輸水隧洞襯砌斷面型式選擇

□李金成（烏魯木齊水業(yè)集團(tuán)有限公司）

1 隧洞地質(zhì)條件與地質(zhì)參數(shù)的選取

結(jié)合紅雁輸水隧洞所在位置的地質(zhì)條件，其入口處與就近山體交接，由于山體較為陡峭且直平，基巖大多呈裸露狀。揭露巖性主要為弱風(fēng)化的熔角礫凝灰?guī)r，圍巖完整性差，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度較高，為中硬巖。

紅雁輸水隧洞位于烏拉泊水庫下游6 km處，屬低山丘陵地形，地形起伏不平，沖溝發(fā)育。隧洞出露地層為中上石炭系沉積巖和第四系全新統(tǒng)松散堆積物。中上石炭系地層巖性主要有灰黃色矽質(zhì)砂巖（C2-3Ss2）、紫紅色泥質(zhì)粉細(xì)砂巖（C2-3Ss3）、灰綠色泥質(zhì)頁巖（C2-3Sh），三種巖性所占比例大致為61.70%、38.00%、0.30%，巖體呈層狀結(jié)構(gòu)，巖層產(chǎn)狀為320°～340°SW∠35°～41°，強(qiáng)風(fēng)化層厚度一般為0.35～1.00 m，弱風(fēng)化層厚度一般7～9 m。第四系全新統(tǒng)主要有洪積（Q4Pl）及坡積（Q4dl）碎（塊）石土、砂壤土，沖積（Q4al）砂卵礫石和含淤泥的砂壤土，人工堆積（Q4r）的碎塊石。

隧洞巖體內(nèi)有三組裂隙相對較發(fā)育，它們的產(chǎn)狀分別為：①5°～15°SE∠45°～65°，②60°～80°NW∠70°～85°，③300°～320°NE∠55°～65°，上述裂隙規(guī)模較小，且多為陡傾角，對岸坡穩(wěn)定及巖體抗沖刷影響不大。

紅雁輸水隧洞0+000-0+744 m段，在原洞底混凝土上鑿毛后重新襯砌12 cm厚鋼筋混凝土，另外0+000-0+060 m段、0+689.70-0+744 m段，保持原洞徑不變，0+060-0+360 m段，邊墻采用丙乳砂漿整平修復(fù)，拱頂采用C20混凝土掛網(wǎng)噴護(hù)，0+360-0+689.70 m段，頂拱采用鋼筋混凝土襯砌，厚30 cm。

2 隧洞襯砌斷面型式選擇

2.1 影響因素分析

影響隧洞襯砌斷面型式選擇的重要因素是圍巖是否具有承擔(dān)內(nèi)水壓力的能力，圍巖所具有的該能力的大小常常通過圍巖所具有的地應(yīng)力大小進(jìn)行判斷，當(dāng)?shù)貞?yīng)力最小主應(yīng)力＞內(nèi)水壓力，圍巖所可能遭遇水力等毀壞的可能性很小，也即圍巖承壓能力較優(yōu)。本工程可用隧洞埋深代替上述過程的判斷，采用下列公式：

式中：D——具有承擔(dān)內(nèi)水壓力能力的隧洞圍巖最小厚度；rw——水的重度；rR——圍巖重度；H——內(nèi)水壓力水頭；α——地面坡度。

在實(shí)際隧洞工程中，除了運(yùn)用式（1）進(jìn)行計(jì)算外，還應(yīng)將安全系數(shù)考慮在內(nèi)，按照設(shè)計(jì)規(guī)范，隧洞上部圍巖覆蓋厚度D＞0.40 H，見圖1。

圖1 隧洞圍巖覆蓋厚度示意圖

2.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算

按照《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》（SD134-84）附錄中所提供的隧洞襯砌力的計(jì)算原理進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，主要借助假設(shè)的彈性抗力分布情況，運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)原理和公式進(jìn)行結(jié)果計(jì)算。其中，襯砌頂拱按照拱座與巖石彈性固結(jié)計(jì)算，而反拱按彈性地基梁力學(xué)原理計(jì)算，按照《水利水電工程PC-1500程序集》所描述的隧洞襯砌內(nèi)力與配筋計(jì)算的通用程序進(jìn)行具體的計(jì)算，即采用隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的非線性常微分方程組，求解其初參數(shù)數(shù)值，計(jì)算水壓力、巖石壓力和襯砌自重荷載情況下隧洞襯砌的變形與內(nèi)力，配筋計(jì)算則根據(jù)水工鋼筋混凝土相關(guān)規(guī)范。隧洞荷載主要由垂直、側(cè)向山巖壓力及襯砌結(jié)構(gòu)自重構(gòu)成，為簡化計(jì)算，彈性抗力的影響暫不考慮。圈拱結(jié)合直墻進(jìn)行的襯砌、蛋形結(jié)合鋼筋混凝土預(yù)制的襯砌、蛋形結(jié)合素砼進(jìn)行的襯砌三種型式的比較詳見表1。

表1 三種型式的計(jì)算與比較表

C20混凝土所允許的壓應(yīng)力［σ］=10 000 kPa，所允許拉應(yīng)力［σ1］=-1 200 kPa，所允許抗裂安全系數(shù)［fk］=1.20。由上表不同襯砌型式結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果可知，圈拱直墻裝配式襯砌型式抗壓力最大值和抗裂安全系數(shù)最小值均不滿足要求，而隨著后兩種襯砌型式側(cè)拱底厚度的增加，其抗壓力最大值和抗裂安全系數(shù)最小值均滿足規(guī)范要求。

2.3 襯砌斷面型式比較與選擇

2.3.1 圈拱直墻裝配式襯砌

這種襯砌型式在地質(zhì)條件良好、山巖壓力較小的灌區(qū)無壓隧洞中最為常見，工程施工時(shí)，橫斷面不整齊，底板高低不一，襯砌構(gòu)件已遭破壞，裂縫不斷擴(kuò)展，根據(jù)考察數(shù)據(jù)，側(cè)墻左右偏移約為0.50～1.00 m，最大偏移量為1.40 m，橫斷面呈現(xiàn)上窄下寬，傾向一邊。底板出現(xiàn)不同程度起伏變形，側(cè)墻與拱圈部位均有不同程度裂縫，裂縫開裂處總計(jì)750 m，引起隧洞破壞的原因主要有：施工開始前并為對隧洞地質(zhì)進(jìn)行勘察，僅僅根據(jù)進(jìn)出口處紅砂巖條件確定堅(jiān)固系數(shù)，而隧洞內(nèi)絕大部分地段為“高嶺土+砂卵石”地質(zhì)條件，堅(jiān)固系數(shù)≤1；15 cm的襯砌厚度明顯無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求強(qiáng)度，襯砌結(jié)構(gòu)所采用的結(jié)構(gòu)型式不符合要求，未對搭接接縫作相應(yīng)處理，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)缺乏穩(wěn)定性，抗裂安全系數(shù)不達(dá)標(biāo)。

2.3.2 蛋形預(yù)制鋼筋混凝土襯砌

該襯砌斷面型式曲線接近壓力曲線，具有較好的受力條件及對較差地質(zhì)條件、較大山巖壓力較好的適應(yīng)性，故較為適用紅雁輸水隧洞。但是從隧洞實(shí)際施工情況看，隧洞內(nèi)側(cè)墻嚴(yán)重傾斜，構(gòu)件錯(cuò)位明顯，工程安全隱患顯存。造成種種問題的原因主要是：各預(yù)制構(gòu)件試件重量超標(biāo)（重達(dá)200～300 kg），洞高所限所以工作場地狹窄，導(dǎo)致部分構(gòu)件安裝不及時(shí)、不到位，地表水侵入后，將增加山巖壓力，造成塌方事故的可能性大大增加，嚴(yán)重違背了“短開挖、快襯砌”的隧洞施工原則。

此外，影響土粘聚力和內(nèi)摩擦角的還包括水的因素，當(dāng)?shù)卣鹆叶仍黾訒r(shí)，安全系數(shù)直線下降，在此過程中如果滑帶土的抗剪強(qiáng)度真正起到作用，則安全系數(shù)會緩慢增加。

2.3.3 蛋形現(xiàn)澆素混凝土襯砌

工程施工人員在類似地質(zhì)條件下先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的指導(dǎo)下，改進(jìn)了蛋形預(yù)制鋼筋混凝土襯砌斷面型式的施工方法和施工順序，即應(yīng)用立剛模和現(xiàn)澆素混凝土方法進(jìn)行隧洞襯砌，既符合“短開挖、快襯砌”的隧洞施工原則，又大大克服了隧洞塌方事故的出現(xiàn)。當(dāng)進(jìn)行2～3 m土方開挖后，隨即立上實(shí)現(xiàn)制作好的鋼模，在所澆筑混凝土尚未凝固前，鋼模可以承擔(dān)部分山巖壓力，有效防止塌方產(chǎn)生。

3 結(jié)論

綜上所述，輸水隧洞襯砌斷面的各種型式都具有優(yōu)缺點(diǎn)和各自的適用范圍，文章對影響襯砌型式選擇的因素進(jìn)行分析，并對紅雁輸水隧洞襯砌斷面型式的確定進(jìn)行了探討，為水工隧洞斷面型式的設(shè)計(jì)與選擇提供科學(xué)依據(jù)。

［1］張寶晶，柴偉，水工隧洞斷面設(shè)計(jì)中襯砌型式選擇研究［J］，科技視界，2013（1）：78-79.

［2］黃康鑫，王靜等，高地應(yīng)力條件下輸水隧洞斷面選型及支護(hù)設(shè)計(jì)［J］，水利學(xué)報(bào)，2015（S1）.

［3］曾曉燕，賈進(jìn)，輸水隧洞混凝土襯砌裂縫處理技術(shù)［J］，中國建筑防水，2015（10）：31-35.