淺談引水工程中無壓隧洞設計斷面型式的確定

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)

1 工程簡介

榆林黃河東線馬鎮(zhèn)引水工程主要是解決神木市窟野河河谷區(qū)、榆神工業(yè)區(qū)錦界工業(yè)園、榆神工業(yè)區(qū)清水溝工業(yè)園、榆陽區(qū)榆溪河以東工業(yè)園共四大片區(qū)的工業(yè)用水需求，設計水平年2025年引黃河水量2.9億 m3。該項目為榆林市重大水利基礎設施，也是陜西省重點建設的水利工程，工程設計從黃河右岸馬鎮(zhèn)葛富村取水，經(jīng)兩級泵站提水，往西至神木市以南的黃石溝沉沙調(diào)蓄庫入庫，經(jīng)水庫沉沙、調(diào)蓄；出庫干線經(jīng)壓力輸水穿窟野河至三級泵站，經(jīng)三級泵站提水至禿尾河，再穿禿尾河向西南方向，經(jīng)過四級、五級泵站提水加壓至榆陽區(qū)的石峁水庫。

出庫干線中最長的隧洞為12#無壓隧洞，位于三級泵站和四級泵站之間，洞長31.27 km，進口洞底高程997.15 m，出口洞底高程984.64 m，比降1/2 500，設計流量9.61 m3/s，隧洞采用馬蹄形斷面型式，洞身斷面尺寸3.3×3.3 m。

2 隧洞斷面型式確定

根據(jù)《水工隧洞設計規(guī)范》(SL279-2016)，隧洞斷面形狀與隧洞用途、地質(zhì)條件、施工方法、襯砌結(jié)構的工作條件等因素相關。本工程隧洞為無壓隧洞，隧洞可供選擇的斷面型式主要有圓拱直墻形、馬蹄形、圓形。

2.1 地質(zhì)條件

12#無壓隧洞圍巖主要為Ⅲ類砂巖，最大洞頂埋深275 m，平均埋深約120 m，洞頂最大外水壓力為174 m，平均外水壓力約100 m，地質(zhì)條件相對較好。但由于外水壓力較大，對結(jié)構的影響較大。

2.2 水力條件

根據(jù)規(guī)范要求，從水力條件、結(jié)構要求分析，在凈空比20%的條件下，計算得出圓拱直墻形、馬蹄形、圓形隧洞各種過水斷面。無壓隧洞過流能力計算采用明渠均勻流公式：

2.3 結(jié)構計算

根據(jù)SL279—2016《水工隧洞設計規(guī)范》推薦邊值的計算方法，采用結(jié)構力學方法進行洞身襯砌結(jié)構計算。計算程序采用" 水工隧洞鋼筋混凝土襯砌計算機輔助設計系統(tǒng) SDCAD 4.0 "(水利版)，其中Ⅲ類圍巖圍巖壓力采用系數(shù)法計算，Ⅳ、Ⅴ類圍巖圍巖壓力采用普氏計算。

1)外水壓力折減系數(shù)確定

根據(jù)工程地質(zhì)報告可知，隧洞開挖時結(jié)構面會出現(xiàn)滴水～線狀流水，不會有大的涌水，12#無壓隧洞建議外水壓力折減系數(shù)為0.15～0.35。結(jié)合《水工隧洞設計規(guī)范》(SL279—2016)外水壓力計算方法及折減系數(shù)的取值標準，12#隧洞在設置排水孔的情況下，Ⅲ類圍巖外水折減系數(shù)取0.15，Ⅳ、Ⅴ類圍巖外水折減系數(shù)取0.35(表1)。

表1 12#隧洞不同斷面水力計算結(jié)果

2)計算工況及荷載組合：

運行期：外水壓力+圍巖壓力+襯砌自重+內(nèi)水壓力等

檢修期：外水壓力+圍巖壓力+襯砌自重等

施工期：外水壓力+圍巖壓力+襯砌自重+灌漿壓力等

2.4 襯砌設計

12#隧洞總長31 274.12 m，Ⅴ類圍巖總長度約為153.78 m，占整個明流隧洞的0.5%，Ⅳ類圍巖總長度約為11 264.46 m，占整個明流隧洞的36.02%，Ⅲ類圍巖總長度約為19 855.88 m，占整個明流隧洞的63.48%；根據(jù)地質(zhì)勘查成果，并結(jié)合工程類比，對Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類圍巖分段采用不同一次支護及二次襯砌(見表2)。

表2 12#隧洞分段襯砌表

1)一次支護

Ⅲ類圍巖：采用Φ22隨機錨桿+C20混凝土噴護，混凝土噴護厚度8 cm；

Ⅳ類圍巖：Φ22系統(tǒng)錨桿+C20混凝土掛網(wǎng)掛噴護，錨桿單根長2 m，間排距1 m，交錯布置，掛φ6.5鋼筋，間距150×150 mm，混凝土噴護厚度10 cm；

Ⅴ類圍巖：Φ22系統(tǒng)錨桿+鋼拱架+ C20混凝土掛網(wǎng)掛噴護，錨桿單根長2 m，間排距1 m，交錯布置，掛φ6.5鋼筋，間距150×150 mm，鋼拱架間距0.8 m，混凝土噴護厚度15 cm。

2)二次支護

依據(jù)《水工隧洞設計規(guī)范》(SL279—2016)規(guī)定，雙層鋼筋混凝土襯砌厚度不宜小于0.4 m，結(jié)合結(jié)構計算結(jié)構及工程類比，12#無壓隧洞二次襯砌采用C30鋼筋混凝土，襯砌厚度為400 mm。

2.5 隧洞灌漿設計

隧洞灌漿設計包括回填灌漿和固結(jié)灌漿，根據(jù)規(guī)范要求，回填灌漿的范圍為頂部或頂拱中心角90°～120°，圍巖固結(jié)灌漿應根據(jù)隧洞工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、襯砌型式、施工對圍巖的影響程度以及運行要求，通過技術經(jīng)濟比較確定。

12#無壓隧洞回填灌漿布置隧洞拱頂范圍120°范圍內(nèi)，灌漿孔間排距2 m，交錯布置。根據(jù)地勘資料及工程類比，12#無壓隧洞按圍巖類別分段進行固結(jié)灌漿，其中，Ⅲ類圍巖不進行固結(jié)灌漿，Ⅳ圍巖頂拱120°范圍進行固結(jié)灌漿，Ⅴ類圍巖采用全斷面固結(jié)灌漿，間排距2 m，交錯布置。

2.6 不良地質(zhì)洞段處理

隧洞在穿越斷層破碎帶、過溝淺埋段及斷層破碎帶等不良地質(zhì)洞段時，采用超前固結(jié)灌漿對進行地層預注漿加固。超前固結(jié)灌漿采用φ100鋼管，單根長2 m，環(huán)向間距50 cm，外插角45°，管身設6～8 mm的注漿孔，孔間距15 cm，交錯布置。

3 不同隧洞斷面優(yōu)缺點比選

(1)從過流能力來看，相同條件下，圓形斷面水力條件好，隧洞斷面尺寸最小，馬蹄形斷面水力條件較好，隧洞斷面尺寸較小，圓拱直墻形斷面水力條件最差，隧洞斷面尺寸最大。

(2)從隧洞結(jié)構受力條件來看，12#隧洞襯砌厚度取決于外水壓力的大小，隧洞最大外水壓力177 m，平均外水壓力約100 m；相同條件下，圓形斷面、馬蹄形斷面受力條件好，襯砌厚度??；圓拱直墻形斷面受力條件差，襯砌配筋大。

(3)從運行管理條件來看，圓形斷面隧洞底拱半徑為1.65 m，后期檢修時，車輛通行比較困難，隧洞檢修清淤難度大；馬蹄形斷面隧洞底拱半徑為3.30 m，后期檢修時，車輛通行相對容易，隧洞檢修清淤難度較小；圓拱直墻形斷面隧洞底寬2.80 m，洞高3.81 m，檢修、清淤條件最好。

(4)從施工條件來看，圓拱直墻形斷面大，結(jié)構簡單，施工方便；圓形隧洞和馬蹄形隧洞隧洞較小，施工相對困難。

(5)從工程直接費來看，圓拱直墻形斷面工程直接費最大，為83 510.12萬元；圓形斷面次之，為79 572.02萬元；馬蹄形斷面最小，為76 744.39萬元。馬蹄形直接費投資比圓形節(jié)省2 827.63萬元，比圓拱直墻形直接費投資節(jié)省6 765.73萬元(表3)。

表3 12#隧洞不同斷面工程量及投資比較表

根據(jù)以上對比可知，圓拱直墻形斷面隧洞尺寸最大，施工、檢修條件最好，但受力條件稍差、工程直接費最高；圓形斷面隧洞尺寸工程直接費居中，但施工、檢修條件最差；馬蹄形斷面隧洞尺寸、工程直接費最小，施工、檢修條件相對較好。為了保證工程的順利實施，同時節(jié)約工程投資，榆林黃河東線馬鎮(zhèn)引水工程12#無壓隧洞斷面采用馬蹄形斷面，縱坡比降1/2 500，尺寸為寬度3.30×高度3.30 m(見圖1～圖3)。

圖1 圓拱直墻形斷面設計圖

圖2 馬蹄形斷面設計圖

圖3 圓形斷面設計圖

4 結(jié)語

榆林黃河東線馬鎮(zhèn)引水工程是榆林市重大水利基礎設施項目，工程的實施將為榆林能源化工基地的建設和運行提供可持續(xù)的水資源保障。出庫干線中12#隧洞全長31.27 km，是項目施工過程起控制工期的工程，合理的選擇隧洞設計斷面型式，不僅可以縮短工期，更能節(jié)省工程投資。本文根據(jù)工程區(qū)地形、地貌、地質(zhì)條件、水力條件，合理選擇參數(shù)進行結(jié)構計算，確定出隧洞一次支護和二次支護方式，不同的圍巖采取不同的灌漿設計，對不良地質(zhì)洞段采取特殊處理措施；通過對圓拱直墻形、馬蹄形、圓形三種斷面型式的隧洞工程量及投資比較，結(jié)合各種斷面型式隧洞的結(jié)構特點、水力條件、結(jié)構受力條件、施工難易程度、后期運行管理過程中檢修和清淤情況，綜合考慮最終確定本工程12#無壓隧洞設計斷面采用馬蹄形斷面。