輸水隧洞工程的設(shè)計(jì)與施工探討

趙 君

（渭南市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院 陜西 渭南 710016）

1 工程概況

本工程是以供水為主，兼顧農(nóng)田灌溉、發(fā)電和防洪等綜合效益的Ⅱ等水利樞紐工程。樞紐工程由粘土心墻砂礫石壩（壩高130m）、泄洪洞、溢洪洞、引水洞、壩后電站、古河道防滲、副壩、滑坡體處理等單位工程組成。水庫總庫容2億m3，年調(diào)節(jié)水量4.28億m3，日供水110萬m3，其中農(nóng)業(yè)用水 1.23億m3，灌溉農(nóng)田76萬畝。水電站裝機(jī)容量2萬kW，年發(fā)電量7308萬kW·h。

2 地質(zhì)情況分析

本隧洞工程地處秦嶺山麓山前洪積坡區(qū)域，洞室地層巖性主要為第四系坡洪積的土壤、砂礫及卵石層，屬于不穩(wěn)定型Ⅴ類巖體。土壤 f≤0.8，砂礫、卵石 f≤0.5，洞頂以上巖體厚約7m～25m，地下水位高于洞頂，砂礫曾滲透系數(shù)為54m/d，土壤滲透系數(shù)為0.19m/d。

3 隧洞設(shè)計(jì)

3.1 輸水線路的選擇及布置思路

輸水隧洞在進(jìn)行輸水系統(tǒng)線路選擇時(shí)盡可能布置成最短的直線，布置時(shí)應(yīng)綜合考慮地形、地質(zhì)、樞紐布置等條件。

隧洞進(jìn)口設(shè)計(jì)樁號(hào)64+701.819，出口設(shè)計(jì)樁號(hào)66+855.28，隧洞設(shè)計(jì)中心線左轉(zhuǎn)折122°10'03"，中心線樁號(hào)為65+844.04。由于最為發(fā)育的裂隙、破碎帶以及巖層層面與陡傾的構(gòu)造、裂隙和開挖臨空面很容易形成不穩(wěn)定塊體的位置，對(duì)圍巖穩(wěn)定非常不利，所以對(duì)工程區(qū)大小沖溝較發(fā)育、地形比較破碎、不適合線路布置的位置不能確定輸水系統(tǒng)線路。本工程選擇了隧洞設(shè)計(jì)中心線左轉(zhuǎn)折122°10'03"為主要布置輸水系統(tǒng)線路。

本工程輸水隧洞屬于重要輸水建筑物，也是整個(gè)工程的唯一輸水通道，其主要作用是實(shí)現(xiàn)引水工程的供水量，實(shí)現(xiàn)供水保證率95%的目標(biāo)。

根據(jù)引水工程的總體布置，隧洞選線不但要滿足地形、地質(zhì)要求，還要結(jié)合一些取水樞紐以及電站運(yùn)行條件等因素綜合確定。

隧洞的設(shè)計(jì)思路為：在滿足引用足夠水量和洞內(nèi)不淤的條件下，初步確定隧洞出口高程，再根據(jù)洞線地形條件，綜合確定隧洞比降，推算至隧洞進(jìn)口，然后根據(jù)隧洞進(jìn)出口能量損失進(jìn)行水力計(jì)算，調(diào)整進(jìn)口高程，確定經(jīng)濟(jì)、合理的比降，使隧洞進(jìn)出口水頭損失相對(duì)較小。最后根據(jù)確定的比降，確定經(jīng)濟(jì)合理、利于施工和運(yùn)行管理的隧洞斷面形式及其他建筑物形式。

3.2 隧洞斷面設(shè)計(jì)

根據(jù)已知條件，洞身斷面采用明渠均勻流公式進(jìn)行過流計(jì)算，計(jì)算水深0.61m；洞內(nèi)水面線連接通過進(jìn)、出口各段面能量方程確定，出水池壓力管道滿足淹沒條件。

隧洞斷面設(shè)計(jì)尺寸最大高為4.10m，最大寬度為3.40m，隧洞坡降比為1/2500，襯砌混凝土厚度30mm～40mm，隧洞全長2153.46m。隧洞設(shè)計(jì)中心線左轉(zhuǎn)折122°10'03"，中心線樁號(hào)為65+844.04。隧洞設(shè)計(jì)斷面圖見圖1。

4 豎井的設(shè)計(jì)

隧洞工程總共設(shè)計(jì)有三個(gè)豎井，斷面均為圓形，豎井頂部有150#鎖口盤，鎖口盤外徑為8.0m，深3.0m。鎖口盤以下至豎井底設(shè)計(jì)均為200#噴射混凝土支護(hù)，厚度為25cm，三個(gè)豎井井深度分別為18.09m、18.5m、20.8m。

圖1 隧洞設(shè)計(jì)斷面圖

5 過流能力

根據(jù)《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL279-2002），隧洞過流能力，對(duì)長洞按均勻流計(jì)算。采用明渠均勻流公式：

式中，ω——過水?dāng)嗝婷娣e，ω=bh0；

b——矩形隧洞過水?dāng)嗝鎸挾龋瑇=b+2h0；

x——濕周；x=b+2h0；

R——滿流時(shí)的水力半徑；R=ω/x；

已知隧洞設(shè)計(jì)流量 q=0.83m3/s，底坡i=1/2000，斷面寬度 b=3.4m，高度 H=4.1m，對(duì)于鋼筋砼襯砌n=0.015。根據(jù)曼寧公式進(jìn)行試算，設(shè)計(jì)流量下洞內(nèi)水深h0=0.75m＜1.5m，故洞身過流能力滿足規(guī)范要求。

6 隧洞斷面襯砌設(shè)計(jì)

本工程隧洞襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算原則采用限制裂縫開展寬度計(jì)算，以工程類比和理論計(jì)算分析相結(jié)合的方法進(jìn)行隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。按一次噴錨支護(hù)對(duì)圍巖的加固作用和圍巖的自承能力，適當(dāng)提高圍巖的彈性抗力系數(shù)，降低外水折減速系數(shù)。

6.1 荷載計(jì)算

（1）襯砌自重

式中，G——自重，kN；

γc——混凝土容重，kN/m3；

V——混凝土體積，m3。

（2）山巖壓力

山巖壓力按照普氏公式的塌落拱理論計(jì)算，均布的垂直山巖壓力：

式中，q——豎向圍巖壓力,kPa；

γ——巖體重度；

B——隧洞開挖寬度，m；

H——隧洞開挖高度，m；

φ——巖體內(nèi)摩擦角；

f——巖石堅(jiān)固系數(shù)。

（3）側(cè)向山巖壓力

E1=0.7γHtg2（45°-φ/2）

E2=（0.7h+H）γtg2（45°-φ/2）

（4）彈性抗力系數(shù)計(jì)算

k=100k0/r

式中，k——巖石的抗力系數(shù)，N/cm3；

k0——巖石的單位抗力系數(shù)，N/cm3；

r——圓形隧洞斷面開挖半徑，對(duì)于非圓形洞，采用B/2；

B——為斷面開挖寬，cm。

（5）外水壓力

依據(jù)《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL279-2002)，作用在混凝土、鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌結(jié)構(gòu)上的外水壓力，可按式：

式中，Pe——作用在襯砌結(jié)構(gòu)外表面的地下水壓力，kN/m2；

βe——外水壓力折減系數(shù)，可參照《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL279-2002）；

γw——水的重度，一般取9.81kN/m3；

He——地下水位至洞中心的水頭，內(nèi)水外滲時(shí)取內(nèi)水壓力。

（6）回填灌漿壓力

拱頂在120°范圍內(nèi)襯砌進(jìn)行回填灌漿，灌漿壓力按0.5MPa計(jì)。

6.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

（1）地質(zhì)參數(shù)

依據(jù)《本工程輸水隧洞工程地質(zhì)勘察報(bào)告》推薦值，為各類圍巖地質(zhì)參數(shù)取值。

（2）結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)隧洞斷面結(jié)構(gòu)尺寸B×H=3.4×4.1m及各洞段地質(zhì)概況，初步擬定斷面支護(hù)與襯砌參數(shù)見表1。

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)表

本工程從經(jīng)濟(jì)角度來講，充分利用圍巖的彈性抗力以及圍巖的地質(zhì)條件要求，經(jīng)過分析研究計(jì)算比較本工程的應(yīng)力條件和滲透條件以及從地形、地質(zhì)條件來分析可知，采用混凝土襯砌能夠滿足本工程的應(yīng)力和滲透條件。所以輸水隧洞采用混凝土襯砌，襯砌厚度為30mm～40mm，混凝土標(biāo)號(hào)為150#，抗?jié)B標(biāo)號(hào)為S4，配合比 1∶2.2∶3.92，水灰比0.53。

7 豎井施工研究分析

7.1 開挖施工

豎井開挖方法采用全斷面自上而下進(jìn)行。豎井開挖前要做的工作主要是，先進(jìn)行豎井井口的鎖口盤施工，如果鎖口盤混凝土未達(dá)到設(shè)計(jì)的強(qiáng)度，鎖口盤以下豎井就不能進(jìn)行施工。經(jīng)驗(yàn)收混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，依次再安裝井口的龍門架以及附屬設(shè)施。

根據(jù)圍巖狀況分析，豎井井壁采用噴錨支護(hù)的施工方法進(jìn)行施工。豎井施工時(shí)，邊挖進(jìn)，邊噴護(hù)，開挖深度一般情況下控制在2.0m～2.5m之間，具體情況根據(jù)圍巖特性定奪。根據(jù)要求豎井在開挖過程中比原直徑大于0.5m，本工程豎井直徑為4.0m，開挖直徑為4.5m。

豎井開挖施工使用此方法，不但經(jīng)濟(jì)、保證質(zhì)量，而且安全、容易施工。

7.2 噴錨支護(hù)施工

本工程豎井開挖每段完成后，沿井壁周圍每78.5cm布置一根砂漿錨桿，每層之間的間距為60cm～80cm，錨桿采用不小于Φ20的Ⅱ級(jí)鋼筋，一般情況下，錨桿采用梅花形型布置，人工挖孔，錨桿埋深在2.75m以上，外露25cm左右。孔形成以后，采用灌注砂漿法進(jìn)行灌注砂漿，錨桿灌注完成后形成鋼筋網(wǎng)，立即噴射200#混凝土。根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)記錄和規(guī)范要求的規(guī)定，噴射風(fēng)一般情況下控制在2kg/cm2～2.5kg/cm2，噴射角度控制在85°～90°，距離控制在0.6m～1.2m左右。

噴錨支護(hù)施工是工程中常用的一種防護(hù)措施施工方法，本工程不但豎井施工采用了噴錨支護(hù)，隧洞掘進(jìn)施工中也采用了噴錨支護(hù)的方法。噴錨支護(hù)施工方法不能夠縮短工期，施工難度大、費(fèi)用高，但能夠保證工程的質(zhì)量以及安全。

8 隧洞施工研究分析對(duì)策

本工程由于地質(zhì)條件復(fù)雜，工程在施工過程中，采用了多種施工方法進(jìn)行隧洞施工。經(jīng)過方案分析比較，首先選擇了邊開挖掘進(jìn)，邊噴錨支護(hù)，邊襯砌混凝土施工的方案。

8.1 隧洞開挖分析

開挖施工采用正臺(tái)階法掘進(jìn)。首先開挖上半部分，開挖長度控制在1.0m～1.2m之間。開挖完成立即噴錨支護(hù)，噴錨長度1.0m，上半部分噴錨完成后，開始下半部分掘進(jìn)。為確保噴錨支護(hù)混凝土的強(qiáng)度，下半部分開挖總比上半部分少一個(gè)循環(huán)施工。

8.2 排水施工分析

隧洞工程施工時(shí)，洞內(nèi)排水是一個(gè)很關(guān)鍵的施工環(huán)節(jié)。本工程通過地下水的分布情況研究分析，制定了多種方案進(jìn)行洞內(nèi)排水施工。經(jīng)多方比較，最終選擇了兩種比較合理的抽排方案：一種是采用洞外沿洞內(nèi)中心線右側(cè)6m處鉆深水井的方法進(jìn)行洞內(nèi)排水，深水井深度為50m，洞外排水井設(shè)置在地下水的上游，多用高揚(yáng)程水泵連續(xù)抽排。另一種是在洞內(nèi)采用人工挖井，集中將洞內(nèi)的水抽排在豎井下的集水井，而后采用離心泵將其抽排至洞外。

上述兩種排水方法在隧洞工程中使用最為廣泛，特別是在地下水位較高以及地下水流量較大的隧洞施工時(shí)，一般情況下采用這兩種抽排水施工方法會(huì)比較合理。

8.3 混凝土襯砌施工

本工程混凝土襯砌共分兩期，一期襯砌頂拱側(cè)墻，兩側(cè)模板隨著鋼拱架均衡上升并澆筑，混凝土運(yùn)輸車用膠輪車將其混凝土運(yùn)輸至倉面，混凝土輸送泵輸送混凝土入模，插入式搗固器搗固。混凝土襯砌1.5m一個(gè)循環(huán)，接著開挖下一個(gè)循環(huán)。模板拆除一般在襯砌混凝土強(qiáng)度達(dá)到70%以上以后開始。本工程混凝土襯砌根據(jù)工程的性質(zhì)、特點(diǎn)確定了每次襯砌的深度，由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，本工程隧洞只能以1.5m一個(gè)循環(huán)為基礎(chǔ)，進(jìn)行混凝土襯砌施工。

8.4 分析對(duì)策

本工程在隧洞施工時(shí)，也采用了另外一種施工方法，即“短進(jìn)尺，強(qiáng)支撐，快襯砌”施工方法，采取全斷面開挖，是一種比較靈活的施工方法。開挖的時(shí)候，首先開挖頂拱，及時(shí)支護(hù)，穩(wěn)定后，立即開挖下半部分，開挖時(shí)采取強(qiáng)支護(hù)，開挖長度上半部分最大2.0m，下半部分最大1.6m。本方法節(jié)約材料成本，按拆方便，堅(jiān)固耐用，安全可靠，便于施工。

9 結(jié)論

本工程隧洞施工時(shí)，采用了兩種施工方法，一種臨時(shí)噴錨支護(hù)施工方法，另一種是短進(jìn)尺，強(qiáng)支護(hù)，快襯砌施工方法。臨時(shí)噴錨支護(hù)在工程的短時(shí)期內(nèi)具有很大的防護(hù)措施作用，但是從工程總體來分析，施工方法、費(fèi)用相對(duì)比較高，施工復(fù)雜，影響工期，并在施工過程中會(huì)不斷的出現(xiàn)塌方等相關(guān)問題，沒有“短進(jìn)尺，強(qiáng)支護(hù)，快襯砌”施工方法經(jīng)濟(jì)、工期短、簡(jiǎn)單。本文通過輸水隧洞的設(shè)計(jì)、施工進(jìn)行研究分析，得出了輸水隧洞施工較為經(jīng)濟(jì)、容易、安全、工期短的施工方案。陜西水利