山西省大水網工程無壓輸水隧洞標準化設計

閆國保

（山西省水利水電勘測設計研究院，山西太原030024）

山西省大水網工程無壓輸水隧洞標準化設計

閆國保

（山西省水利水電勘測設計研究院，山西太原030024）

1 引言

山西省位于黃土高原，屬于黃河中游地區，水土流失嚴重。我省大水網的主骨架總體布置為“兩縱十橫”，以從水源豐富區域向缺水區域引調水工程為主。因此，輸水隧洞在引調水工程中占有重要地位。輸水隧洞的設計與施工，與工程的投資、進度和質量都有很大關系。盡管我們在隧洞設計與施工中積累了大量經驗，但缺乏標準化設計，工程建設過程中出現了設計標準不統一、施工技術措施差異較大等問題，給隧洞的設計、施工帶來一定的混亂，有些還造成了不必要的浪費。因此，本文根據我省引調水工程特點，進行引調水工程隧洞標準化設計研究。

我們在收集、分析整理山西省已建工程，以及在建的中部引黃、小浪底引黃、東山供水、辛安泉改擴建4個骨干工程的輸水隧洞設計資料的基礎上，通過對隧洞斷面形式、斷面設計參數、隧洞支護設計參數、襯砌結構、回填灌漿、排水設置等的研究，形成了《山西省大水網工程無壓輸水隧洞標準化設計導則》（下稱《導則》）［1］，作為大水網工程無壓輸水隧洞設計指導性文件。本文結合《導則》，介紹大水網輸水隧洞標準化設計。

2 大水網骨干工程無壓輸水隧洞布置情況

山西省大水網4個骨干工程，輸水線路總長855.96km，其中無壓輸水隧洞總數量為25座，總長523.8km，占輸水線路總長度的61.19%。大水網4個骨干工程的輸水隧洞，在長度和數量上均超過了建國以來山西省已建輸水隧洞的總和，詳見表1。

表1 山西省大水網4個骨干工程詳表

3 大水網項目輸水隧洞工程地質條件

大水網4個骨干工程輸水線路大多穿越地形復雜的山區，輸水隧洞地質條件復雜，圍巖類別多數為Ⅳ、Ⅴ類，Ⅲ類圍巖的洞段僅占不到20%。輸水隧洞中以巖洞為主，特點是隧洞埋深大、巖性差，有部分洞段在地下水位以下，個別洞段甚至穿越泉域。

3.1 中部引黃工程

沿線地表普遍覆蓋有第四系（Q）低液限粘（粉）土層，多數地段在基巖面以上覆蓋有第三系（N2）低液限粘土層。沿線出露的基巖地層有太古界變質巖，古生界寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系，中生界三疊系。

隧洞圍巖類別Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類，多數洞段圍巖類別為Ⅳ、Ⅴ類；隧洞洞頂以上埋深20～690m，部分洞段位于巖溶地下水位以下。

3.2 小浪底工程

工程區沿線發育和出露的地層有太古界涑水群（A s）、絳縣群（A j），下元古界中條群（P t z），上元古界震旦系中統（Z2）和下統（Z1），古生界寒武系（?）、奧陶系（O）、石炭系（C）、二疊系（P），新生界下第三系平陸群（E2p）及上第三系上新統（N2）、第四系（Q）。

隧洞圍巖類別Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類，多數洞段Ⅳ、Ⅴ類，少數洞段為Ⅲ類，隧洞洞頂以上埋深20～820m。巖洞長40.89km，均位于地下水位以下；土洞長11.88km。

3.3 東山供水工程

工程區沿線發育和出露的地層有太古界贊皇群，元古界長城系下統，古生界寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系，中生界三疊系，新生界上第三系及第四系。

隧洞圍巖類別Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類，多數洞段Ⅳ、Ⅴ類，少數洞段為Ⅲ類，隧洞洞頂以上埋深20～600m。

3.4 辛安泉工程

本區主要發育寒武系（?）、奧陶系（O）碳酸鹽巖；石炭系（C）、二迭系（P）、三迭系（T）陸相碎屑巖；上第三系（N）及第四系（Q）松散堆積物等。隧洞圍巖類別Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類，多數洞段Ⅳ、Ⅴ類，少數洞段為Ⅲ類，隧洞洞頂以上埋深40～300m。

4 隧洞斷面標準化設計研究

4.1 斷面型式

大水網工程無壓輸水隧洞根據地質條件采用了不同的施工方法，包括鉆爆法、T B M法、人工開挖和盾構法。結合水力學、工程地質與水文地質以及施工方法等因素，經分析研究，采用如下4種斷面型式。

（1）對于鉆爆法施工的巖洞段，多數采用門洞型斷面，因為門洞型斷面易于滿足水力學條件和方便施工［2］。對于工程地質、水文地質條件復雜及洞頂以上外水壓力較大的巖洞段斷面型式，標準化設計沒有提出要求，建議結合工程地質條件和水文地質條件，進行專門研究，例如采用圓形斷面等。

（2）對于T B M法掘進的巖洞段，采用圓形斷面，主要考慮了T B M掘進設備的施工特點。T B M法施工在中部引黃和東山供水工程中均有應用。

（3）對于鉆爆法施工的土洞段，采用馬蹄形斷面，主要考慮了馬蹄形斷面的受力好的特點。

（4）對于盾構法施工的土洞段，采用圓形斷面，主要考慮了盾構機的施工特點。盾構法施工在小浪底引黃工程中有應用。

4.2 斷面設計參數

4.2.1門洞型斷面頂拱中心角

根據資料統計，四個骨干工程的輸水隧洞門洞型斷面頂拱中心角設計標準不盡統一。中部引黃工程全部采用135°中心角，小浪底工程和辛安泉工程全部采用180°中心角，東山供水工程采用180°、150°、120°三種不同中心角。

頂拱中心角是基于工程量、襯砌結構受力和施工要求因素綜合確定的。相同洞寬的隧洞段，頂拱中心角變化太多不利于鋼模臺車襯砌施工。本次研究過程中，經過水力計算和襯砌結構計算，初步確定了門洞型斷面的頂拱中心角設計標準：隧洞斷面寬度大于或等于3.6m時，頂拱中心角采用180°，小于3.6m時頂拱中心角采用135°。

4.2.2隧洞凈空面積和高寬比

在水力計算過程中，結合隧洞凈空面積的選取，對隧洞高寬比也進行了研究。經計算分析，得出將隧洞凈空面積控制在15%～20%、高寬比控制在1.4左右比較合理。計算條件是：頂拱中心角為135°時，水深控制在直墻頂；頂拱中心角為180°時，水深可以適當淹沒直墻，以節省工程量。因此，《導則》提出以下要求。

（1）高寬比應在1.0～1.5范圍內選取，洞內水位變化較大時宜采用大的比值。高地應力區斷面的高寬比應與地應力條件相適應，若水平地應力大于垂直地應力時，宜采用高度較小而寬度較大的斷面；若垂直地應力大于水平地應力時，宜采用高度較大而寬度較小的斷面。

（2）應根據隧洞通氣條件確定隧洞凈空面積。通氣條件好，在恒定流情況下隧洞凈空面積比不小于15%，且高度不小于400m m。

4.2.3隧洞斷面寬度

（1）鉆爆法施工的無壓輸水隧洞最小斷面尺寸是本次標準化設計研究的重點。根據山西省已建工程統計，采用鉆爆法施工的隧洞最小斷面大多數為2.5m，個別隧洞最小斷面也有2.0m的，但其單座隧洞長度在1.0km之內，而且具有兩個工作面和兩個出渣通道。考慮大水網4個骨干工程的單座隧洞長度大多數在3km以上，隧洞斷面太小施工難度很大，出渣、通風問題比較突出，影響施工進度。經綜合比較研究認為，對于采用鉆爆法施工、鋼模臺車襯砌的長距離輸水隧洞最小凈斷面寬度2.5m是合理的。

因此，《導則》規定：隧洞橫斷面的最小尺寸除應滿足運行要求外，還應符合施工要求。隧洞斷面最小寬度，對于采用鉆爆法施工、鋼模臺車襯砌的隧洞，最小凈斷面寬度取2.5m。采用掘進機、架鉆臺車等較大型設備施工時，斷面尺寸應通過技術經濟分析確定。

（2）對于2.5m寬度以上的隧洞斷面的過流能力也進行了研究，主要是水力計算。經過水力計算，不同的流量條件下，需要的斷面寬度不盡相同，由于4個骨干工程的設計流量相差較大，斷面寬度很難標準化。就是同一工程，由于沿線分水，隧洞斷面寬度也難以統一。本次標準化設計研究統一了4個骨干工程隧洞水力計算的混凝土糙率，均采用0.014。

4.3 T B M斷面設計參數

采用T B M法和盾構法施工的隧洞洞徑，其斷面設計參數是在水力計算基礎上，結合采購條件，以滿足輸水要求、盡量統一掘進設備的規格為原則進行研究的。

根據大水網T B M采購情況，東山供水和中部引黃工程東干T B M段洞徑均采用3.2m，管片厚度0.25m，開挖洞徑3.9m，中部引黃工程總干3#洞T B M段洞徑采用4.3m，管片厚度0.25m，開挖洞徑5.0m。

T B M法施工的管片厚度，是通過萬家寨引黃工程聯接段、北干線、南干線管片襯砌資料統計分析［3-4］，并按最小施工厚度確定的。引黃南干4#洞采用了厚度為220m m的六邊形管片，由于巖石比較破碎和圍巖側壓力過大有關出現了大量裂縫［5-6］。中部引黃和東山供水隧洞沿線地質條件復雜，為避免出現管片裂縫，確定管片厚度為250m m是合理的。

5 隧洞襯砌結構標準化設計

5.1 隧洞噴錨支護標準設計參數

經過對4個項目和我省已建工程資料分析類比，確定的噴錨支護標準見表2，主要考慮了目前施工人員技術和設備的能力的影響。

表2 噴錨支護設計參數

5.2 隧洞襯砌厚度及混凝土指標標準

5.2.1襯砌厚度標準

標準化設計研究中，混凝土和鋼筋混凝土襯砌厚度充分考慮了混凝土的強度、抗滲、外力作用、構造要求和施工方法。外力作用包括圍巖壓力、外水壓力等。由于地下水的作用不確定性，標準化設計主要確定了洞頂以上小于或等于10m的作用水頭的襯砌標準參數，對位于泉域巖溶地下水位以下、洞頂以上地下水位較高的洞段襯砌標準化設計參數未涵蓋。《導則》確定的襯砌標準如下。

（1）對洞頂以上作用水頭小于或等于10m的門洞型巖洞襯砌厚度，分凈寬3.0m以上和凈寬3.0m及以下兩種情況，襯砌厚度標準見表3和表4。

表3 混凝土襯砌標準（凈寬3.0m以上）

表4 混凝土襯砌標準（凈寬3.0m及以下）

（2）鉆爆法施工的圓形隧洞襯砌混凝土厚度采用300m m。

（3）對于馬蹄形土洞，凈寬4.0m及以上，襯砌厚度采用400m m；凈寬4.0m以下襯砌厚度采用300m m。

（4）盾構法施工隧洞襯砌按六邊形預制管片設計，厚度采用350m m。

（5）T B M法施工的隧洞襯砌按六邊形預制管片設計，厚度采用250m m，豆礫石回填灌漿厚度90m m。

對于地下水作用水頭超過10m、且不宜設置排水孔的隧洞段，襯砌結構難以承受較大外水壓力時，可通過比較，確定采取加大襯砌厚度或對襯砌外圍巖進行固結灌漿的方式，以減小外水壓力對襯砌結構穩定的影響。

5.2.2混凝土指標要求

隧洞襯砌混凝土標準化要求如下。

（1）素混凝土強度等級C 20，鋼筋混凝土強度等級C 25，預制混凝土強度等級C 40；抗滲等級W6，濕陷性黃土洞段襯砌混凝土抗滲等級W8。

（2）隧洞進、出口段200m范圍內混凝土襯砌抗凍等級應根據地區不同選擇，洞身段抗凍等級F 50。隧洞進、出口段抗凍等級：晉北地區F 150～F 200，晉中地區F 150～F 100，晉南地區F 100。

5.3 鋼筋混凝土襯砌配筋率的確定

經過對4個項目和我省已建工程資料分析類比，以及不同隧洞斷面尺寸、襯砌厚度，經受力分析，確定合理的配筋率。標準化設計研究中，還研究了改善隧洞襯砌結構受力條件的措施，例如增加45°貼角或修圓墻板間夾角等，以減少配筋量。對于襯砌鋼筋的配置，《導則》規定如下。

（1）受力筋采用H R B 335級鋼筋，直徑可在16～25m m之間選擇；受力條件、斷面尺寸和襯砌厚度相同的隧洞段，受力鋼筋可選用兩種不同直徑的鋼筋，兩者之間的級差應在2m m以上。

（2）受力筋的配筋率不應小于0.15%。

（3）分布筋采用H P B 235級鋼筋，其直徑可根據受力筋的配置情況，在10m m、12m m或14m m范圍內選用，間距采用150m m。

（4）包括受力筋和分布筋，襯砌鋼筋含量控制在90～120kg/m3之間。

5.4 其他

5.4.1混凝土襯砌分縫

混凝土分縫是設計中比較復雜的問題，目前對分縫的間距及分縫的作用存在不同的看法。根據已建工程資料統計，伸縮縫間距一般在5～18m之間［7］。《水工隧洞設計規范》（SL 279-2002）［8］規定澆筑段長度可采用6～12m，強度等級大于C 20時，襯砌分段長度不宜大于12m。

分縫長度除與溫度伸縮有關外，還與施工方法、澆筑能力等因素有關，總結山西省已建工程經驗，標準化設計確定的分縫標準如下。

（1）巖洞襯砌沿洞線每10m設置一條永久縫，內設橡膠止水。

（2）土洞襯砌沿洞線每隔8m設一道環向變形縫，采用明、暗兩道止水。

（3）在地質條件明顯變化處和井、洞交匯處、或其他可能產生較大相對變位處，設置永久縫，并采取相應的防滲措施。

5.4.2回填灌漿

在混凝土澆筑和凝結過程中由于自重作用和收縮，使混凝土與圍巖之間形成縫隙；同時由于巖面開挖的不平整以及局部超挖，也會使襯砌和巖面之間形成縫隙或空腔。只有通過回填灌漿填充頂部的縫隙，才能保證圍巖和襯砌共同受力。標準化設計參考已建工程的施工經驗，確定了以下回填灌漿標準。

（1）回填灌漿的范圍在頂拱中心角100°以內，孔距和排距為2m，灌漿壓力可采用0.3MP a。灌漿孔應深入圍巖50m m以上。

（2）土洞的回填灌漿宜采用低壓灌漿，灌漿壓力應小于0.2MP a。

5.4.3排水設置

無壓輸水隧洞穿過地下水位較高的區域時，隧洞襯砌的外水作用是主要荷載之一，為減小外水壓力，常采用的辦法是設置排水系統。大水網工程標準化設計規定如下。

（1）對于不涉及泉域的隧洞，地下水位超過洞頂時，頂拱范圍內設置排水孔，間排距2m。

（2）地下水位低于隧洞時，不設排水孔。

（3）排水孔的設置應考慮排水對周圍環境的影響。對于地下水位高、外水壓力大的洞段，為減少工程費用，必須設置排水孔時，應考慮排水對周圍村莊用水和保護性泉域的影響，并采取必要的工程措施。

（4）設置排水孔的隧洞，宜在水面以上布設排水孔。排水孔的間距、排距、孔深應根據地質條件分析決定。排水孔的間距、排距可采用3m，孔深可深入巖石3m，應保證底板和側墻的抗浮穩定。

6 結語

大水網無壓輸水隧洞標準化設計研究具有十分重要的意義，在此基礎上形成的《山西省大水網工程無壓輸水隧洞標準化設計導則》，在一定程度上規范了4個骨干工程的隧洞設計，統一了包括斷面形式、斷面設計參數、隧洞支護設計參數、襯砌結構、回填灌漿、排水設置等的設計標準，并在4個骨干工程中應用。沒有明顯變化，說明控制斷面位置相對合適，否則向下游重新選取。

（4）設計洪水水面線推求

設計洪水水面線應根據河道沿程比降、流量、跨河建筑物等情況，從下游向上游分段推求。

水面線推算斷面分段原則：

盡可能使斷面間的水力坡度無明顯變化；

當河流有支流匯入或流量分出等流量突變時，需在突變位置加設斷面；

當有攔河堰、橋梁等攔（跨）河建（構）筑物時，需在堰（橋）上、下增設斷面；

一般河道推算斷面間距可按3～5倍河寬選取，當河道形狀有明顯擴寬或縮窄等變化時，變化位置應增設斷面。

當河道斷面幾何特征參數已定時，影響水面線推算的關鍵參數是河道的糙率系數。糙率系數選擇考慮主要因素有河道岸坡及河床粗糙程度、灘地植被、河槽縱橫形態的變化等。若有實測洪水資料，可結合河道現狀縱橫斷面資料，分析反推糙率系數。若無實測洪水資料，可參照類似河道治理經驗或水力計算手冊擬定糙率系數。

2.3.2地下暗河

縱向設計主要是隧洞進出口水流銜接、隧洞洞身縱坡擬定等。重慶近年實施治理項目地下暗河縱向設計采取了在隧洞進口前布置引水渠銜接水流，洞身縱坡根據進出口高程和水力學計算分析確定。設計中存在問題主要是對河道斷面漸變到隧洞斷

通過研究輸水隧洞標準化設計，確定了山西省大水網4個骨干工程無壓輸水隧洞標準化設計準則，在一定程度上規范了隧洞設計，統一了包括斷面形式、斷面設計參數、隧洞支護設計參數、襯砌結構、回填灌漿、排水設置等的設計標準，并在4個骨干工程中應用。

山西省大水網工程；無壓輸水隧洞；標準化設計

T V 222.5

：A

：1672-2469（2015）09-0094-05

10.3969/j.i s s n.1672-2469.2015.09.030

閆國保（1963年—），男，高級工程師。