整，即采用安全性好、施工速度快[6]的分層開挖預留核心土方法：先在頂拱和兩側墻局部開挖，并完成超前預注漿和初期支護；然后進行分層開挖，開挖時注意預留核心土并及時進行支護，每循環開挖進尺小于1 m。具體開挖方法如圖4所示，開挖順序為Ⅰ區→Ⅱ區→Ⅲ區→Ⅳ區。

圖4 預留核心土分層開挖Fig.4 Layered excavation method by reserving core soil

開挖方案調整后，整體開挖過程進展順利，有效解決了掌子面坍塌問題，既保證了隧洞開挖安全，也保證了施工作業人員安全，如圖5所示。

3.2 施工支洞岔洞口門架設計

輸水隧洞的每條施工支洞與主洞岔洞口存在跨度大、體型復雜和圍巖條件差等系列難題，如何保證開挖期間岔洞口圍巖穩定成為亟需解決的關鍵問題之一。經數值分析研究，借鑒類似工程經驗[8-11]，并考慮到具體施工條件，提出了一種新型地下洞室丁字型交叉口開挖支護施工方法——新型鋼門架開挖支護技術[12]，以確保岔洞口安全穩定。

圖5 預留核心土分層開挖施工作業現場Fig.5 Construction site of layered excavation method with reserved core soil

數值模擬中，計算模型考慮開挖輪廓以外10 m范圍圍巖，頂部施加巖體自重應力，周圍采用法向約束。由計算結果可知：鋼拱架拉應力小于153 MPa；壓應力大部分范圍內小于190 MPa；Mises應力大部分范圍內小于188 MPa，均滿足規范要求。門架上部巖體最大位移量不超過4 mm，最大值發生在門架中部位置，位移云圖如圖6所示。

圖6 岔洞口門架支護位移云圖(單位：dm)Fig.6 Displacement nephogram of the portal of the cave tunnel

新型鋼門架開挖支護技術施工要點為：首先在岔洞口布置足夠強度鋼門架；之后對岔洞口巖石進行逐步開挖與支護；最后將局部臨時支撐逐步拆除，然后進行下一步作業。該技術可較好地解決岔洞口圍巖穩定性問題，成本低，施工周期短，其平、剖面圖如圖7～8所示。

圖7 岔洞口平面Fig.7 Plane diagram of fork opening

圖8 岔洞口剖面Fig.8 Profile diagram of fork opening

3.3 主體隧洞開挖支護設計

隧洞沿線圍巖整體以V類圍巖為主，V類、Ⅳ類、Ⅲ類圍巖比例分別為82.8 %、15 %、2.2 %。其中V類圍巖主要為強風化砂礫巖及粉砂巖，局部洞段揭露的千枚巖、板巖。圍巖條件差，開挖支護風險高，沿線約2.2 %的Ⅲ類圍巖洞段可采用錨噴支護，其余洞段則采用型鋼拱架、小導管、局部大管棚等強支護措施[13-14]。

強支護措施雖能保證安全性，但施工速度慢，考慮到項目工期較短、推進速度快的特點，需根據圍巖變化情況對支護方案實時作出調整。通過對各段地質條件的判斷及圍巖穩定性數值分析，確定如下支護原則。

(1) 隧洞進口、各施工支洞洞口的土洞或全強風化巖石洞段，距進洞口20～30 m范圍采用大管棚加型鋼拱架支護方案。

(2) 洞內Ⅴ類圍巖段，采用拱架+小導管+系統錨噴支護，Ⅳ圍巖段支護方案與其基本相同，但拱架間距、錨桿密度、噴混凝土厚度均有調整。Ⅴ類和Ⅳ類拱架間距分別為50 ～100 cm和80 ～100 cm，錨桿間距分別為1.0 m和1.2 m，噴混凝土厚度分別為20 cm及10 cm。

(3) 距洞口約400 m處存在Ⅲ1類圍巖隧洞段，采用系統錨噴支護。

具體支護參數見表1。

表1 隧洞初期支護參數Tab.1 Initial support parameters of the tunnel

3.4 隧洞運行期襯砌結構設計

隧洞設計引用流量為20.2 m3/s，縱坡1/11000，過水斷面為四心圓馬蹄形斷面，襯后斷面直徑為5.8 m×5.8 m，設計流速0.58 m/s。為滿足洞內通風條件，洞內明流水面以上預留凈高為1.62 m，占隧洞斷面面積的21.6%；同時在隧洞2號、4號施工支洞位置，偏離主洞正上方25 m處布置兩個直徑為3 m的通風豎井，以加強隧洞通風。隧洞轉彎段轉彎半徑設計為150 m。

隧洞永久支護為全襯砌方案，襯砌混凝土標號為C25W6F150，并根據圍巖類別采用不同襯砌厚度(Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖分別為40，50，80 cm)。鑒于襯后斷面直徑保持恒定(5.8 m)，隧洞沿線開挖斷面時，將根據圍巖條件選擇合適開挖斷面直徑，其中最大開挖斷面為V類圍巖洞段，直徑為7.4 m，開挖直徑變化的洞段采用1∶3緩坡漸變過渡。襯砌每隔12 m設一道施工縫，在施工支洞和主洞連接部位布置結構縫。

明流隧洞襯砌結構承受的內水壓力小，是襯砌承載次要控制因素，結構計算主要考慮外水壓力作用[15]，折減系數[16-17]取0.2。根據計算成果，Ⅲ、Ⅳ類圍巖襯砌應力均在控制值以內，采用單層構造配筋即可；Ⅴ類圍巖最大壓應力為9.86 MPa，也在控制值以內，但底部局部拉應力最大為4.89 MPa(見圖9)，超過混凝土抗拉強度，局部配筋需加強，其余部位可采用單層配筋，受拉鋼筋(φ28@20 cm)滿足結構要求。隧洞進口處Ⅴ類圍巖存在特殊富水砂層，采用雙層配筋，以增強其防滲性。

圖9 V類圍巖洞段襯砌外壓作用應力云圖(單位：Pa)Fig.9 Stress nephogram of lining subjected to external pressure in V-type surrounding rock

經過計算研究，V類圍巖洞段采用單層配筋，可滿足結構防裂及安全要求，該方案減少了每倉混凝土外層鋼筋綁扎量，極大提高了永久襯砌施工效率。

4 巖體透水防滲控制技術

隧洞地表水資源豐富，地層透水性高，在開挖和支護安全順利進行的基礎上，如何有效防滲，保證隧洞滲透穩定性是另一項需克服的難題。

巖體透水防滲控制技術體系主要包含施工前期基坑開挖防滲控制技術、施工期隧洞開挖防滲控制技術以及施工后襯砌運行期防滲控制技術。

4.1 基坑開挖防滲設計

輸水隧洞主進洞口位于魯城河左岸，進洞口深基坑邊坡最大高度為23 m。為防止施工期內魯城河水上漲導致河水倒灌，于基坑正前方布置了施工圍堰。然而，進口區域還是存在厚約1～8 m砂層，該砂層透水性強，基坑開挖時魯城河水可透過砂層進入基坑，且基坑水位與河水水位齊平，形成連通(見圖10(a))，極大影響隧道施工進程。為防治砂層透水現象，針對該隧洞實際地質條件，對基坑砂層采取了高噴防滲墻防滲措施[18-20]，并強化了高度、孔距、厚度等特征參數。

砂層防滲處理采用高壓旋噴+擺噴結合的防滲方案：河床卵礫石分布廣泛部位采用高壓旋噴防滲，其余砂層部位采用高壓擺噴防滲。防滲墻頂面須高出中粗砂層和砂礫層至少1 m，墻底面須穿過強透水砂層和砂礫層，并進入弱透水砂礫巖或粉砂巖不小于50 cm。孔間距0.8 ～ 0.9 m，成墻厚度不小于25 cm，滲透系數K≤10-5cm/s。高噴防滲墻繞進洞口一周封閉布置，實施后防滲效果顯著，隧洞進口基坑深挖后，基本無河水滲入現象發生(見圖10(b))。

圖10 基坑防滲對照Fig.10 Anti-seepage comparison of foundation pit

4.2 隧洞開挖防滲設計

該隧洞埋深淺，高富水性洞段主要為地表分布水塘洞段。隧洞沿線地表分布水塘多，儲水量大，為避免隧洞穿水塘段出現大量涌水或滲水現象，參考類似工程經驗[21-23]，對過水塘段采取了控制單循環進尺及超前預注漿方法，并加強觀測。根據地表水塘大小和埋深，控制單循環進尺在0.5 ～ 1.5 m范圍內。

輸水隧洞洞頂正上方存在約有160 m范圍砂層洞段，厚度約6 m，對隧洞開挖安全構成較大威脅：砂層強度低，結構不穩定，開挖后易發生坍塌；在地下水作用下易出現流砂現象，導致隧洞冒頂。針對此問題形成如下設計方案。

首先，除防滲墻采取一般防滲措施外[24]，在隧洞開挖前，隧洞洞頂正上方新增設兩排帷幕灌漿和固結灌漿，以減少地下水滲透對砂層穩定性的影響。灌漿孔由地面向下施工，穿過砂層深入基巖0.5 m。灌漿布置如圖11所示。

圖11 隧洞頂部砂層洞段地表灌漿布置Fig.11 Surface grouting arrangement of sand layer at top of tunnel

其次，隧洞開挖過程中，除采用大管棚支護措施外，另增加型鋼拱架+雙層小導管支護，并對砂層進行頂部預注漿加固。其中雙層小導管錯開布置，一層向上傾角為40°，另一層上傾10°，以增大預注漿覆蓋范圍，保證更好的注漿效果。砂層洞段雙層小導管布置見圖12。

圖12 砂層洞段雙層小導管布置Fig.12 Double-layer small conduit layout in sand tunnel section

方案實施后的實際效果表明，隧洞整體開挖過程中，未出現大量涌水現象，局部出現少量滲水，對隧洞施工未產生影響，可保證洞頂砂層的穩定性以及開挖過程的順利和安全。

4.3 永久襯砌后防滲設計

永久襯砌后，隧洞防滲措施以灌漿為主，其中固結灌漿包含Ⅴ類圍巖洞段及Ⅲ、Ⅳ類圍巖的局部洞段，入巖3.5 m，灌漿壓力0.5 MPa。考慮到無壓明流隧洞內水外滲問題不明顯，高強度灌漿除防滲外也有加固圍巖作用，增強圍巖承載能力，解決襯后頂拱脫空問題。

工程永久運行后，為解決襯砌表面滲滴水侵蝕襯砌混凝土表面問題，根據(SL279-2002))《水工隧洞設計規范》[25]，后期在襯砌上頂拱布置系統排水孔，將可能滲漏地下水集中引排至洞內，緩解滲滴水侵蝕作用并降低隧洞外水壓力。

5 夾淤泥深基坑邊坡支護技術

夾淤泥基坑邊坡是唐縣-尚市隧洞施工支洞的獨特地貌，該地區地質體松散破碎，風化嚴重，中間夾緩傾淤泥質黏土，抗剪強度低，對邊坡穩定起著控制性作用，在雨季、汛期、暴雨等條件下更為突出。并且，為加快施工進度，并使部分支洞作為運行期檢修使用，施工支洞洞口開挖形成深基坑，深基坑邊坡高度為20 m，若邊坡失穩將直接堵塞支洞洞口，封堵主洞作業人員逃生通道，運行期邊坡失穩將導致檢修通道失效，需要投入大量人力財力來處理，甚至直接導致檢修通道失效，嚴重影響整個鄂北供水工程安全運行。

夾淤泥基坑邊坡支護技術以淤泥層處理為重心，并輔以深基坑邊坡支護和排水措施，形成較全面的施工支洞深基坑邊坡安全防護技術。

5.1 深基坑邊坡淤泥層處理

3號、4號施工支洞進洞口基坑邊坡表層耕植土下存在厚約7 m的淤泥質黏土層，該層強度低，極易發生坍滑現象，對基坑邊坡穩定性影響較大，是基坑邊坡穩定性主要控制因素。受征地范圍限制，邊坡坡率必須控制在一定范圍內，間接增加了邊坡穩定控制難度。以3號洞為例(見圖13)，淤泥層凝聚力c=13 kPa，內摩擦角φ=10°，邊坡坡率為1∶1.25。飽和條件下邊坡穩定安全系數僅為0.87，邊坡處于不穩定狀態。

綜合考慮地質條件和方案比較后，最終選擇了微型鋼管樁支護方案[26-27]。該方案于一級馬道布置一排內插3Φ28鋼筋樁的Φ110 m鋼管。驗算分析后可知，邊坡穩定安全系數提高為1.05左右，滿足邊坡穩定性要求。

圖13 3號洞左側邊坡淤泥層邊坡穩定計算簡圖(單位：m)Fig.13 Calculation diagram for stability of silt layer slope on the left side slope of 3# tunnel

5.2 深基坑邊坡支護及排水設計

根據基坑土坡穩定性分析，除實施特殊支護措施的隧洞進口砂層和3號、4號邊坡淤泥層，其余洞段皆以粉質黏性土坡為主，按自然穩定坡率1∶1.2～1∶1.5削坡，每隔5～8 m高度設一級馬道，馬道寬度為2 m。邊坡表面進行系統錨噴，以錨固表層混凝土。

基坑長200～300 m，積水面積大，而支洞采用倒坡邊布置，導致積水對邊坡影響程度增大。為有效處理基坑積水問題，將邊坡排水措施組成排水系統，坡外緣設截水溝，坡面設排水孔，坡內每級馬道設排水溝匯入基坑道路兩側總排水渠，并最終匯至洞口兩側集水井，并由抽水設備定期向坡外抽排。

6 結 論

鄂北水資源配置工程中唐縣-尚市隧洞建設于地形平緩的崗地地區，屬淺埋、長輸水隧洞，地質條件復雜，環境條件差，Ⅳ、Ⅴ類圍巖占比高達98%，存在多項技術難題，并且屬于國家重點投資水利民生工程，工程質量要求高，工程建設極具有挑戰性。

為保證唐縣-尚市隧洞安全、高效、順利的施工，以及盡快投入使用，選擇了適合工程特點的平洞施工方式，并克服其惡劣地質條件，形成了由特殊洞段、岔洞口以及隧洞主體相互協同的獨特開挖支護方案；設計了基坑開挖防滲、隧洞開挖及永久襯砌防滲系列防滲支護方式，構建了完整的水工隧洞砂層防滲技術措施；設計了夾淤泥層深基坑邊坡安全處理方式，建立了基坑邊坡淤泥層防治技術，保證了基坑邊坡穩定性。

設計方案吸取了以往山區及平原地區類似隧洞工程經驗，并在此基礎上對設計方案加以改進，使其更適合工程特點，以有利于更快、更好地完成此項目。項目建設期間未發生人員死亡事故，隧洞成型較好，建設期間獲得多項榮譽。