引水工程中輸水隧洞設計方法研究

樊有鋒 姬春利

（陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710001）

一、工程概況

某引水工程輸水線路中，其中有一條輸水隧洞長15km，受地形條件限制，經多次現場探勘及專家聯合論證選定合適的隧洞進、出口，設計比降i=1/1000，設計流量20m3/s，采用無壓重力輸水方式，隧洞斷面形式初擬為城門洞型。隧洞埋深一般100m～400m，進、出口地形較好，隧洞沿線巖層巖性有泥質灰巖、灰巖、白云巖夾頁巖、泥巖、石英砂巖、長石砂巖以及粉砂質泥巖等，隧洞沿線斷層及皺褶較發育，沿線巖溶水及基巖裂隙水均有分布。

二、斷面設計

根據選定的城門洞型隧洞，設計流量Q=20m3/s、底坡i=1/1000、糙率n=0.014的條件下初步擬定不同底寬的斷面，計算出相應的水深及過水斷面，保證各斷面的凈空比為20%左右的情況下得出最優的斷面。水力計算采用《水力學》中的明渠均勻流公式，各種斷面計算結果見表1。

表1 輸水隧洞不同底寬水力參數比較表

無壓隧洞過流能力計算采用明渠均勻流公式：

式中：

A——隧洞過水斷面面積，m2；

i——隧洞縱向比降，i=1/1000；

n——糙率，隧洞采用C30 鋼筋混凝土襯砌，n=0.014；

R——水力半徑，m；

根據表1 計算結果，按Ⅳ類圍巖分別對三種不同過水斷面進行配筋計算，得出C30 鋼筋混凝土襯砌厚度均為0.4m，配筋率按120kg/m3進行計算，得出1km 長隧洞的石方洞挖、鋼筋混凝土二次支護的工程量，初步估算投資，結果見表2。

表2 隧洞不同過水斷面工程量及直接投資對比表

從表2 可以看出，取1km 隧洞洞長計算結果為例，斷面2 的投資最大，斷面3的投資最小，但投資相差不大，僅相差1.84%。結合《水工隧洞設計規范》（SL279-2016）相關規定：“斷面的高寬比宜為1.0～1.5，洞內水位變化較大時宜采用大的比值”以及“高地應力區若垂直地應力大于水平地應力，宜采用高度較大而寬度較小的斷面”，考慮到該隧洞相對埋深較大，因此隧洞斷面高寬比宜取大值。綜上所述，隧洞推薦采用城門洞型，過水斷面底寬3.0m，隧洞凈高為3.96m。

三、隧洞支護設計

設計過程中最大限度地利用和發揮圍巖的自承能力是隧洞襯砌結構設計應遵循的基本原則。隧洞承載主要靠圍巖自身，施工臨時支護采用的超前錨桿、全斷面系統支護錨桿、鋼支撐、掛網鋼筋、噴護混凝土、圍巖灌漿等，都是幫助圍巖提高自身承載能力的手段。根據不同工程圍巖類型及具體地質參數采用不同支護方式。

（一）初期支護設計

輸水隧洞圍巖類別包括Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類，根據不同的圍巖類別，在開挖過程中，采取不同的初期支護方式。1.Ⅲ類圍巖：開挖后洞室成形好，巖體基本穩定，僅存在局部不穩定現象。噴10cm 厚C20 混凝土；系統錨桿Φ25@2.0m×2.0m，L=3.0m；掛網φ6.5@20cm×20cm；頂拱部分排水孔Φ50@3.0m×3.0m，L=3.0m。2.Ⅳ類圍巖：圍巖中裂隙發育，薄層、多節理，小斷層破碎帶穿過、地下水一般地段。噴12cm厚C20 混凝土；系統錨桿Φ25@1.5m×1.0m，L=3.0m；掛網φ6.5@20cm×20cm；鋼支撐16/18 型工字鋼、榀距1.0m；縱向Φ25 鋼筋連接，間距1.0m；頂拱部分排水孔Φ50@3.0m×3.0m，L=3.0m。3.V 類圍巖：巖體較破碎，不穩定，變形破壞嚴重；大斷層通過、易塌、軟巖地帶，地下水活動劇烈。噴12cm 厚C20 混凝土；系統錨桿Φ25@1.0m×0.8m，L=3.0m；掛網φ6.5@20cm×20cm；鋼支撐16/18型工字鋼、榀距0.8m；縱向Φ25 鋼筋連接，間距1.0m；頂拱部分排水孔Φ50@3.0m×3.0m，L=3.0m。頂拱超前錨桿Φ25 鋼筋，L=4.5m，間距0.2m，排距3m。

（二）二次支護設計

輸水隧洞全洞段均采用C30 鋼筋混凝土襯砌，《水工隧洞設計規范》（SL279—2016）規定，單層鋼筋混凝土襯砌厚度不宜小于0.3m，雙層鋼筋混凝土襯砌厚度不宜小于0.4m。根據具體地質條件，Ⅲ類圍巖洞段采用單層配筋，混凝土襯砌、Ⅳ、Ⅴ類，全洞段鋼筋混凝土襯砌厚度300mm，Ⅳ類圍巖洞段采用雙層配筋，全洞段鋼筋混凝土襯砌厚度400mm，Ⅴ類圍巖洞段采用雙層配筋，全洞段鋼筋混凝土襯砌厚度500mm。

（三）隧洞細部設計

1.施工縫、變形縫止水設計。（1）對于圍巖性質均一，溫度變化小、收斂變形較小的圍巖洞身段，根據襯砌臺車的長度一般按8m～12m 設一條環向施工縫，施工縫設橡膠止水帶，并用無毒閉孔泡沫板進行填塞。（2）在隧洞進、出口處、洞身與施工支洞交匯處以及洞內斷層分布處或其他可能產生較大相對變位處設置永久縫，縱向鋼筋在永久縫處斷開，縫內設橡膠止水，并用無毒閉孔泡沫板進行填塞。2.回填灌漿設計。為了提高襯砌結構的整體性和結構承載能力，隧洞頂拱部120°范圍布置3 個～4 個回填灌漿孔，灌漿孔深入圍巖5cm～10cm，縱向排距3m，梅花形布置。灌漿壓力視混凝土襯砌厚度和配筋情況確定。3.固結灌漿設計。為了提高圍巖的整體性和抗變形能力，對Ⅴ類圍巖洞段隧洞全斷面進行固結灌漿，每個斷面設6 個～10個固結灌漿孔，縱向排距3m，呈梅花形布置。灌漿孔深入圍巖2m～3m，對于極軟弱、破碎水量較大段考慮適當加大孔深。4.排水孔設計。遵照“堵”“截”“排”相結合的防滲和排水設計原則，為有效減小地下水壓力，在地下水位較高處設置排水孔，梅花形布置，孔深為3m～5m，頂拱回填灌漿孔可兼做排水孔。

結語：由于自然地質條件的復雜性和不可預測性，輸水隧洞選線過程中充分做好地質勘查工作，確保設計的準確性，對特殊地質段采用正對性的處理方案。設計工作者應花費大量的時間和精力研究工程區的地形、地貌，根據地質條件、設計流量、水流條件、輸水方式等因素確定隧洞體型，在保證質量安全的前提下采用合理的隧洞支護方式，根據地質條件進行回填灌漿、固結灌漿，保證工程經濟、安全。