南水北調(diào)中線吳莊隧洞工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)

閻 忠

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

1 概述

吳莊隧洞位于河北省保定市滿城縣境內(nèi)，是南水北調(diào)中線工程中的一座大型建筑物，設(shè)計(jì)流量125m3/s，加大流量150m3/s，設(shè)計(jì)水頭0.448m。隧洞主體建筑工程及進(jìn)出口連接段按I級(jí)建筑物設(shè)計(jì)。

吳莊隧洞地處太行山東部邊緣低山丘陵區(qū)，隧洞斜穿石牛山主峰西側(cè)，主峰山脈走向NW348°，最高峰高程411.6m，隧洞軸線最高點(diǎn)高程370m，山體坡度 30°～40°。 隧洞進(jìn)口山前坡地高程 71.0～86.0m，出口山前坡地高程69.0～101.0m，均為坎狀梯田。隧洞穿越的地層巖性較為單一，巖體主要為薊縣系霧迷山組第三段（Jxw3）含燧石條帶白云巖，主要分布在石牛山下部，隧洞軸線以上巖層厚度大于160m；覆蓋層均為第四系松散巖系，主要分布在隧洞進(jìn)出口。

隧洞全長(zhǎng)2373m，其中進(jìn)口段長(zhǎng)70.5m，出口段長(zhǎng)95.5m，洞身段長(zhǎng)2207m。隧洞為無(wú)壓圓拱直墻型斷面，采用雙洞線布置，兩洞軸線間距離為28.4m。斷面結(jié)構(gòu)根據(jù)沿線地質(zhì)情況采用鋼筋混凝土全斷面襯砌和錨噴支護(hù)與底板加邊墻的減糙混凝土組合襯砌兩種型式。全斷面襯砌分為“A”型和“D”型兩種，設(shè)在洞口段或Ⅳ類圍巖段，“A”型斷面混凝土襯砌厚度為70cm，“D”型斷面混凝土襯砌厚度為80cm。減糙混凝土襯砌設(shè)在Ⅱ類圍巖或Ⅲ類圍巖洞段，即“B”型和“C”型兩種開挖斷面，其襯砌厚度均為25cm?；炷烈r砌底板部位均設(shè)有50cm×50cm的“八”字型抹角。根據(jù)實(shí)際洞身的開挖情況，全斷面襯砌主要在兩條洞的洞口段，長(zhǎng)度為50m，其余均為減糙混凝土襯砌。洞內(nèi)混凝土襯砌強(qiáng)度等級(jí)為C25W4F100。全斷面襯砌內(nèi)設(shè)雙層鋼筋網(wǎng)，減糙混凝土內(nèi)設(shè)單層鋼筋網(wǎng)。

2 工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 洞型斷面選擇

吳莊隧洞是一條地質(zhì)條件相對(duì)較好的隧洞，洞內(nèi)水流流態(tài)為無(wú)壓流。根據(jù)工程類比和經(jīng)濟(jì)比較分析，過水?dāng)嗝嬷饕容^了圓拱直墻型和馬蹄型兩種方案。圓拱直墻型優(yōu)點(diǎn)是水力條件好，相同水力條件下斷面尺寸比馬蹄型略小，且施工簡(jiǎn)便；缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)受力條件不太好。馬蹄型的優(yōu)缺點(diǎn)與圓拱直墻型相反。圓拱直墻型適用于地質(zhì)條件較好的隧洞，馬蹄型多用地質(zhì)條件較差的隧洞。吳莊隧洞地質(zhì)條件較好，如果采用馬蹄型斷面，雖然其受力條件好，但Ⅱ、Ⅲ類圍巖段也必須減糙襯砌，并沒有發(fā)揮馬蹄型受力好的優(yōu)點(diǎn)，并且施工困難故確定吳莊隧洞洞型為圓拱直墻型斷面。

2.2 隧洞進(jìn)出口位置的確定

吳莊隧洞進(jìn)口山前坡地高程為71.0～86.0m，出口山前坡地高程為69.0～101.0m，為坎狀梯田。山前坡地上部為第四系復(fù)蓋層，其下部為含燧石條帶白云巖，巖性單一，基巖面較陡。根據(jù)地質(zhì)條件分析，選定隧洞進(jìn)口位置處地面高程84m，巖面高程78m，隧洞洞底高程62.075m，隧洞洞身為弱風(fēng)化巖，巖體較好，成洞條件優(yōu)越，另有規(guī)模較小、陡傾角的節(jié)理帶，但影響范圍較小，施工采用“新奧法”進(jìn)洞是完全可行的。隧洞出口選定位置處地面高程為94m，巖面高程為83m，隧洞洞底高程61.697m，隧洞洞身位于弱風(fēng)化巖上部，巖層產(chǎn)狀平緩，沒有明顯的節(jié)理和破碎帶，成洞條件較好。

在實(shí)際開挖過程中，進(jìn)口洞身為弱風(fēng)化巖，巖體較好，洞口只進(jìn)行了鎖口支護(hù)，采取錨噴支護(hù)即順利進(jìn)洞；出口處巖石為強(qiáng)風(fēng)化條帶白云巖，進(jìn)洞采取了超前注漿小導(dǎo)管、格柵鋼架預(yù)支護(hù)和錨噴支護(hù)聯(lián)合運(yùn)用的方式，保證了安全進(jìn)洞。因此選定的洞口位置是比較理想合適的。

2.3 隧洞進(jìn)口底高程的確定

隧洞的斷面規(guī)模取決于上下游渠道的水力要素，輸水流量，分配水頭和洞底高程的縱向布置。洞底高程的縱向布置一般采用上下游渠底高程連線。

南水北調(diào)總干渠水深淺、縱坡緩、給定建筑物設(shè)計(jì)水頭小，洞底直接布置在相應(yīng)的上下游渠底高程連線上，造成其斷面呈扁平狀，結(jié)構(gòu)受力條件較差。

通過設(shè)計(jì)研究和水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)采用降低隧洞縱向底高程0.7m方案，增加了洞內(nèi)水深，減少了隧洞寬度，提高了隧洞斷面的利用率，降低值在一定程度內(nèi)對(duì)隧洞洞內(nèi)和進(jìn)出口的水流流態(tài)及過流能力影響不大，因此這一措施切實(shí)可行。隧洞底高程降低后，洞徑減小了，相應(yīng)的隧洞間距減小了，進(jìn)出口連接段工程量減少了，同時(shí)改善了隧洞的受力狀態(tài)，因而提高了工程的安全度。

2.4 隧洞洞身結(jié)構(gòu)尺寸確定

隧洞的斷面規(guī)模取決于上下游渠道的水力要素、輸水流量、分配水頭和隧洞的縱向布置。為了確定合理的設(shè)計(jì)過水?dāng)嗝妫x取了不同的洞內(nèi)水深、底寬及縱坡進(jìn)行水力計(jì)算。計(jì)算方法以設(shè)計(jì)流量下長(zhǎng)洞洞內(nèi)產(chǎn)生均勻流為基礎(chǔ)，聯(lián)解進(jìn)出口各斷面能量方程，通過試算，計(jì)算出不同底寬時(shí)相應(yīng)的洞內(nèi)水深和縱坡。通過計(jì)算分析確定吳莊隧洞設(shè)計(jì)縱坡為 1/5870，過水?dāng)嗝娉叽鐬?7.8m×8.15m（寬×高）。

2.5 進(jìn)出口分流角、匯流角的確定

吳莊隧洞采用雙洞線方案，上游總干渠水流必須經(jīng)分流墩使其分流進(jìn)入隧洞，而出口水流亦必須經(jīng)匯流墩使其匯流進(jìn)入總干渠。

根據(jù)工程實(shí)踐，隧洞進(jìn)口分流角度和出口匯流角度一般為25°～60°，根據(jù)水流流速大小而定。角度較大時(shí)，相應(yīng)漸變段長(zhǎng)度減小，水頭損失增大，當(dāng)角度較小時(shí)，則漸變段長(zhǎng)度相應(yīng)增大，水頭損失減小?？紤]本工程分配水頭較小，隧洞較長(zhǎng)的情況，進(jìn)口分流角度采用30°，出口匯流角度采用25°。從水工模型試驗(yàn)看，此種布置水流平順，說(shuō)明角度選擇合適。

2.6 洞間巖體厚度的確定

確定隧洞兩洞之間巖體厚度，根據(jù)工程地質(zhì)條件，參照已建工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，綜合分析確定。

SL279—2002《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：相鄰兩條隧洞間巖體的厚度，應(yīng)根據(jù)布置的需要、地質(zhì)條件、圍巖承受的內(nèi)水壓力、圍巖的應(yīng)力和變形、隧洞橫斷面尺寸和形狀、施工方法和運(yùn)行情況等因素綜合分析決定，一般不宜小于二倍開挖洞徑（或洞寬）。巖體較好時(shí)，該值可適當(dāng)減小，但不應(yīng)小于一倍開挖洞徑（或洞寬）。

吳莊隧洞進(jìn)出口部位的圍巖節(jié)理裂隙較發(fā)育，屬穩(wěn)定性較差的巖石，為確保隧洞進(jìn)出口的安全，隧洞之間的巖體厚度采用2.0倍的開挖洞徑，即巖體厚度為19m。

通過以相鄰兩隧洞的破壞拱互不重疊為條件計(jì)算洞間巖體厚度，并采用《典型類比分析法圍巖穩(wěn)定分析軟件包BMP2000》程序有限元分析洞室間相互影響，確定兩洞巖柱厚度采用19m，整個(gè)洞室是穩(wěn)定的。

2.7 洞身支護(hù)與襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)按新奧法進(jìn)行設(shè)計(jì)，以工程類比為主，并通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)進(jìn)行工程實(shí)踐檢驗(yàn)、確認(rèn)和修正，必要時(shí)輔以理論計(jì)算驗(yàn)算確定支護(hù)參數(shù)，進(jìn)行隧洞支護(hù)設(shè)計(jì)。

2.7.1 一般地質(zhì)洞段

根據(jù)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、結(jié)構(gòu)斷面大小、施工方法等，通過工程類比，選定洞身的支護(hù)型式。Ⅱ、Ⅲ類圍巖采用錨桿、噴射混凝土支護(hù)作為永久支護(hù)，并配以減糙混凝土襯砌。錨桿、噴射混凝土層主要用于加固圍巖，并與圍巖形成整體拱圈，承擔(dān)因開挖圍巖松馳變形引起的荷載。局部混凝土襯砌主要是減小過水?dāng)嗝娑幢诘牟诼?，混凝土襯砌厚度為25cm。Ⅳ類圍巖采用初期支護(hù)和二次襯砌。初期支護(hù)采用錨桿、鋼筋網(wǎng)噴射混凝土支護(hù)，外側(cè)采用全斷面混凝土襯砌，厚度為70cm。

2.7.2 不良地質(zhì)洞段

對(duì)于受地質(zhì)構(gòu)造影響嚴(yán)重的洞段，開挖臨空后的數(shù)小時(shí)內(nèi)可能剝落或局部坍塌，進(jìn)行預(yù)支護(hù)、初期支護(hù)和二次襯砌。初期支護(hù)采用格柵鋼架、錨桿和鋼筋網(wǎng)噴射混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)。預(yù)支護(hù)采用超前錨桿和注漿小導(dǎo)管兩種方式，施工時(shí)結(jié)合實(shí)際地質(zhì)情況和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況確定最終參數(shù)。二次襯砌采用全斷面混凝土襯砌，厚度為80cm。

2.7.3 錨桿、噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì)

錨噴支護(hù)的原則是：錨桿、噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)或其他類型的支護(hù)聯(lián)合共同作用，由它們分別提供抗力，維持圍巖的穩(wěn)定。錨噴支護(hù)參數(shù)根據(jù)GB50086—2001《錨桿噴射混凝土支護(hù)規(guī)范》及水利、鐵路、公路等已建工程進(jìn)行類比，并結(jié)合本工程巖石傾角較緩的特點(diǎn)綜合選用。

具有一定密度的系統(tǒng)錨桿可以向洞壁施加一定支護(hù)力，從而提高圍巖的穩(wěn)定性，系統(tǒng)錨桿應(yīng)穿過塑性區(qū)，進(jìn)入彈性區(qū)應(yīng)有一定的深度，通過計(jì)算并綜合分析確定錨桿參數(shù)。錨噴支護(hù)參數(shù)確定從設(shè)計(jì)到施工是系統(tǒng)工程，必須在施工開挖過程中通過現(xiàn)場(chǎng)圍巖變形監(jiān)測(cè)和信息反饋不斷予以修正，使工程達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)、合理。

2.7.4 鋼筋混凝土全斷面襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于Ⅳ類圍巖區(qū)和斷層破碎帶洞段全斷面，鋼筋混凝土襯砌均進(jìn)行了基本和特殊組合共計(jì)7種工況的計(jì)算。計(jì)算荷載考慮了垂直、水平山巖壓力，內(nèi)、外水壓力，灌漿壓力等。結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算采用“隧洞襯砌計(jì)算通用程序”。

頂拱、側(cè)墻、底板除個(gè)別工況、個(gè)別部位為大偏心受拉構(gòu)件外，其余均為偏心受壓構(gòu)件。通過結(jié)構(gòu)計(jì)算和限裂計(jì)算，襯砌段各構(gòu)件裂縫開展寬度控制在0.25mm之內(nèi)，滿足要求。

3 結(jié)語(yǔ)

吳莊隧洞作為南水北調(diào)中線工程的一座控制性建筑物，集大流量、低水頭、大斷面，地質(zhì)條件復(fù)雜等特點(diǎn)?？偨Y(jié)了吳莊隧洞洞身斷面的選擇，隧洞進(jìn)出口位置、進(jìn)口底高程、洞身結(jié)構(gòu)尺寸、進(jìn)出口分流角和匯流角確定的原則和方法，以及洞身支護(hù)參數(shù)的選擇與襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算的方法，可供類似輸水隧洞設(shè)計(jì)借鑒。

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

［2］武漢水利電力學(xué)院水力學(xué)教研室編.水力計(jì)算手冊(cè)［K］.北京：水利電力出版社，1980.

［3］段樂齋.水利水電工程地下建筑物設(shè)計(jì)手冊(cè)［K］.重慶：四川科學(xué)技術(shù)出版，1993.

［4］總參參工程兵第四設(shè)計(jì)研究院.圍巖穩(wěn)定分析軟件包BMP2000程序［R］.2000.

［5］DL5007—2002，水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［6］巖土工程手冊(cè)編委會(huì).巖土工程手冊(cè)［K］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1994.

［7］SL191—2008，水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［8］GB50086—2001，錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范［S］.