淺談引水工程中無壓隧洞設計斷面型式的確定

樊有鋒，姬春利

(陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710001)

1 工程簡介

榆林黃河東線馬鎮引水工程主要是解決神木市窟野河河谷區、榆神工業區錦界工業園、榆神工業區清水溝工業園、榆陽區榆溪河以東工業園共四大片區的工業用水需求，設計水平年2025年引黃河水量2.9億 m3。該項目為榆林市重大水利基礎設施，也是陜西省重點建設的水利工程，工程設計從黃河右岸馬鎮葛富村取水，經兩級泵站提水，往西至神木市以南的黃石溝沉沙調蓄庫入庫，經水庫沉沙、調蓄；出庫干線經壓力輸水穿窟野河至三級泵站，經三級泵站提水至禿尾河，再穿禿尾河向西南方向，經過四級、五級泵站提水加壓至榆陽區的石峁水庫。

出庫干線中最長的隧洞為12#無壓隧洞，位于三級泵站和四級泵站之間，洞長31.27 km，進口洞底高程997.15 m，出口洞底高程984.64 m，比降1/2 500，設計流量9.61 m3/s，隧洞采用馬蹄形斷面型式，洞身斷面尺寸3.3×3.3 m。

2 隧洞斷面型式確定

根據《水工隧洞設計規范》(SL279-2016)，隧洞斷面形狀與隧洞用途、地質條件、施工方法、襯砌結構的工作條件等因素相關。本工程隧洞為無壓隧洞，隧洞可供選擇的斷面型式主要有圓拱直墻形、馬蹄形、圓形。

2.1 地質條件

12#無壓隧洞圍巖主要為Ⅲ類砂巖，最大洞頂埋深275 m，平均埋深約120 m，洞頂最大外水壓力為174 m，平均外水壓力約100 m，地質條件相對較好。但由于外水壓力較大，對結構的影響較大。

2.2 水力條件

根據規范要求，從水力條件、結構要求分析，在凈空比20%的條件下，計算得出圓拱直墻形、馬蹄形、圓形隧洞各種過水斷面。無壓隧洞過流能力計算采用明渠均勻流公式：

2.3 結構計算

根據SL279—2016《水工隧洞設計規范》推薦邊值的計算方法，采用結構力學方法進行洞身襯砌結構計算。計算程序采用" 水工隧洞鋼筋混凝土襯砌計算機輔助設計系統 SDCAD 4.0 "(水利版)，其中Ⅲ類圍巖圍巖壓力采用系數法計算，Ⅳ、Ⅴ類圍巖圍巖壓力采用普氏計算。

1)外水壓力折減系數確定

根據工程地質報告可知，隧洞開挖時結構面會出現滴水～線狀流水，不會有大的涌水，12#無壓隧洞建議外水壓力折減系數為0.15～0.35。結合《水工隧洞設計規范》(SL279—2016)外水壓力計算方法及折減系數的取值標準，12#隧洞在設置排水孔的情況下，Ⅲ類圍巖外水折減系數取0.15，Ⅳ、Ⅴ類圍巖外水折減系數取0.35(表1)。

表1 12#隧洞不同斷面水力計算結果

2)計算工況及荷載組合：

運行期：外水壓力+圍巖壓力+襯砌自重+內水壓力等

檢修期：外水壓力+圍巖壓力+襯砌自重等

施工期：外水壓力+圍巖壓力+襯砌自重+灌漿壓力等

2.4 襯砌設計

12#隧洞總長31 274.12 m，Ⅴ類圍巖總長度約為153.78 m，占整個明流隧洞的0.5%，Ⅳ類圍巖總長度約為11 264.46 m，占整個明流隧洞的36.02%，Ⅲ類圍巖總長度約為19 855.88 m，占整個明流隧洞的63.48%；根據地質勘查成果，并結合工程類比，對Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類圍巖分段采用不同一次支護及二次襯砌(見表2)。

表2 12#隧洞分段襯砌表

1)一次支護

Ⅲ類圍巖：采用Φ22隨機錨桿+C20混凝土噴護，混凝土噴護厚度8 cm；

Ⅳ類圍巖：Φ22系統錨桿+C20混凝土掛網掛噴護，錨桿單根長2 m，間排距1 m，交錯布置，掛φ6.5鋼筋，間距150×150 mm，混凝土噴護厚度10 cm；

Ⅴ類圍巖：Φ22系統錨桿+鋼拱架+ C20混凝土掛網掛噴護，錨桿單根長2 m，間排距1 m，交錯布置，掛φ6.5鋼筋，間距150×150 mm，鋼拱架間距0.8 m，混凝土噴護厚度15 cm。

2)二次支護

依據《水工隧洞設計規范》(SL279—2016)規定，雙層鋼筋混凝土襯砌厚度不宜小于0.4 m，結合結構計算結構及工程類比，12#無壓隧洞二次襯砌采用C30鋼筋混凝土，襯砌厚度為400 mm。

2.5 隧洞灌漿設計

隧洞灌漿設計包括回填灌漿和固結灌漿，根據規范要求，回填灌漿的范圍為頂部或頂拱中心角90°～120°，圍巖固結灌漿應根據隧洞工程地質和水文地質條件、襯砌型式、施工對圍巖的影響程度以及運行要求，通過技術經濟比較確定。

12#無壓隧洞回填灌漿布置隧洞拱頂范圍120°范圍內，灌漿孔間排距2 m，交錯布置。根據地勘資料及工程類比，12#無壓隧洞按圍巖類別分段進行固結灌漿，其中，Ⅲ類圍巖不進行固結灌漿，Ⅳ圍巖頂拱120°范圍進行固結灌漿，Ⅴ類圍巖采用全斷面固結灌漿，間排距2 m，交錯布置。

2.6 不良地質洞段處理

隧洞在穿越斷層破碎帶、過溝淺埋段及斷層破碎帶等不良地質洞段時，采用超前固結灌漿對進行地層預注漿加固。超前固結灌漿采用φ100鋼管，單根長2 m，環向間距50 cm，外插角45°，管身設6～8 mm的注漿孔，孔間距15 cm，交錯布置。

3 不同隧洞斷面優缺點比選

(1)從過流能力來看，相同條件下，圓形斷面水力條件好，隧洞斷面尺寸最小，馬蹄形斷面水力條件較好，隧洞斷面尺寸較小，圓拱直墻形斷面水力條件最差，隧洞斷面尺寸最大。

(2)從隧洞結構受力條件來看，12#隧洞襯砌厚度取決于外水壓力的大小，隧洞最大外水壓力177 m，平均外水壓力約100 m；相同條件下，圓形斷面、馬蹄形斷面受力條件好，襯砌厚度小；圓拱直墻形斷面受力條件差，襯砌配筋大。

(3)從運行管理條件來看，圓形斷面隧洞底拱半徑為1.65 m，后期檢修時，車輛通行比較困難，隧洞檢修清淤難度大；馬蹄形斷面隧洞底拱半徑為3.30 m，后期檢修時，車輛通行相對容易，隧洞檢修清淤難度較小；圓拱直墻形斷面隧洞底寬2.80 m，洞高3.81 m，檢修、清淤條件最好。

(4)從施工條件來看，圓拱直墻形斷面大，結構簡單，施工方便；圓形隧洞和馬蹄形隧洞隧洞較小，施工相對困難。

(5)從工程直接費來看，圓拱直墻形斷面工程直接費最大，為83 510.12萬元；圓形斷面次之，為79 572.02萬元；馬蹄形斷面最小，為76 744.39萬元。馬蹄形直接費投資比圓形節省2 827.63萬元，比圓拱直墻形直接費投資節省6 765.73萬元(表3)。

表3 12#隧洞不同斷面工程量及投資比較表

根據以上對比可知，圓拱直墻形斷面隧洞尺寸最大，施工、檢修條件最好，但受力條件稍差、工程直接費最高；圓形斷面隧洞尺寸工程直接費居中，但施工、檢修條件最差；馬蹄形斷面隧洞尺寸、工程直接費最小，施工、檢修條件相對較好。為了保證工程的順利實施，同時節約工程投資，榆林黃河東線馬鎮引水工程12#無壓隧洞斷面采用馬蹄形斷面，縱坡比降1/2 500，尺寸為寬度3.30×高度3.30 m(見圖1～圖3)。

圖1 圓拱直墻形斷面設計圖

圖2 馬蹄形斷面設計圖

圖3 圓形斷面設計圖

4 結語

榆林黃河東線馬鎮引水工程是榆林市重大水利基礎設施項目，工程的實施將為榆林能源化工基地的建設和運行提供可持續的水資源保障。出庫干線中12#隧洞全長31.27 km，是項目施工過程起控制工期的工程，合理的選擇隧洞設計斷面型式，不僅可以縮短工期，更能節省工程投資。本文根據工程區地形、地貌、地質條件、水力條件，合理選擇參數進行結構計算，確定出隧洞一次支護和二次支護方式，不同的圍巖采取不同的灌漿設計，對不良地質洞段采取特殊處理措施；通過對圓拱直墻形、馬蹄形、圓形三種斷面型式的隧洞工程量及投資比較，結合各種斷面型式隧洞的結構特點、水力條件、結構受力條件、施工難易程度、后期運行管理過程中檢修和清淤情況，綜合考慮最終確定本工程12#無壓隧洞設計斷面采用馬蹄形斷面。