東山供水工程輸水隧洞設計簡述

郭彩紅

（山西省水利水電勘測設計研究院，山西 太原 030024）

東山供水工程輸水隧洞設計簡述

郭彩紅

（山西省水利水電勘測設計研究院，山西 太原 030024）

東山供水輸水隧洞是東山供水工程的關鍵和控制性分項工程。根據(jù)工程地形地質(zhì)、施工運行、沿線建筑物及對周圍環(huán)境的影響，通過結構計算確定隧洞的斷面型式、襯砌，并確定相應的支護方式、防滲排水等，可為類似工程提供借鑒。

明流無壓隧洞；有壓隧洞；TBM施工隧洞；東山供水工程

1 工程概述

東山供水工程是山西省一項跨流域引調(diào)水工程，從山西省富水區(qū)清漳河流域、濁漳河流域調(diào)水到貧水區(qū)的汾河流域，實現(xiàn)了省內(nèi)汾河流域中游與漳河流域上游連通，是山西大水網(wǎng)規(guī)劃體系中的重要組成部分。

本工程大部分隧洞工程集中在輸水線路1號隧洞進口流量調(diào)節(jié)閥室至北圖劃段需穿越清漳河、濁漳河的分水嶺（香煙嶺），云竹水庫至東團城、東團城至源神廟水庫需穿越清漳河、汾河分水嶺。輸水隧洞分明流無壓隧洞和有壓隧洞。明流無壓隧洞共8條，分別為1號洞、5號洞、6～11號洞，總長72164m；有壓隧洞6條，洞內(nèi)穿PCCP及鋼管的直徑1200～2000mm，分別為2～4號洞、關河支洞、石匣導流洞、二期隧洞，總長3296m。

2 隧洞布置

2.1 洞線及縱坡選擇

隧洞線路是供水工程線路的一部分，洞線布置應服從輸水系統(tǒng)總體布置要求，還需綜合考慮地形地質(zhì)、施工運行、沿線建筑物及對周圍環(huán)境的影響等因素，通過技術經(jīng)濟比較選定結構設計。

明流無壓隧洞，根據(jù)運用要求、上下游水位銜接、沿線建筑物底部高程，以及施工檢修條件、不淤流速、工程投資和運行管理費等因素，通過技術經(jīng)濟比較選擇縱坡。有壓隧洞縱坡按沿線壓力管線的縱坡確定。

2.2 洞型斷面選擇

2.2.1 明流無壓隧洞

明流無壓隧洞的選擇主要考慮地形地質(zhì)、施工及結構等因素，針對工程情況，確定為城門洞型。隧洞斷面除滿足施工設備布置要求外，還應滿足輸水能力要求。根據(jù)流量、水深、縱坡的不同，隧洞斷面在滿足要求和過流能力的前提下，盡量采用最小的斷面面積。

2.2.2 有壓隧洞

結合工程總體布置，有壓隧洞洞內(nèi)安裝PCCP及鋼管。隧洞應滿足管道安裝的需求，斷面采用圓形及城門洞型，采用混凝土回填。洞內(nèi)穿PCCP及不同管徑的鋼管，針對不同的管徑選取不同的隧洞斷面。

3 隧洞水力計算

根據(jù)總體方案，為確保明流無壓隧洞在不同流量下均能安全、穩(wěn)定地運行，在確定隧洞的斷面形狀、底坡后，可用明渠均勻流理論試算確定隧洞水位、水深、流速、凈空等水力要素，進而驗證工程布置、斷面型式、尺寸及隧洞縱坡的合理性。

明流無壓隧洞按明渠均勻流公式計算：

式中：Q——流量，m3/s；

A——過水斷面面積，m2；

n——糙率，取值0.014；

R——水力半徑，m；

i——斷面底坡，取各隧洞的縱坡。

設計水深計算：由于隧洞洞線基本為直線，水流狀態(tài)按明渠均勻流分析，洞內(nèi)水深沿程不變。根據(jù)隧洞不同斷面，在設計最大流量工況下，進行水力計算。

4 隧洞結構設計

本工程中以Ⅳ、Ⅴ類圍巖為主，因此隧洞襯砌結構設計采用結構力學方法進行，計算采用規(guī)范中隧洞襯砌設計程序，輔以有限元分析并結合類似隧洞工程進行分析。

作用于襯砌上而使結構產(chǎn)生變形的荷載，分主要荷載和附加荷載。主要荷載指長期及經(jīng)常作用的荷載，有圍巖壓力、回填土壓力、襯砌自重、內(nèi)外水壓力荷載等；附加荷載指非經(jīng)常作用的荷載，有襯砌背后注漿壓力、凍脹壓力、混凝土收縮應力、溫度應力以及地震力等。計算荷載時應根據(jù)上述兩類荷載同時存在的可能性進行組合，并選用相應的安全系數(shù)驗算結構強度。

在各荷載組合下計算隧洞鋼筋混凝土襯砌厚度，并驗算接縫寬度，結果均能滿足驗算要求。

5 隧洞支護設計

隧洞支護采用錨桿、掛網(wǎng)和噴混凝土作為主要的支護形式，并與鋼筋混凝土襯砌相結合，對隧洞圍巖起到了良好的保護作用。噴錨支護是使錨桿、混凝土噴層和圍巖形成共同作用的體系并且作為永久支護結構的一次支護，噴錨網(wǎng)支護設計參數(shù)主要是確定錨桿密度、錨桿長度和材質(zhì)、止水措施、噴錨網(wǎng)面層結構及整體穩(wěn)定性驗算等。設計參數(shù)主要依據(jù)工程類比法，并結合本工程圍巖類別分析確定。設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計。鋼筋混凝土襯砌作為永久支護結構的二次支護，與一次支護共同組成復合式襯砌，并可適當提高圍巖類別或降低圍巖荷載，用結構計算確定襯砌厚度和配筋結果。

5.1 有壓隧洞

該隧洞段主要為安裝PCCP及鋼管服務，跨徑小，斷面圍巖相對穩(wěn)定。一次支護全斷面噴100mm厚C20素混凝土，在頂拱180°范圍內(nèi)設直徑25mm的水泥砂漿錨桿，掛150mm×150mm鋼筋網(wǎng)；待PCCP及鋼管安裝完畢后，進行二次支護，洞內(nèi)全斷面回填C15素混凝土。

5.2 明流無壓隧洞

基本穩(wěn)定的Ⅲ類圍巖：頂拱180°范圍內(nèi)設直徑25mm水泥砂漿錨桿，間排距1m，梅花型布置；全斷面采用現(xiàn)澆250～300mm厚C25鋼筋混凝土襯砌，頂拱120°范圍內(nèi)回填灌漿。

穩(wěn)定性差的Ⅳ類圍巖：除底板外，內(nèi)掛直徑8mm鋼筋網(wǎng)（150mm×150mm），噴100mm厚的C20混凝土；設直徑25mm水泥砂漿錨桿，間排距1m，梅花型布置；全斷面采用現(xiàn)澆300～350mm厚C25鋼筋混凝土襯砌，頂拱120°范圍內(nèi)回填灌漿。

不穩(wěn)定的Ⅴ類圍巖：一次支護同Ⅳ類圍巖洞段；特別不穩(wěn)定段采用鋼支撐支護；二次襯砌全斷面現(xiàn)澆350～400mm厚C25鋼筋混凝土，頂拱120°范圍內(nèi)回填灌漿。

5.3 TBM施工隧洞段

9號隧洞TBM施工段為圓形斷面，預制混凝土管片拼裝式結構襯砌，襯砌后由于管片與圍巖之間存在空隙，可以充填豆礫石后進行回填灌漿，使之達到更好的結構穩(wěn)定和防滲止水作用。

5.4 土洞段及巖土過渡段

采用管棚加鋼拱架支護，掛網(wǎng)噴混凝土100mm?，F(xiàn)澆厚400mm的C25鋼筋混凝土圓形全封閉結構作為二襯，并在頂拱180°范圍內(nèi)回填灌漿。

5.5 特殊洞段

對施工中超前鉆探孔出水量大的洞段，采用超前預注漿堵水和加固圍巖。對于局部地下水位較高洞段，襯砌后打排水孔減壓，保證結構安全。

6 隧洞防滲設計

本工程明流輸水隧洞長72.164km，其中1號隧洞、9～10號隧洞為長距離輸水隧洞。

6.1 現(xiàn)澆混凝土襯砌洞段

Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ類圍巖及土洞段環(huán)向伸縮縫用651型橡膠止水帶止水，聚乙烯閉孔泡沫塑料板填縫；縱向施工縫中設遇水膨脹防水條。在巖土洞過渡段洞端采取固結灌漿，形成阻水帷幕，防止內(nèi)水外滲，對洞周圍土體形成有效保護。

6.2 TBM施工管片襯砌洞段

管片襯砌止水系統(tǒng)主要分為豆礫石回填灌漿層、橡膠止水條、防水膨脹砂漿。根據(jù)不同體型管片使用條件，采用不同型式的止水。對于無外水洞段的橡膠帶，其基座為可壓縮橡膠，上層為遇水膨脹橡膠；有外水洞段僅為可壓縮橡膠。

7 隧洞排水設計

本工程供水線路隧洞段大部分為有地下水洞段，分別穿過清漳河與濁漳河、汾河與濁漳河的分水嶺二蘭山和子金山。分水嶺段隧洞埋深較大，最大埋深達600余m，地下水位較高，洞頂上水頭較大，并存在斷層破碎帶。外水作用在高外水洞段對隧洞的襯砌作用影響較大。如果水頭超過60m，對于抵抗外水壓力，采取襯砌加厚、配筋加強或固結灌漿等方式顯然不經(jīng)濟。因此需對隧洞襯砌設置排水，來緩解外水壓力。對于高外水洞段，可以采用固結灌漿堵水，排水孔降壓的方式，并遵循先堵后排、堵排結合的原則來進行。

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］1004-7042（2016）07-0031-02

郭彩紅（1979-），女，2006年畢業(yè)于華北水利水電學院水利水電工程專業(yè)，工程師。

2016-05-10；

2016-06-21