南水北調(diào)配套工程黑沙村隧洞設(shè)計(jì)

王 歡

（河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津 300250）

1 工程概況

黑沙村隧洞工程位于邢臺(tái)市臨城縣黑沙村東，北側(cè)為臨城大道，南側(cè)為臨城開發(fā)區(qū)。黑沙村隧洞前接南水北調(diào)中線總干渠黑沙村分水口，后接隆華線和寧柏線輸水管道工程，是邢臺(tái)市南水北調(diào)配套工程水廠以上輸水管道工程隆華線和寧柏線公用段的一座建筑物。隧洞設(shè)計(jì)輸水流量1.9m3/s,隧洞全長(zhǎng)1418.036m，其中洞身段長(zhǎng)1372.236m，進(jìn)口段長(zhǎng)21.20m，出口段長(zhǎng)24.60m。

2 軸線調(diào)整

黑沙村隧洞可研階段洞軸線為直線，起點(diǎn)為南水北調(diào)中線總干渠黑沙村分水口，終點(diǎn)為隆華線和寧柏線首端。隧洞從邢臺(tái)市臨城開發(fā)區(qū)下穿過，洞軸線地面處有較多的工業(yè)廠房及加油站一座。由于隧洞穿越地層地質(zhì)條件較差，且埋深較淺，隧洞開挖過程中對(duì)地面沉降控制較為困難。綜合考慮，初設(shè)階段將隧洞軸線進(jìn)行了調(diào)整。調(diào)整后隧洞軸線距臨城大道中心線35m，并盡量與其保持平行，既避開了距臨城大道中心線南側(cè)28m處的一條埋地天然氣管線，又遠(yuǎn)離了開發(fā)區(qū)廠區(qū)建筑物及加油站。

初設(shè)階段隧洞進(jìn)、出口位置與可研階段保持不變。隧洞進(jìn)口軸線走向與分水口涵管相同，且保持50m直線段。水工隧洞一般不做成折線，必須保證一定的轉(zhuǎn)彎半徑，本工程涉及隧洞內(nèi)管道的安裝與檢修，洞內(nèi)鋼管的單節(jié)長(zhǎng)度為6～8m，考慮到施工時(shí)管道運(yùn)輸要求，在不增加隧洞斷面的情況下，確定隧洞軸線的最小轉(zhuǎn)彎半徑為250m。調(diào)整后隧洞軸線長(zhǎng)度比原設(shè)計(jì)增加了18m，雖然投資有所增加，但滿足了加油站油庫(kù)的安全距離，同時(shí)減小了對(duì)臨城開發(fā)區(qū)已建廠區(qū)地表沉降的風(fēng)險(xiǎn)，利于工程順利實(shí)施。

3 輸水方式選擇

當(dāng)隆華線和寧柏線公用段采用隧洞型式穿越時(shí)，存在隧洞輸水和隧洞內(nèi)鋪設(shè)管道輸水兩個(gè)方案。本工程洞身段均為泥礫，圍巖分類為Ⅴ類，根據(jù)SL279—2002《水工隧洞規(guī)范》規(guī)定，土隧洞滲漏易造成周圍土體物理力學(xué)性質(zhì)的惡化，土隧洞宜做成無壓隧洞，當(dāng)必須做成有壓隧洞時(shí)應(yīng)采用鋼板襯砌或預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土襯砌。當(dāng)隧洞采用無壓流方案時(shí)，其前接的黑沙村分水口門涵洞段和后接的隆華線和寧柏線管道工程均為有壓流，洞內(nèi)無壓水流流態(tài)得不到保證。當(dāng)下游管道調(diào)節(jié)流量時(shí)隧洞內(nèi)易出現(xiàn)明滿流交替工作狀態(tài)，不滿足安全運(yùn)行要求。因此黑沙村隧洞不宜采用無壓流方案。

初設(shè)階段對(duì)隧洞有壓輸水和隧洞內(nèi)鋪設(shè)管道輸水方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)與技術(shù)比選，兩方案投資相差不大，但隧洞做成有壓時(shí)，洞斷面為圓形開挖斷面較小，開挖、二襯混凝土及鋼板內(nèi)襯施工難度大，施工周期較長(zhǎng)。另外有壓隧洞輸水方案檢修周期較長(zhǎng)，維修不便。

綜合考慮，推薦采用隧洞內(nèi)鋪設(shè)鋼管輸水方式，鋼管直徑為DN1400mm。

4 洞形及斷面尺寸確定

根據(jù)SL279—2002《水工隧洞規(guī)范》規(guī)定，土洞橫斷面宜采用圓形或馬蹄形，避免采用圓拱直墻形。馬蹄形斷面受力條件好，但施工較為復(fù)雜，適用于地質(zhì)條件較差、側(cè)向土壓力大的情況。圓形斷面與馬蹄形斷面受力情況相似，主要適用于有壓隧洞或全斷面掘進(jìn)機(jī)一次成洞方案。本工程為無壓隧洞，洞身段地表局部為黃土狀壤土，洞身段均為泥礫，圍巖分類為Ⅴ類，成洞條件較差。斷面形式進(jìn)行了平底馬蹄形和圓形兩種方案比選，通過比選平底馬蹄形方案比圓形方案主要工程量及投資略省。且對(duì)于地質(zhì)條件較差的中、小跨度隧洞，在施工時(shí)初期支護(hù)、出渣、二次襯砌等方面平底馬蹄形方案略優(yōu)于圓形方案，因此推薦選用平底馬蹄形方案。

隧洞工程造價(jià)和洞身斷面尺寸有很大關(guān)系，所以合理確定洞身斷面尺寸非常關(guān)鍵。本工程洞內(nèi)輸水鋼管直徑為1400mm，洞身的水平寬度需要考慮的因素有：①施工期間管道安裝焊接空間要求；②運(yùn)行期間對(duì)隧洞和管道檢修操作空間和維修所需機(jī)具及運(yùn)送通道；③運(yùn)行期有局部管道出現(xiàn)破損需要更換維修時(shí)，對(duì)更換鋼管的運(yùn)輸要求。洞身的高度需要考慮的因素有：①洞內(nèi)凈空要求；②合理的洞身斷面高寬比?？紤]上述因素后隧洞洞身最小開挖斷面較可行性研究階段有所減小，水平開挖寬度減小0.9m，豎向開挖高度減小0.25m，有利于減少工程投資和保證施工期安全。優(yōu)化后的洞身開挖斷面寬4.9m，高4.15m，斷面尺寸見圖1。

5 支護(hù)設(shè)計(jì)

隧洞整個(gè)洞身段覆蓋層較淺，因此初期支護(hù)設(shè)計(jì)結(jié)合淺埋隧洞的特點(diǎn)進(jìn)行，采取早支護(hù)、強(qiáng)支護(hù)，控制圍巖變形和松動(dòng)原則設(shè)計(jì)。為加固圍巖、提高圍巖自承能力，保證施工期的圍巖穩(wěn)定，隧洞洞身開挖前要進(jìn)行預(yù)支護(hù)，洞身開挖后需進(jìn)行鋼架、噴射混凝土支護(hù)。洞身段的預(yù)支護(hù)采用超前注漿小導(dǎo)管，小導(dǎo)管直徑 準(zhǔn)42mm，單根長(zhǎng) 4m，外插角 15°，頂拱 180°范圍布置，環(huán)向間距0.4m，排距2.0m。進(jìn)、出洞段覆蓋層較小，且受力情況復(fù)雜，為保證進(jìn)、出洞施工安全，在隧洞進(jìn)、出口各20m范圍內(nèi)采用超前大管棚預(yù)支護(hù)，管棚鋼管單根長(zhǎng)20m，直徑準(zhǔn)102mm，壁厚6mm，頂拱180°范圍布置，環(huán)向間距0.26m。隧洞開挖完成后及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)，初期支護(hù)采用I16型鋼鋼架加20cm厚網(wǎng)噴混凝土，鋼架間距0.5m，兩榀之間用準(zhǔn)22鋼拉桿連接，鋼筋網(wǎng)為準(zhǔn)8@15×15cm。

錨噴支護(hù)參數(shù)為預(yù)設(shè)計(jì)，最后選取值須在施工開挖過程中通過現(xiàn)場(chǎng)圍巖變形監(jiān)測(cè)和信息的反饋不斷予以修正，使工程達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)、合理。

6 二次襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隧洞二次襯砌為鋼筋混凝土全斷面襯砌，采用《水利水電程序集》（G-12）進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，該程序采用的基本原理是將襯砌結(jié)構(gòu)的計(jì)算簡(jiǎn)化為非線性常微分方程組的邊值問題，采用初參數(shù)數(shù)值解法，并結(jié)合水工隧洞的洞型和荷載特點(diǎn)，以計(jì)算水工隧洞襯砌在各主動(dòng)荷載及其組合下的內(nèi)力和位移。對(duì)襯砌上的彈性抗力分布不作任何假定，由程序經(jīng)迭代計(jì)算得出。分別對(duì)正常運(yùn)行工況、施工期灌漿工況及事故鋼管漏水工況進(jìn)行了計(jì)算，其中工程正常運(yùn)行工況受力組合為圍巖壓力+自重+彈性抗力，施工期灌漿工況受力組合為圍巖壓力+自重+彈性抗力+灌漿壓力，事故鋼管漏水工況受力組合為圍巖壓力+自重+彈性抗力+內(nèi)水壓力。各工況內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如表1。

由表1可知：在各計(jì)算工況下，鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)典型斷面軸力全部為壓應(yīng)力，彎矩在頂拱中部、頂拱始端，底拱下端及底板中部最大，以正常運(yùn)行工況為控制工況，進(jìn)行偏心受壓配筋計(jì)算和裂縫驗(yàn)算。在正常運(yùn)行工況下，襯砌厚度頂拱、底拱厚0.45m，底板厚0.5m，頂拱內(nèi)側(cè)選配鋼筋準(zhǔn)20@150，底板內(nèi)側(cè)選配鋼筋準(zhǔn)22@150，其余部分選配鋼筋準(zhǔn)18@150，鋼筋級(jí)別為HRB400，各部位裂縫開展寬度均小于0.3mm，滿足規(guī)范要求。

表1 鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)典型部位內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

7 結(jié)語(yǔ)

（1）黑沙村隧洞布置受現(xiàn)場(chǎng)條件的制約進(jìn)行了線路調(diào)整，調(diào)整后的軸線大致與臨城大道平行，滿足相關(guān)行業(yè)安全距離要求。通過方案比選采用隧洞內(nèi)鋪設(shè)鋼管輸水方式是合理的。對(duì)洞形及斷面尺寸進(jìn)行了優(yōu)化節(jié)省了工程投資。工程現(xiàn)已開工建設(shè)，對(duì)其他水工隧洞設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

（2）隧洞工程穩(wěn)定分析應(yīng)該以圍巖為重點(diǎn)，而圍巖的原位特征千差萬別，難以定量模擬，工程類比是目前隧洞設(shè)計(jì)中廣泛采用的方法，基于工程類比的半經(jīng)驗(yàn)方法和盡量精確模擬圍巖特性的理論分析，都將是今后隧洞工程圍巖穩(wěn)定分析的發(fā)展方向。施工期開挖過程中通過現(xiàn)場(chǎng)圍巖變形監(jiān)測(cè)和信息的反饋，及時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行修正，動(dòng)態(tài)的設(shè)計(jì)將逐漸在隧洞工程設(shè)計(jì)中推廣。

［1］SL279—2002，水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］SL377—2007，水利水電工程錨噴支護(hù)技術(shù)規(guī)范［S］.

［3］河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.邢臺(tái)市南水北調(diào)配套工程水廠以上輸水管道工程第一設(shè)計(jì)單元黑沙村隧洞工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告［R］.2013.

［4］段樂齋.水利水電工程地下建筑物設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.成都：科學(xué)技術(shù)出版社，1993.

［5］常煥生,張柏山,范建章.水利水電工程錨噴支護(hù)施工［R］.北京：水利水電出版社，2006.