廣西桂西北治旱百色水庫灌區銀屯～凡平隧洞襯砌結構設計

周懷瑜

摘 要：通過對高壓力淺埋深的銀屯～凡平隧洞襯砌結構進行穩定計算分析，得出在隧洞圍巖覆蓋厚度滿足和不滿足規范要求洞段、穿越斷層洞段，需分別采用不同型式的襯砌結構設計。通過利用隧洞CAD進行設計計算，同時利用理正軟件進行驗算，建立隧洞模型，對其施加荷載并計算得到應力分布與變形分布圖。計算結果表明：二次支護的配筋采用小直徑小間距的方式，并在以滿足正常使用極限狀態的要求以及采用鋼襯+鋼筋混凝土襯砌的結構設計，降低鋼筋配置密度，減少內水外滲風險，解決覆蓋層厚度不足及隧洞穿越斷層的問題。

關鍵詞：隧洞;淺埋深;高壓力;襯砌結構

1 工程概況

廣西桂西北治旱百色水庫灌區是百色水利樞紐的配套工程。灌區位于百色市右江河谷內，范圍涉及百色市的右江區、田陽縣和田東縣，設計灌溉面積59.2萬畝，為大（2）型灌區。百色水庫灌區工程的施工總工期為48個月，總干管銀屯～凡平隧洞，施工總工期為30個月。

銀屯～凡平隧洞目線路總長為2264m，其中隧洞總長2236m，前連接鋼管段長2m，后連接鋼管段長10m。銀屯～凡平隧洞為百色水庫灌區百色水庫引水部分總干管的首部工程，控制百色水庫引水部分全部灌溉面積共39.2萬畝，約占百色灌區工程灌溉面積的66%。隧洞設計流量即百色灌區總干管口設計流量6.60m3/s。銀屯～凡平隧洞單項工程的隧洞、輸水管道的建筑物級別為4級[1]。

2 工程總布置

（1）隧洞規模

銀屯～凡平隧洞為百色水庫灌區百色水庫引水部分總干管的首部工程，控制百色水庫引水部分全部灌溉面積共39.2萬畝，約占百色灌區工程灌溉面積的66%。隧洞設計流量即百色灌區總干管口設計流量6.60m3/s。

（2）隧洞縱、橫斷面

ZG0+917m前段隧洞縱坡為0.8%，后段隧洞縱坡根據隧洞出口高程確定為2%，隧洞縱坡滿足上下游銜接、施工及檢修要求。

總干管的管徑為2.8～2.2m，銀屯～凡平隧洞所處區段的洞（管）徑為2.8m，故銀屯～凡平隧洞徑確定為2.8m。

（3）洞線布置

隧洞進口位于銀屯副壩東北側的山坳底部，距離約400m，隧洞出口位于凡平村西側，距離約220m。

銀屯～凡平隧洞段長度為2251m，進口連接段鋼管長3m，出口連接段鋼管長25m，其中10m長的下彎段位于隧洞內，15m長的上彎段位于隧洞出口以外。銀屯～凡平隧洞線路總長為2269m。

3 隧洞洞身支護襯砌設計

隧洞洞身段以Ⅳ類為主，局部為Ⅲ，Ⅴ類圍巖為兩處斷層處。根據圍巖類別不同，分別采用不同的襯砌類型[2]。

①Ⅳ類圍巖洞段

Ⅳ類圍巖洞段開挖斷面采用“城門洞”斷面，開挖斷面底寬3.8m，高3.7m。二次支護全斷面采用C25鋼筋混凝土襯砌，厚度400mm，根據不同的內水壓力段按Φ16@200～Φ22@150配筋;

②Ⅲ類圍巖洞段

Ⅲ類圍巖洞段開挖斷面采用“城門洞”斷面，開挖斷面底寬3.6m，高3.7m。

二次支護全斷面采用C25鋼筋混凝土襯砌，厚度400mm，由于Ⅲ類圍巖與Ⅳ類圍巖分界不明顯，交替出現，且占比較小，其配筋按不同壓力段與相近Ⅳ類圍巖洞段配筋相同。

③Ⅴ類圍巖洞段

Ⅴ類圍巖洞段為2處穿越斷層洞段。根據地質勘查表明Fz02-1斷層為平移逆斷層，斷層影響帶寬約15m;Fz02為平移逆斷層，斷層影響帶寬約24m，斷層影響帶巖體破碎，巖體完整性差，圍巖極不穩定，存在涌水突泥的可能。二次支護全斷面采用C25鋼筋混凝土襯砌，厚度500mm，按Φ18@200配筋;由于斷層影響帶圍巖穩定性差，屬Ⅴ類圍巖，圍巖抗力小，抗滲能力差，為防止隧洞運行期滲透失穩和水力劈裂，引起隧洞結構破壞并嚴重影響上部環境，在襯砌內側布置1道鋼板內襯，鋼板厚度為δ=16mm。

為使隧洞襯砌與鋼管可實現聯合受力，鋼襯與混凝土間襯砌之間進行接觸灌漿。隧洞鋼板內襯主要承受內水壓力，混凝土襯砌承受外壓，鋼板內襯焊縫為“三類焊縫”。為增強鋼板內襯承受外壓能力鋼板外側布置，間距為0.5m×0.5m（環向×縱向）直徑為Φ16的錨筋。

4 隧洞襯砌計算

襯砌采用中南院開發的《水工隧洞鋼筋混凝土襯砌SDCAD4.0》軟件進行計算，同時采用北京理正軟件股份有限公司開發的《理正巖土計算6.5PB2版 隧道襯砌計算軟件》進行同步驗算復核。計算工況分別為正常運行、完建、檢修、地震等4種工況，各工況的荷載組合詳見表4-1。

根據隧洞的地質條件，覆蓋巖體厚度，以及不同的地下水位線深度，分別選取了分別選取3個隧洞典型斷面進行內力及配筋復核計算，斷面特性及計算參數見表4-2，隧洞受力計算簡圖見圖4-1，隧洞內力結果示意圖見圖4-2～4，隧洞襯砌配筋計算成果見表4-3。

本工程隧洞洞線地質條件均以Ⅳ類圍巖為主，隧洞進出口段為Ⅴ類圍巖，且洞身穿沖溝段及進、出口段巖石覆蓋厚度不足，為避免隧洞內水外滲，對周邊山體穩定產生影響，因此隧洞鋼筋混凝土襯砌不僅應進行承載力極限狀態計算，還應進行正常使用極限狀態驗算。本工程隧洞襯砌結構所出環境類別為“二”類，結構構件的最大裂縫寬度限值為ωlim=0.3mm。

根據表4-3計算成果，圍巖覆蓋層滿足要求的洞段，隧洞襯砌自上游往下游內水壓力逐漸增大，所需配置的鋼筋由Φ16@200～Φ22@150，最大裂縫寬度滿足規范要求。隧洞進、出口段為Ⅴ類圍巖，在不設鋼襯的情況下，為避免隧洞產生過大的裂縫造成內水外滲，危及隧洞進、出口邊坡的穩定，需配置的鋼筋較為密集，不便于隧洞施工及混凝土澆筑，因此考慮采用設置鋼襯的防止內水外滲，同時降低配筋密度。其余洞身段雖然圍巖覆蓋層厚度不足，但是其巖體多為Ⅳ類、Ⅲ類圍巖，為微風化巖體，物理力學性質較好，采取常規鋼筋混凝土襯砌可以滿足抗裂計算要求，配置的鋼筋密度相對較低，并采取固結灌漿措施增加圍巖的整體性，提高圍巖的抗滲性能。隧洞穿越斷層處，圍巖巖體破碎，圍巖彈性抗力弱，圍巖堅固系數低，透水性為中等透水，當僅采用常規混凝土襯砌是所需的配置鋼筋密度大，且仍存在裂縫并有內水外滲的風險，采用鋼襯后可以減少襯砌裂縫寬度，并且降低鋼筋配置密度，減少內水外滲風險。故采用設置鋼管內襯方式[3]。

5 結語

銀屯～凡平隧洞有如下特點：

（1）本工程設計內水壓力達0.8MPa，屬高壓淺埋隧洞，且存在斷層，需對特殊洞身段進行加固設計，本工程采用鋼襯+鋼筋混凝土襯砌的結構設計，降低鋼筋配置密度，減少內水外滲風險，解決覆蓋層厚度不足及隧洞穿越斷層的問題。

（2）由于隧洞埋深較淺，為避免隧洞內水外滲，對周邊山體穩定產生影響，二次支護的配筋采用小直徑小間距的方式，并在以滿足正常使用極限狀態的要求。

參考文獻

[1]GB50288-99，《灌溉與排水工程設計規范》[S];

[2]戴永浩，陳衛忠，于洪丹，等.大坂膨脹性泥巖引水隧洞長期穩定穩定性分析[J].巖石力學與工程學報，2005，29（S1）3227-3234.

[3]高水頭引水隧洞襯砌結構非線性有限元分析[D].西安：西安理工大學，2010.