某輸水線路上無壓輸水隧洞群標準化設計研究

王智虎

(新疆水利水電項目管理有限公司，烏魯木齊 830000)

1 工程概況

某灌區新開墾土地面積0.922 7×104hm2以上，地勢平坦，土層深厚，適宜耕種，但灌區極度干旱缺水，迫切需要實施水源工程。目前，灌區內已有電力提灌工程已達設計供水能力，高峰期供水緊張，已無力承擔新發展農業灌溉供水任務，因此需新建引水工程向灌區供水。新建灌溉引水工程干渠段總長15.6 km，其中隧洞 11座，總長11.831 km，暗渠全長3.327 km，倒虹吸1座，全長0.442 km，隧洞、暗渠和倒虹吸分別占干渠總長的75.84%、21.33%和2.83%，隧洞占整個線路的 75%以上，因此隧洞設計施工是本工程的重點。根據現場地質勘查及資料整理分析可知，隧洞所在的工程區處于低山丘陵區，各隧洞穿越的地層主要為寒武系中統(2h)、奧陶系中統(O2)、白堊系(K1hk)、新近系(N2l)地層，隧洞沿線地層及巖性情況變化不大。本文根據隧洞圍巖地質類別情況對11個隧洞進行標準化設計，主要包括斷面設計、支護、襯砌及灌漿、排水及通風設計等，既可以節約投資，避免不必要的浪費，也為隧洞設計、施工提供便利，有利于隧洞施工管理。

2 隧洞群圍巖地質評價

2.1 隧洞群圍巖類別分析

隧洞11條總長11.831 km，洞徑2.1～2.6 m，均為無壓過水隧洞，隧洞埋深一般小于50 m，最大埋深85 m。根據試驗和測試成果，類比已建成運行的分干渠隧洞，對11座隧洞圍巖進行分類，各隧洞圍巖分類見表1和表2。

表1 各隧洞圍巖類別一覽表

表2 隧洞群圍巖類別統計表

2.2 隧洞群圍巖地質評價

根據地質圍巖類別可知，III類圍巖長2.216 km，占隧洞總長18.93%；IV類圍巖長6.783 km，占隧洞總長57.94%；V類圍巖長2.708 km，占隧洞總長 23.13%。各類圍巖地質評價如下：

Ⅲ類圍巖：為較完整～完整的奧陶系(O2zb)變質砂巖夾板巖、千枚巖，巖體呈薄層中硬巖夾厚層堅硬巖結構，千枚巖中片理十分發育，板巖、變質砂巖裂隙較發育，抗風化能力較強，巖體相對完整；巖層走向與洞軸線夾角19°～39°，傾角70°～79°。毛洞頂拱局部掉塊，圍巖局部穩定性差。建議及時進行噴護。

Ⅴ類圍巖：為洞身段有地下水活動的白堊系砂巖、砂礫巖，無地下水活動的新近系臨夏組(N2l)砂礫巖、斷層破碎帶、影響帶。新近系砂礫巖巖性軟弱，單一厚層狀結構，巖層產狀較為平緩，強風化層厚1.0～1.8 m，毛洞頂拱極易坍塌變形或掉塊，圍巖自穩能力差、時間短。建議加強支護，及時襯砌，嚴格控制施工用水。

隧洞圍巖建議參數見表3。

表3 隧洞圍巖建議參數表

3 隧洞設計

3.1 隧洞斷面形式選擇

隧洞群所在的工程區處于低山丘陵區，圍巖為砂巖、板巖、千枚巖、砂礫巖，圍巖類別為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖，隧洞共計11條，總長11.831 km，洞徑2.0～2.7 m，隧洞埋深一般小于50 m，最大埋深85 m。

本工程輸水隧洞為低流速無壓輸水建筑物，無壓隧洞采用圓拱直墻斷面，圍巖條件較差的則采用三心圓拱型斷面。根據隧洞設計規范，無壓輸水隧洞考慮低流速和保持良好的通風、通氣條件和經濟斷面，要求水面以上凈空面積與洞身斷面面積之比在15%～20%，且凈空高度大于0.4 m 為宜[1]。

根據地質條件、施工和檢查維修等對隧洞最小尺寸要求[2-3]，參考已建工程，確定隧洞斷面型式，1#、2#隧洞采用圓拱直墻型斷面，3#-11#隧洞采用三心圓拱型斷面。

3.2 隧洞斷面參數標準化

無壓隧洞多采用圓拱直墻斷面，圍巖條件較差的采用三心圓拱型斷面，根據不同的圍巖類別、施工和檢修等對隧洞最小尺寸要求，確定隧洞斷面型式。

1#-2#隧洞為圓拱直墻斷面，斷面參數為：隧洞凈高2.31 m，凈寬2.0 m，頂拱半徑1.0 m，頂拱圓心角150°，直墻高1.6 m。3#-11#隧洞三心圓拱型斷面，斷面參數為：隧洞凈高2.53 m，凈寬2.0 m，頂拱半徑0.59 m，頂拱圓心角112°，側拱半徑3.0 m，側拱圓心角42°，底拱半徑2.81 m，底拱圓心角40.15°。

3.3 隧洞支護和襯砌標準化設計

3.3.1 支護標準化設計

一次支護III、IV和V類圍巖采用掛網噴混凝土支護型式[4]，噴C20混凝土厚度為10 cm，噴層中部布設Φ6@200×200 mm鋼筋網，V類圍巖和全部隧洞進出口加強段架設全封閉型I14工字鋼鋼拱架，間距0.6～0.8 m，拱墻布設Φ18系統錨桿，長2 m，排距1.5 m，呈梅花形布置。

3.3.2 隧洞襯砌結構標準化

1#-2#隧洞III類圍巖采用現澆C25砼進行減糙襯砌，僅襯砌直墻段，襯砌厚度0.2 m。IV、V類圍巖采用現澆C25鋼筋砼進行全斷面襯砌，其中IV類圍巖襯砌厚度0.3 m，布設單層鋼筋；V類圍巖及進出口加強段襯砌厚0.35 m，布設雙層鋼筋。隧洞斷面設計見圖1和圖2。

圖1 圓拱直墻型洞身結構圖(Ⅲ類圍巖)

圖2 圓拱直墻型洞身結構圖(Ⅳ類圍巖)

3#-11#隧洞采用現澆C25鋼筋砼全斷面襯砌，Ⅳ類圍巖襯砌厚0.3 m，布設單層鋼筋；Ⅴ類圍巖及加強段襯砌厚0.35 m，布設雙層鋼筋。隧洞斷面設計見圖3和圖4。

圖3 三心圓拱型洞身結構圖(Ⅳ類圍巖)

圖4 三心圓拱型洞身結構圖(Ⅴ類圍巖)

二次襯砌永久縫止水采用“652”型橡膠止水帶，迎水面單組份聚氨酯密封膠填縫，縫內布設高密度聚乙烯閉孔板。

3.4 回填灌漿

隧洞在開挖過程中回填灌漿：頂拱120°范圍，排距2～3 m，1～2孔/排，梅花型布置。灌漿壓力初步確定0.3 MPa。對襯砌隧洞群進行全線回填灌漿，目的是為填充隧洞超挖，圍巖裂隙以及襯砌與周圍巖體之間存在的空隙，使二者結合緊密，以改善圍巖與襯砌結構的傳力條件，并且可以減少圍巖滲漏。

3.5 排水設置

施工期間的洞內排水主要來自洞壁滲水和施工期間產生的廢水。根據設計高程各輸水隧洞都具備自流排水的條件，考慮到部分洞段用水量較大，本工程采用自流排水和機械抽排結合的方式進行排水[5]。設置集水坑集水，順坡可設排水溝讓水流入指定集水坑，用水泵沿洞口抽出洞外；對逆坡工作面，洞內積水可采用在洞底板兩側每間隔100 m設置排水溝，洞內積水通過排水溝排入集水井，再用抽水泵抽出洞外，在洞外集中處理。

3.6 通風設計

施工通風主要為解決鉆爆法施工中產生的大量的有毒有害氣體，確保良好的施工環境和施工人員的人身安全。本工程最長隧洞長度2.768 km，洞線較長，因此在設計施工中要確定施工方案。本工程通風方案為：本次隧洞群施工通風采用壓入式，風管采用優質軟質風管，新鮮風流通過軸流風機向掌子面送風，有毒(害)氣體、污染空氣沿主洞口排出[6]，軸流風機的功率根據隧洞群中各隧洞長度不同確定，通風方案示意圖見圖5。

圖5 隧洞通風方案示意圖

4 結論和建議

本文對輸水線路上隧洞群地層巖性和地質情況進行了梳理分類，根據地質評價結果進行隧洞標準化設計，對本輸水工程設計施工研究方面具有十分重要的意義。本工程于2018年開始施工，標準化設計在施工和管理方面效果顯著。在業主、設計、施工和監理單位的共同努力下，施工周期比原計劃施工周期(2.5年)縮短了1/4時間，取得了較好的經濟效益。