某引水工程中輸水隧洞建設(shè)思路與方法淺析

李 旸

（甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000）

1 工程概況

某引水工程輸水干線全線長約150 km，沿線布置輸水隧洞40條，總長50.60 km，占線路總長的的1/3，最大設(shè)計流為7.5 m3/s，線路共布置1條有壓隧洞，斷面為圓形，設(shè)計斷面1.8 m，其余均為無壓隧洞，斷面為城門洞型，最大設(shè)計過水?dāng)嗝鏋?.2 m×3.6 m，設(shè)計底坡為1/1 000～1/5 000。輸水線路區(qū)總體屬中高山地貌，地形高峻陡峭，隧洞大多具有深埋大、斷面尺寸較小、施工困難等特點，其中線路工程中長度大于1 km的隧洞有23條，最長洞線4.54 km，最大埋深252 m，隧洞沿線大部分穿越地層巖性主要為砂巖、砂巖夾泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，隧洞圍巖為Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ類，地下水類型總體以基巖裂隙水及巖溶水為主，大部分隧洞段均處于地下水位以下，地下水位高出隧洞高程0～224 m，大部會有較強滴水或線狀水流影響，局部可能會產(chǎn)生涌水突泥或出現(xiàn)較大規(guī)模塌落、變形破壞。選擇工程地質(zhì)問題、隧洞長度及埋深帶有普遍性的代表隧洞作為典型進(jìn)行設(shè)計，對其共性及特殊性問題進(jìn)行分析并針對其給出處理方式，從而得出本工程的隧洞設(shè)計原則及控制目標(biāo)。

2 設(shè)計施工方法

2.1 隧洞設(shè)計原則

依據(jù)水工隧洞設(shè)計規(guī)范、結(jié)合輸水線路沿線地形地質(zhì)條件以及以往工程區(qū)隧洞設(shè)計施工經(jīng)驗[1]，隧洞設(shè)計的原則有：（1）隧洞軸線布置綜合考慮工程區(qū)地形、地質(zhì)條件及水文、施工、交通、環(huán)境及運行等因素，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定；（2）洞線選擇遵循線路短直，沿線地質(zhì)構(gòu)造簡單、巖體完整穩(wěn)定、水文地質(zhì)條件較好、選線應(yīng)盡量避開不良地質(zhì)地段；（3）盡可能避免對城市規(guī)劃、交通設(shè)施、專項設(shè)施的干擾，減少征地及移民、避開環(huán)境敏感區(qū)；（4）隧洞數(shù)量較多，單個隧洞長度和設(shè)計斷面尺寸不大，無壓隧洞均選擇城門洞型斷面，最小斷面應(yīng)滿足施工要求；（5）隧洞底坡考慮到隧洞開挖斷面和工程數(shù)量，節(jié)約襯砌材料，有利于施工，在條件允許時，縱坡應(yīng)盡可能大一些，但考慮到整個各分干線水面線銜接，因此無壓隧洞的底坡推薦為1/2 500和1/5 000，有壓隧洞底坡考慮到施工期排水因素，底坡為1/1 000。

2.2 糙率敏感性分析

本工程隧洞輸水流量均較小，設(shè)計流量0.5～7.5m3/s，總體隧洞斷面不大，現(xiàn)就設(shè)計流量Q=7.1 m3/s、底坡i=1/2 500情況下的隧洞斷面進(jìn)行隧洞混凝土糙率取值敏感性分析。敏感性分析原則為：輸水隧洞在設(shè)計流量、設(shè)計底坡為定值時，根據(jù)擬定不同的隧洞底寬，求得相應(yīng)的水深及過水?dāng)嗝娉叽?，根?jù)隧洞設(shè)計規(guī)范凈空面積要保證不小于過流面積18%，具體比較見表1。

從表1可以看出，隨著糙率取值每增加0.001，輸水隧洞斷面面積相應(yīng)的均勻增加，增加的幅度不大，平均0.333 m2，占平均面積的4.7%，因此從單條隧洞糙率變化來看，糙率取值對隧洞斷面的影響并不是很大，相應(yīng)地對工程量及投資的影響不大，但本輸水線路隧洞占整條線路長度的1/3，顯然糙率每增加一點對整個工程量及工程投資影響是很大的，因此總趨勢是糙率越小隧洞工程量越小，投資越省，但要滿足隧洞的最小施工斷面。

表1 隧洞混凝土襯砌糙率敏感性分析

綜合比較混凝土糙率取值敏感性、并參照已建隧洞輸水工程的混凝土糙率取值，本工程隧洞混凝土糙率取值取n=0.014。

2.3 計算方法

水力計算：無壓輸水建筑物為無壓過流，一般只在進(jìn)出水池、建筑物變化及漸變段一定范圍內(nèi)會出現(xiàn)非均勻流流態(tài)，而在長隧洞內(nèi)部仍將出現(xiàn)均勻流流態(tài)，該工程輸水線路較長，其中各無壓輸水建筑物的長度相對于其正常水深值均較大，且各輸水建筑物輸水流量均相對較小，因此無壓輸水隧洞水面線采用明渠恒定均勻流基本公式進(jìn)行計算。對于圓形有壓洞，過流能力按照《水力學(xué)計算手冊》中有壓隧洞公式進(jìn)行計算。

結(jié)構(gòu)計算：隧洞的結(jié)構(gòu)設(shè)計遵照水工隧洞設(shè)計規(guī)范，按照運行、施工以及檢修3種工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算，各工況隧洞荷載組合見表2。

表2 3種工況對應(yīng)荷載組合表

2.4 隧洞支護(hù)方法

由于隧洞地質(zhì)條件差、斷面小、洞線長，擬采用組合式支護(hù)方式，分2期施工，一次支護(hù)主要確保施工期間圍巖穩(wěn)定和施工安全，支護(hù)方式根據(jù)圍巖類別的不同采用錨噴、掛網(wǎng)、鋼支撐等，二次支護(hù)采用鋼筋混凝土襯砌，與一次支護(hù)聯(lián)合作用確保永久運行安全[2]。

2.4.1 一次支護(hù)

根據(jù)隧洞圍巖分類的不同一次支護(hù)采用的支護(hù)型式也不同，對Ⅲ類圍巖來講，圍巖穩(wěn)定性好，一次支護(hù)僅在隧洞頂拱采用掛網(wǎng)噴錨混凝土支護(hù)，邊墻不再支護(hù)，對Ⅳ類圍巖圍巖在邊頂拱采用掛網(wǎng)噴混凝土支護(hù)，并布置系統(tǒng)錨桿，對Ⅴ類圍巖圍巖除全斷面錨噴支護(hù)外，還應(yīng)采用鋼支撐支護(hù)，必要時采用超前錨桿、超前小導(dǎo)管等支護(hù)措施。

2.4.2 二次支護(hù)

輸水隧洞圍巖為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類，針對不同圍巖類別及不同地下水位情況，全洞段采用C25鋼筋混凝土襯砌，并根據(jù)隧洞不同圍巖類別及隧洞斷面的大小，采用不同的襯砌厚度，經(jīng)分析計算，Ⅲ類圍巖襯砌厚度0.3 m，Ⅳ、Ⅴ類圍巖襯砌厚度0.4 m。

2.5 隧洞灌漿與排水

隧洞灌漿：回填灌漿應(yīng)在隧洞頂拱120°范圍內(nèi)進(jìn)行，孔距和排距為2～3 m，梅花形布置，孔深深入圍巖50 mm以上，灌漿壓力視混凝土襯砌厚度和配筋情況確定。隧洞圍巖固結(jié)孔距和排距視圍巖類別的不同而不同，梅花形布置，孔深一般為0.5倍隧洞直徑，有防滲封閉要求時，孔深適當(dāng)加深。

隧洞排水方法：根據(jù)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件和環(huán)保要求，對隧洞進(jìn)行防滲與排水設(shè)計，隧洞的防滲與排水設(shè)計按照“堵”“截”“排”的原則，選擇單獨或綜合處理措施；無隧洞水面以上范圍內(nèi)設(shè)置排水孔，孔深均為3～5 m，間排距3～5 m，隧洞底部設(shè)0.4 m×0.4 m排水暗涵，引排至隧洞進(jìn)出口洞外。

3 不良地質(zhì)洞段處理方法

隧洞的特殊不良地質(zhì)情況包括高地應(yīng)力、高地溫、巖溶及突泥、突水、軟質(zhì) 巖成洞、煤洞采空區(qū)、活動斷裂等。其主要處理措施和方法如下[3]：

（1）隧洞開挖后，高地溫會引起混凝土襯砌結(jié)構(gòu)開裂，襯砌結(jié)構(gòu)受結(jié)構(gòu)變形后溫度殘余應(yīng)力等不利因素的影響，在常溫計算配筋成果基礎(chǔ)上適當(dāng)加大鋼筋的配置，留有適當(dāng)余地。

（2）隧洞巖溶及突水、突泥洞段處理。突水突泥災(zāi)害是目前隧洞施工中風(fēng)險最大的災(zāi)害之一。設(shè)計施工中應(yīng)采取以下措施：①做好超前預(yù)報。施工過程中應(yīng)加強地質(zhì)超前預(yù)報，針對不同的地質(zhì)情況采用新奧法或預(yù)固后挖等施工措施，對突水突泥災(zāi)害進(jìn)行災(zāi)害程度分析并確定風(fēng)險等級，以便于在施工過程中采取動態(tài)調(diào)整；②當(dāng)遇到突水突泥不良地質(zhì)洞段應(yīng)立即采取有效注漿堵水措施；③設(shè)置安全逃生系統(tǒng)，包括聲光報警、應(yīng)急通信及電視監(jiān)控、逃生通道及疏散標(biāo)志、應(yīng)急照明及供電系統(tǒng)、逃生裝備、排水設(shè)計6個部分。

（3）對有地下水腐蝕混凝土問題洞段的處理，永久襯砌混凝土采用耐腐蝕混凝土進(jìn)行襯砌，按照酸性環(huán)境條件下選擇混凝土保護(hù)層厚度，在永久混凝土結(jié)構(gòu)計算時不考慮初期支護(hù)作用。

（4）對線路通過有害氣體賦存區(qū)洞段處理。有害氣體通常為瓦斯，施工中應(yīng)通過注漿隔絕瓦斯通道，并對隧洞內(nèi)有高瓦斯段及相鄰段小構(gòu)造瓦斯聚集區(qū)域進(jìn)行全斷面二襯墊加固封閉；在施工過程中，加強通風(fēng)設(shè)施布設(shè)，加強通風(fēng)，實時監(jiān)測隧洞內(nèi)瓦斯含量，如瓦斯?jié)舛瘸^標(biāo)準(zhǔn)，禁止進(jìn)洞施工，加強對明火及可能引起瓦斯爆炸物品的管制，嚴(yán)禁帶入洞內(nèi)。

（5）對活動斷層洞段處理。由于輸水線路沿線地理位置的特殊性，輸水隧洞無法避開一些活動斷裂，活斷層對隧洞工程的危害有蠕動破壞和錯動破壞。隧洞穿越活斷層的措施有：①預(yù)留變形空間、預(yù)置防震縫、提高襯砌抗震強度、采用抗震構(gòu)件；②設(shè)計成柔性的復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)，包括鋼管波紋補償復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土復(fù)合襯砌、擴(kuò)大的圓形隧洞與U型輸水管道組合；③采用“超挖設(shè)計”或“鉸接設(shè)計”和“隔離消能設(shè)計”；④采用雙洞短襯砌支護(hù)、短襯砌、寬縫等方案。

（6）軟巖段處理措施。在軟弱地層中開挖會使應(yīng)力迅速接近或超過巖體強度，而產(chǎn)生巖體崩塌，開挖中對軟巖段采取分部開挖并迅速加固開挖面。軟弱地層中的隧洞一般分頂拱、臺階和仰拱三步開挖。當(dāng)開挖面的變形需要限制時，還需進(jìn)一步細(xì)分，此時可開挖側(cè)壁坑道，側(cè)壁坑道已成功地用于非常差的土質(zhì)隧洞開挖施工中。軟巖隧洞的拱部支護(hù)擬由20～40 cm厚的噴混凝土層和錨桿組成。

在有地下水的極軟圍巖內(nèi)開挖隧洞，如采用一般的支護(hù)方法如噴混凝土、打錨桿及加設(shè)鋼支撐等，仍不能維持圍巖的穩(wěn)定，則需采取一些輔助措施，以此保證開挖施工的安全。

4 結(jié)論及建議

輸水隧洞在整個輸水線路上投資占比較大，因地形、地質(zhì)因素的不確定性，設(shè)計、施工最為困難，且施工中存在的問題較多，工程質(zhì)量對后期管理運行也存在較大影響，因此在輸水線路中隧洞設(shè)計為整個工程的重中之重，設(shè)計中選擇工程地質(zhì)問題、隧洞長度及埋深帶有普遍性的代表隧洞作為典型進(jìn)行設(shè)計，對其共性及特殊性問題進(jìn)行分析并針對其給出處理方式具有重要的意義。