山西中部引黃工程中隧洞的設計淺析

楊建明

（山西省柏葉口水庫建設管理局，山西 太原 030002）

隧洞在公路、鐵路等工程中應用十分廣泛，近些年大型引調水工程中也開始廣泛應用。山西中部引黃工程是呂梁地區主要的引水項目，工程長約385 km，99%的工程為隧洞，主要為呂梁山區供水，該地區位于黃土高原，施工地理環境較為復雜，為合理有效的布設輸水線路，隧洞的應用必不可少。本文根據工程特點，對隧洞方案進行探討。

1 洞線布置方案比選

經過多次現場踏勘、定線，中部引黃線路由于受地形、地質條件的限制，輸水線路大的方案比選余地不大，線路西側主要為煤礦，而在東側地形比較高，隧洞支洞條件差，根據地形、地質條件提出總干輸水線路僅在離石北至中陽段分別從離石東側（方案一）和西側經過（方案二）的兩個方案進行了比選。

方案一：輸水線路在臨縣的東南側繞開礦山開采邊界后，沿北川河西岸避開方山及離石區的煤礦后，在離石區西蜀巴采用倒虹吸跨越北川河，并從太中銀鐵路橋下穿過后，在北川河東岸進入總6#洞，總6#洞在離石及中陽東部繞開礦山開采邊界后，至中陽縣邢家嶺分為東西干。比較范圍內總干線長40.84 km，東干長10.32 km，西干長12.21 km，總長63.47 km。

方案二：輸水線路在臨縣東南側繞開煤礦后，向西從方山縣兩煤礦之間穿過后，沿方山及離石煤礦區西側邊界向南至柳林縣梁家會村，在梁家會村西設橋式倒虹吸跨越三川河后，至中陽縣馮家坡分為東西干。在比較范圍內總干長45.08 km，東干18.84 km，西干長8.06 km，總長71.22 km。

經過比選，方案一在工程投資、施工難度、運行管理等方面均具有明顯優勢，故選用方案一。該輸水工程整體布置原則是一次提水，整體為無壓輸水隧洞。各干線的特性見表1。

表1 輸水線路特性表

2 隧洞斷面形式

2.1 隧洞縱坡選擇

根據運用的要求、沿線各種建筑物底高程銜接為輸水工程的隧洞的縱坡的設計原則，同時結合施工及后期檢修條件、沿程分水設施、不淤流速、投資、管理和運行等因素，通過比較分析選取技術經濟的縱坡。設計最大流量為23.55 m3/s，縱坡i=1/2500～1/3000。

2.2 斷面形式

隧洞斷面的設計，符合隧洞過水能力的條件。針對該輸水工程的特點，過水設計是預留水面線上部分面積應大于整個斷面面積的15%，凈空大于0.4 m，總干頂拱角度150°～180°，其他拱角度135°。

根據地質條件，斷面形狀采用城門洞、馬蹄形和圓形三種斷面。土洞段采用馬蹄形斷面；TBM 施工段采用底部帶軌道平臺的圓形斷面；地下水位較高且無法排水的地段采用圓形斷面；其余部分采用城門洞型斷面。

隧洞斷面在滿足過流能力及施工要求的前提下，盡量采用最小的斷面面積。西干線、交汾靈支線以及蒲大支線的隧洞斷面均為施工條件控制斷面。隧洞典型斷面形式見表2。

表2 輸水工程典型斷面形式表

3 隧洞水力計算

3.1 水力學計算

隧洞設計計算公式：

式中：糙率n 值取0.014。

輸水工程典型斷面水力要素計算成果見表3。交汾靈隧洞有設計流量和特大干旱年調水流量兩個流量。

3.2 不沖不淤流速計算

允許不沖流速＜8 m/s（C25 鋼筋混凝土襯砌），不淤流速計算公式：

式中：根據汛期平均含沙量ρ 取1.89 kg/m3；由義門站資料可查得，粒徑為0.057 mm 查得為1.236×10-3m/s。

通過驗證公式，得到 v"=0.48 m/s～0.66 m/s。由表 1 看出，若泵站運行最小流量為2.95 m3/s，經計算得到輸水隧洞流速最小0.78 m/s，不淤流速都小于設計流速。輸水工程典型斷面水力要素計算成果見表3。

表3 輸水工程典型斷面水力要素計算成果表

3.3 結構計算

輸水隧洞結構計算采用北京理正軟件設計研究程序《巖土5.5，隧洞襯砌設計程序》計算，計算斷面從總干線及各支線隧洞中選取代表性的典型斷面。

作用在襯砌上的荷載按作用狀況分為基本荷載與特殊荷載兩類。計算荷載主要有：圍巖壓力、外水壓力、彈性抗力、襯砌自重、灌漿壓力等，計算時采用各自最不利的組合情況。

4 隧洞支護和襯砌

4.1 城門洞形隧洞

圍巖類別為Ⅱ～Ⅴ類采用鉆爆法施工的洞段，隧洞斷面采用城門洞形，支護及回填灌漿方式如下：

Ⅱ類圍巖：除底板外，噴C20 混凝土5 cm 厚；底板及側墻C20 素混凝土襯砌。

III 類圍巖：除底板外，噴C20 混凝土8 cm 厚；頂拱范圍內局部不穩定巖塊采用2.0 m 長φ25 隨機錨桿錨固；全斷面C25 鋼筋混凝土襯砌，頂拱100°范圍內回填灌漿，灌漿壓力0.2 MPa。

IV 類圍巖：除底板外，噴C20 混凝土10 cm 厚；頂拱范圍內設φ25 系統錨桿，長2.0 m，間排距1.0 m，梅花型布置；全斷面C25 鋼筋混凝土襯砌，頂拱100°范圍內回填灌漿，灌漿壓力0.2 MPa。圍巖破碎地帶洞寬3 m 以下時采用14 工字鋼做鋼拱架超前支護，洞寬3 m 以上（包括3 m）時采用20 a 工字鋼做鋼拱架超前支護。

V 類圍巖：除底板外，內掛 φ8 鋼筋網（150 mm×150 mm），噴C20 混凝土12 cm 厚；頂拱范圍內設φ25 系統錨桿，長2.0 m，間排距1.0 m，梅花型布置；全斷面C25 鋼筋混凝土襯砌，頂拱100°范圍內回填灌漿，灌漿壓力0.2 MPa。局部地段根據圍巖破碎程度，洞寬3 m 以下時采用14 工字鋼加φ25 超前錨桿或14 工字鋼加φ42 超前小導管超前支護，洞寬3 m 以上（包括3 m）時采用20 a 工字鋼加φ25 超前錨桿或20 a 工字鋼加φ42 超前小導管超前支護。

4.2 馬蹄形隧洞

土洞段隧洞斷面采用馬蹄形斷面，支護方式為：除底板外，內掛 φ8 鋼筋網（150 mm×150 mm），噴 C20 混凝土 12 cm 厚；全斷面C25 鋼筋混凝土襯砌，頂拱100°范圍內回填灌漿，灌漿壓力0.2 MPa。局部土體松散地段，洞寬3 m 以下時采用14工字鋼加φ42 超前小導管超前支護，洞寬3 m 以上（包括3 m）時采用20 a 工字鋼加φ42 超前小導管超前支護。

4.3 圓形隧洞

對地下水位高且不具備排水的隧洞段采用圓形斷面，共有4 段：①總干3#隧洞總77+040.9～總124+614.2 段，②總干4#隧洞總172+504.12～總177+584.09 段，③東干隧洞東0+765.92～東2+496.7 段，④東干隧洞東8+700～東28+763 段。

對于洞頂埋深比較大，采用鉆爆法施工，施工支洞條件差的洞段，選擇TBM 施工。TBM 施工洞段共兩段，其一為總干3#隧洞總77+040.9～總118+395.8 段，其二為東干隧洞東8+700～東 28+763.4 段。

5 襯砌分縫及止水

5.1 巖洞段

沿洞線每隔10 m 設一道環向變形縫，其底拱和邊、頂拱的環向縫不得錯開。變形縫采取可靠的防滲措施，采用651 型橡膠止水帶止水，縫內充填閉孔泡沫塑料板，縫口采用瀝青砂漿封堵。

5.2 土洞段

沿洞線每隔8 m 設一道環向變形縫，其底拱和邊、頂拱的環向縫不得錯開。變形縫采取可靠的防滲措施，設明、暗兩道止水，采用651 型橡膠止水帶止水，縫內充填閉孔泡沫塑料板，封口采用瀝青砂漿封堵。

5.3 TBM 施工管片襯砌洞段

管片襯砌體型較為復雜，在單位洞長出現的接縫遠較現澆混凝土襯砌多，除環向縫外，縱縫形式也遠較現澆混凝土襯砌縱縫復雜，由于管片襯砌為預制結構拼裝而成，接縫接觸程度好壞與TBM 掘進線路偏差、管片安裝精度關系非常密切。任何一個環節做不好，均可能對止水效果產生很大不利影響。

管片襯砌止水系統主要分為豆礫石回填灌漿層、橡膠止水條、防水膨脹砂漿三大部分。在掘進機施工洞段，預制鋼筋混凝土管片與巖面間的空隙采用豆礫石充填并進行回填灌漿，以達到結構穩定和防滲止水效果。由于豆礫石層的回填灌漿并非一次連續灌注而成，而是采用分段、分序進行，即使豆礫石灌漿層自身強度及密實性好，仍會存在分序灌漿時產生冷縫，該縫便成為滲漏通道，故豆礫石回填灌漿層只能起到部分止水作用。為此，管片襯砌增加橡膠止水條、防水膨脹砂漿兩道止水措施。

6 結語

通過分析隧洞的結構特征和水力學條件計算，得到中部引黃工程提水方式采用一次性提水，整體為無壓輸水隧洞。并通過不同地質條件及其受力分析，開挖工藝選用鉆爆法和TBM盾構，隧洞斷面形式采用城門洞、馬蹄形和圓形這三種的設計成果?，F中部引黃工程已部分實現試通水，證明該工程水工隧洞是符合實際情況的，設計過程和設計成果可為類似工程提供可行經驗。