中部引黃工程總干線3#隧洞設(shè)計特點

李麗華

中部引黃工程總干線3#隧洞設(shè)計特點

李麗華

中部引黃工程為一長距離輸水工程，輸水總干線共有隧洞4條，3#隧洞長119.23 km，隧洞沿線穿越巖層類型多、埋深大，地形地質(zhì)條件十分復(fù)雜，周邊環(huán)境制約因素多，是本工程最關(guān)鍵的洞段。主要介紹3#隧洞的布置及設(shè)計要點，可為長隧洞工程的設(shè)計提供參考。

洞線布置 洞型選擇 支護襯砌

1 工程概況

中部引黃工程是山西省 “十二五”規(guī)劃建設(shè)中一項重點工程，工程包括取水工程和輸水工程。輸水工程包括總干線、東干線、西干線以及各供水支線，輸水線路總長384.5 km。其中總干線起點接首部取水泵站出水池，終點至東西干分水閘，全長200.22 km；東干線長28.76 km，西干線長85.70 km，各供水支線長69.82 km。總干線由4條隧洞、埋管及渠道組成，其中3#隧洞為超長無壓輸水隧洞，隧洞全長119.23 km（巖石段長117.18 km，土洞段長2.05 km），施工采用TBM施工和鉆爆法施工。該隧洞沿線穿越巖層類型多、埋深大，地形地質(zhì)條件十分復(fù)雜，周邊環(huán)境制約因素多，是本工程最關(guān)鍵的洞段。

本文主要從3#隧洞的布置，洞型選擇及支護襯砌三方面，將隧洞在復(fù)雜情況的設(shè)計要點進行詳細闡述分析。

2 隧洞布置

隧洞洞線布置要根據(jù)樞紐布置、動能經(jīng)濟指標(biāo)、地形地質(zhì)、生態(tài)環(huán)境與施工條件等基本資料，結(jié)合進出口布置、沿線的巖體覆蓋厚度等因素，確定隧洞洞線的平面、縱剖面、縱坡。

3#隧洞洞線綜合考慮了地形、地質(zhì)、水力學(xué)、施工、運行、沿線分水建筑物及周圍環(huán)境的影響等因素，并重點考慮TBM與鉆爆法結(jié)合的施工方案合理選定。在滿足工程總布置要求的條件下，3#隧洞布置在低中山區(qū)，沿線河流及沖溝發(fā)育。隧洞最大埋深610 m，埋深300～610 m洞段長75.6 km，埋深小于300 m洞段長43.6 km。隧洞洞身穿過地層主要為寒武系、奧陶系及變質(zhì)巖地層，約有2.1 km過土洞段，21.7 km過Pt、Ar斜長角閃巖及石英巖段，其余均穿過∈、O系灰?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r、頁巖。工程沿線穿過4條斷層FB1、FB4、FB5、FB14。Ⅲ類圍巖長約73.2 km、Ⅳ類圍巖長約13.3 km、Ⅴ類圍巖長約32.8 km（含土洞段）。選定的線路TBM施工洞段長41.355 km，鉆爆法施工洞段長77.879 km。共布置29條施工支洞，總長28.982 km。

隧洞部分洞段穿越天橋泉及柳林泉域，沿線地下水為裂隙巖溶水（區(qū)域及層間水）與松散巖類孔隙水。根據(jù)沿線鉆孔資料可知，有約36 km長的洞段位于地下水以下，洞頂含水層厚度一般為100 m以上，最大達280 m。

隧洞采用全線自流輸水方式，縱坡在需滿足不淤流速要求的前提下，綜合考慮運用要求、上下游銜接、沿線建筑物高程、施工和檢修條件以及沿線分水設(shè)施等因素后確定。最終選定縱坡為：采用TBM施工的樁號總77+040.9—總118+395.8段，確定為1/2 500，其余洞段縱坡為1/3 000。洞線高程在997.73～966.00 m，水源泵站地形揚程為197.56 m。

3 隧洞型式選擇

3.1 斷面過流條件

隧洞斷面形狀及尺寸選擇主要根據(jù)水力學(xué)條件及水文地質(zhì)、襯砌工作條件、地應(yīng)力情況以及施工方法等因素，通過技術(shù)經(jīng)濟比較后確定。

圓形斷面或馬蹄形斷面受力條件好，對地質(zhì)條件適應(yīng)性強，對圍巖穩(wěn)定有利且較經(jīng)濟；城門洞斷面對地質(zhì)條件適應(yīng)性不如圓形或馬蹄形斷面，但施工方便，無壓條件下洞內(nèi)水力學(xué)條件容易滿足。3#隧洞為無壓輸水隧洞，用明渠均勻流理論進行試算確定洞身段斷面尺寸。對于長距離輸水隧洞，在通過設(shè)計流量時，無壓洞洞內(nèi)水面線以上空間不小于隧洞斷面面積的20%，凈空高度應(yīng)大于0.4 m。

為確保輸水建筑物在運行期各級流量下能夠安全、穩(wěn)定地運行，需對沿線輸水建筑物進行系統(tǒng)水力學(xué)計算，求解全線各建筑物之間的水流銜接狀態(tài)以及沿程水位、水深、流速、凈空等水力要素，進而確定工程布置、斷面型式和斷面尺寸的合理性。

式中 Q——設(shè)計流量，m3/s；

ω——過水面積，m2；

n——糙率，0.014；

R——水力半徑，m；

i——縱向比降。

輸水隧洞水力計算成果見表1。

3.2 斷面形式隧洞計算采用明渠均勻流公式計算：

表1 3#隧洞水力計算成果表

3#隧洞經(jīng)經(jīng)濟技術(shù)比較后，采用圓形、馬蹄形和城門洞形3種斷面。TBM洞段受施工方法限制采用底部帶軌道平臺的圓形斷面，內(nèi)徑4.3 m；地質(zhì)條件較差、外水壓力高的巖洞段采用圓形斷面，內(nèi)徑4.3 m；土洞圍巖自穩(wěn)性差，采用馬蹄形斷面，頂拱內(nèi)緣為半徑2.1 m的半圓弧，側(cè)墻及底板內(nèi)緣為半徑4.2 m的半圓?。坏刭|(zhì)條件較好的巖洞段采用城門洞型斷面，圓拱中心角Ⅲ類、Ⅳ類圍巖為150°、Ⅴ類圍巖為180°，凈寬3.8～4.0 m，凈高4.86～5.04 m。

3.3 TBM與鉆爆法的選擇

近年來，隨著施工技術(shù)的發(fā)展，TBM施工技術(shù)在隧洞工程中成功運用。采用TBM施工最大的優(yōu)點是：施工技術(shù)裝備水平高、施工進度快、安全保證程度高、施工質(zhì)量容易控制；缺點是按照同規(guī)模的隧洞與鉆爆法施工比較，單位長度隧洞的投資略高于鉆爆法。鉆爆法施工的優(yōu)點是：施工技術(shù)成熟、投資比TBM施工略低；缺點是受其施工工藝的制約，施工進度較慢，安全保障程度差，而且以爆破作業(yè)為主的施工方法會對周圍環(huán)境造成負面影響。

本著因地制宜的原則，采用鉆爆法與TBM相結(jié)合的施工方案。3#隧洞 （總77+040.9—總118+ 395.8）洞段最大埋深610 m，洞身穿過的地層為奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組中段深灰色、灰黑色厚層灰?guī)r、豹皮狀灰?guī)r，具備TBM施工條件。根據(jù)施工工期、地質(zhì)條件、隧洞洞徑和投資造價等多方面比選，采用TBM施工比較合適，其余洞段采用鉆爆法施工。該施工方案較全線采用鉆爆法節(jié)省工期5個月。

4 支護及襯砌設(shè)計

支護和襯砌目的是保持圍巖穩(wěn)定，減少洞壁糙率，滿足所要求的水利條件，承受巖石壓力、水壓力，滿足防滲、環(huán)境保護要求，防止巖石風(fēng)化、水流沖刷及溫度、濕度、大氣等因素對圍巖的破壞。

3#隧洞支護設(shè)計采用噴錨支護和現(xiàn)澆混凝土襯砌聯(lián)合支護型式。噴錨支護作為永久支護結(jié)構(gòu)的一次支護，其設(shè)計參數(shù)的選定主要依據(jù)工程類比法，并結(jié)合本工程圍巖類別分析確定。設(shè)計中特別加強了土洞、地下水等特殊地質(zhì)條件洞段的一次支護設(shè)計?，F(xiàn)澆混凝土作為永久支護結(jié)構(gòu)的二次支護，因一次支護、預(yù)注漿對圍巖的加固處理作用，二次支護可適當(dāng)提高圍巖類別或降低圍巖荷載，用結(jié)構(gòu)計算確定襯砌厚度。

4.1 城門洞形隧洞

城門洞形隧洞不同圍巖類型的支護及襯砌形式如下：

Ⅲ類圍巖：噴C20混凝土80 mm；頂拱范圍內(nèi)設(shè)Φ25 mm隨機錨桿，長2.0 m。

Ⅳ類圍巖：噴C20混凝土100 mm；頂拱范圍內(nèi)設(shè)Φ25 mm系統(tǒng)錨桿，長2.0 m，間排距1.0 m，梅花形布置。

Ⅴ類圍巖：噴C20混凝土120 mm；頂拱范圍內(nèi)設(shè)Φ25 mm系統(tǒng)錨桿，長2.0 m，間排距1.0 m，梅花形布置；頂拱及側(cè)墻掛Φ8@150 mm鋼筋網(wǎng)，必要時輔以鋼拱架。

4.2 馬蹄形隧洞

土洞段隧洞斷面采用馬蹄形斷面：除底板外，內(nèi)掛Φ8 mm鋼筋網(wǎng) （15 cm×15 cm），噴C20混凝土12 cm厚；全斷面C25鋼筋混凝土襯砌40 cm，頂拱100°范圍內(nèi)回填灌漿，灌漿壓力0.2 MPa。局部土體松散地段，洞寬3 m以下時采用14工字鋼加Φ42 mm超前小導(dǎo)管超前支護，洞寬3 m以上（包括3 m）時采用20a工字鋼加Φ42 mm超前小導(dǎo)管超前支護。

4.3 圓形隧洞

TBM施工圓洞段：3#隧洞TBM段長 41.355 km，開挖直徑4.98 m，襯砌后直徑4.3 m。襯砌為預(yù)制混凝土管片拼裝式結(jié)構(gòu)，4片管片組成1環(huán)，管片型式為六邊形蜂窩狀結(jié)構(gòu)，厚30 cm，寬1.2 m，管片與圍巖之間的空隙，用豆礫石充填并進行回填灌漿，厚度90 mm，使之密實，以達到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和防滲止水效果。管片與管片環(huán)向縫之間用2個機械連接銷鎖定。

鉆爆法施工圓洞段3#隧洞鉆爆法施工圓洞段（總118+395.8—總124+614.2）各類圍巖的支護形式與城門洞形斷填灌漿，灌漿壓力0.2 MPa。

5 特殊洞段的處理

5.1 高外水壓力洞段

根據(jù)沿線鉆孔資料可知，3#隧洞有約36 km長的洞段位于地下水以下，洞頂含水層厚度一般為100 m以上，最大達280 m。隧洞設(shè)計按3種情況處理：對于作用水頭小于10 m的洞段，與前述初次支護和二次襯砌設(shè)計相同；作用水頭大于10 m的洞段，在隧洞內(nèi)設(shè)計水面線以上設(shè)置排水管，以減小隧洞襯砌的外水壓力，同時將二次襯砌厚度加厚，并適當(dāng)增加受力鋼筋；對于不宜設(shè)置排水孔的隧洞段，采取超前固結(jié)灌漿、加大襯砌厚度的方式，以減小外水壓力對襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的影響。

5.2 深埋隧洞段

3#隧洞最大埋深610 m，埋深300～610 m洞段長75.6 km，埋深小于300 m洞段長43.6 km。根據(jù)地質(zhì)資料，這些洞段可能出現(xiàn)圍巖大變形、塌方、巖爆、地應(yīng)力、高外水壓力、突水、突泥、涌水和有害氣體等地質(zhì)問題。超前地質(zhì)預(yù)報是確保隧洞施工安全的重要技術(shù)手段，因此，設(shè)計中除考慮采用加強初期支護和二次襯砌的措施外，還提出了進行超前地質(zhì)預(yù)報和施工臨時監(jiān)測的技術(shù)要求。

5.3 斷層處理

3#隧洞沿線穿過FB1、FB4、FB5、FB14四條斷層。對于這些斷層的處理，主要結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報及超前鉆探，查明掌子面前方及地下水分布狀況及水量后，采用超前固結(jié)灌漿、加強初期支護和二次襯砌的方式，以確保施工及結(jié)構(gòu)的安全。

6 結(jié)語

綜合3#隧洞的設(shè)計，在復(fù)雜情況下，隧洞設(shè)計要點得到了充分的體現(xiàn)，隧洞設(shè)計的難點及注意事項得到了極大的應(yīng)用。其中根據(jù)水力條件和不同工程地質(zhì)及施工方法，采用的不同洞形型式和襯砌。 TBM洞段施工及鉆爆法洞段施工快速、便捷并適應(yīng)地基能力強，有效縮短了工期，節(jié)省了投資，提高了水的利用率。3#隧洞的合理設(shè)計，提高了整個工程的施工效率，保證了效益的正常發(fā)揮。

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2015-08-12）

李麗華 女 工程師 山西省水利水電勘測設(shè)計研究院山西太原 030024