某引水工程中輸水隧洞建設思路與方法淺析

李 旸

（甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000）

1 工程概況

某引水工程輸水干線全線長約150 km，沿線布置輸水隧洞40條，總長50.60 km，占線路總長的的1/3，最大設計流為7.5 m3/s，線路共布置1條有壓隧洞，斷面為圓形，設計斷面1.8 m，其余均為無壓隧洞，斷面為城門洞型，最大設計過水斷面為3.2 m×3.6 m，設計底坡為1/1 000～1/5 000。輸水線路區總體屬中高山地貌，地形高峻陡峭，隧洞大多具有深埋大、斷面尺寸較小、施工困難等特點，其中線路工程中長度大于1 km的隧洞有23條，最長洞線4.54 km，最大埋深252 m，隧洞沿線大部分穿越地層巖性主要為砂巖、砂巖夾泥巖、泥質粉砂巖，隧洞圍巖為Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ類，地下水類型總體以基巖裂隙水及巖溶水為主，大部分隧洞段均處于地下水位以下，地下水位高出隧洞高程0～224 m，大部會有較強滴水或線狀水流影響，局部可能會產生涌水突泥或出現較大規模塌落、變形破壞。選擇工程地質問題、隧洞長度及埋深帶有普遍性的代表隧洞作為典型進行設計，對其共性及特殊性問題進行分析并針對其給出處理方式，從而得出本工程的隧洞設計原則及控制目標。

2 設計施工方法

2.1 隧洞設計原則

依據水工隧洞設計規范、結合輸水線路沿線地形地質條件以及以往工程區隧洞設計施工經驗[1]，隧洞設計的原則有：（1）隧洞軸線布置綜合考慮工程區地形、地質條件及水文、施工、交通、環境及運行等因素，通過技術經濟比較確定；（2）洞線選擇遵循線路短直，沿線地質構造簡單、巖體完整穩定、水文地質條件較好、選線應盡量避開不良地質地段；（3）盡可能避免對城市規劃、交通設施、專項設施的干擾，減少征地及移民、避開環境敏感區；（4）隧洞數量較多，單個隧洞長度和設計斷面尺寸不大，無壓隧洞均選擇城門洞型斷面，最小斷面應滿足施工要求；（5）隧洞底坡考慮到隧洞開挖斷面和工程數量，節約襯砌材料，有利于施工，在條件允許時，縱坡應盡可能大一些，但考慮到整個各分干線水面線銜接，因此無壓隧洞的底坡推薦為1/2 500和1/5 000，有壓隧洞底坡考慮到施工期排水因素，底坡為1/1 000。

2.2 糙率敏感性分析

本工程隧洞輸水流量均較小，設計流量0.5～7.5m3/s，總體隧洞斷面不大，現就設計流量Q=7.1 m3/s、底坡i=1/2 500情況下的隧洞斷面進行隧洞混凝土糙率取值敏感性分析。敏感性分析原則為：輸水隧洞在設計流量、設計底坡為定值時，根據擬定不同的隧洞底寬，求得相應的水深及過水斷面尺寸，根據隧洞設計規范凈空面積要保證不小于過流面積18%，具體比較見表1。

從表1可以看出，隨著糙率取值每增加0.001，輸水隧洞斷面面積相應的均勻增加，增加的幅度不大，平均0.333 m2，占平均面積的4.7%，因此從單條隧洞糙率變化來看，糙率取值對隧洞斷面的影響并不是很大，相應地對工程量及投資的影響不大，但本輸水線路隧洞占整條線路長度的1/3，顯然糙率每增加一點對整個工程量及工程投資影響是很大的，因此總趨勢是糙率越小隧洞工程量越小，投資越省，但要滿足隧洞的最小施工斷面。

表1 隧洞混凝土襯砌糙率敏感性分析

綜合比較混凝土糙率取值敏感性、并參照已建隧洞輸水工程的混凝土糙率取值，本工程隧洞混凝土糙率取值取n=0.014。

2.3 計算方法

水力計算：無壓輸水建筑物為無壓過流，一般只在進出水池、建筑物變化及漸變段一定范圍內會出現非均勻流流態，而在長隧洞內部仍將出現均勻流流態，該工程輸水線路較長，其中各無壓輸水建筑物的長度相對于其正常水深值均較大，且各輸水建筑物輸水流量均相對較小，因此無壓輸水隧洞水面線采用明渠恒定均勻流基本公式進行計算。對于圓形有壓洞，過流能力按照《水力學計算手冊》中有壓隧洞公式進行計算。

結構計算：隧洞的結構設計遵照水工隧洞設計規范，按照運行、施工以及檢修3種工況進行結構計算，各工況隧洞荷載組合見表2。

表2 3種工況對應荷載組合表

2.4 隧洞支護方法

由于隧洞地質條件差、斷面小、洞線長，擬采用組合式支護方式，分2期施工，一次支護主要確保施工期間圍巖穩定和施工安全，支護方式根據圍巖類別的不同采用錨噴、掛網、鋼支撐等，二次支護采用鋼筋混凝土襯砌，與一次支護聯合作用確保永久運行安全[2]。

2.4.1 一次支護

根據隧洞圍巖分類的不同一次支護采用的支護型式也不同，對Ⅲ類圍巖來講，圍巖穩定性好，一次支護僅在隧洞頂拱采用掛網噴錨混凝土支護，邊墻不再支護，對Ⅳ類圍巖圍巖在邊頂拱采用掛網噴混凝土支護，并布置系統錨桿，對Ⅴ類圍巖圍巖除全斷面錨噴支護外，還應采用鋼支撐支護，必要時采用超前錨桿、超前小導管等支護措施。

2.4.2 二次支護

輸水隧洞圍巖為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類，針對不同圍巖類別及不同地下水位情況，全洞段采用C25鋼筋混凝土襯砌，并根據隧洞不同圍巖類別及隧洞斷面的大小，采用不同的襯砌厚度，經分析計算，Ⅲ類圍巖襯砌厚度0.3 m，Ⅳ、Ⅴ類圍巖襯砌厚度0.4 m。

2.5 隧洞灌漿與排水

隧洞灌漿：回填灌漿應在隧洞頂拱120°范圍內進行，孔距和排距為2～3 m，梅花形布置，孔深深入圍巖50 mm以上，灌漿壓力視混凝土襯砌厚度和配筋情況確定。隧洞圍巖固結孔距和排距視圍巖類別的不同而不同，梅花形布置，孔深一般為0.5倍隧洞直徑，有防滲封閉要求時，孔深適當加深。

隧洞排水方法：根據工程地質、水文地質條件和環保要求，對隧洞進行防滲與排水設計，隧洞的防滲與排水設計按照“堵”“截”“排”的原則，選擇單獨或綜合處理措施；無隧洞水面以上范圍內設置排水孔，孔深均為3～5 m，間排距3～5 m，隧洞底部設0.4 m×0.4 m排水暗涵，引排至隧洞進出口洞外。

3 不良地質洞段處理方法

隧洞的特殊不良地質情況包括高地應力、高地溫、巖溶及突泥、突水、軟質 巖成洞、煤洞采空區、活動斷裂等。其主要處理措施和方法如下[3]：

（1）隧洞開挖后，高地溫會引起混凝土襯砌結構開裂，襯砌結構受結構變形后溫度殘余應力等不利因素的影響，在常溫計算配筋成果基礎上適當加大鋼筋的配置，留有適當余地。

（2）隧洞巖溶及突水、突泥洞段處理。突水突泥災害是目前隧洞施工中風險最大的災害之一。設計施工中應采取以下措施：①做好超前預報。施工過程中應加強地質超前預報，針對不同的地質情況采用新奧法或預固后挖等施工措施，對突水突泥災害進行災害程度分析并確定風險等級，以便于在施工過程中采取動態調整；②當遇到突水突泥不良地質洞段應立即采取有效注漿堵水措施；③設置安全逃生系統，包括聲光報警、應急通信及電視監控、逃生通道及疏散標志、應急照明及供電系統、逃生裝備、排水設計6個部分。

（3）對有地下水腐蝕混凝土問題洞段的處理，永久襯砌混凝土采用耐腐蝕混凝土進行襯砌，按照酸性環境條件下選擇混凝土保護層厚度，在永久混凝土結構計算時不考慮初期支護作用。

（4）對線路通過有害氣體賦存區洞段處理。有害氣體通常為瓦斯，施工中應通過注漿隔絕瓦斯通道，并對隧洞內有高瓦斯段及相鄰段小構造瓦斯聚集區域進行全斷面二襯墊加固封閉；在施工過程中，加強通風設施布設，加強通風，實時監測隧洞內瓦斯含量，如瓦斯濃度超過標準，禁止進洞施工，加強對明火及可能引起瓦斯爆炸物品的管制，嚴禁帶入洞內。

（5）對活動斷層洞段處理。由于輸水線路沿線地理位置的特殊性，輸水隧洞無法避開一些活動斷裂，活斷層對隧洞工程的危害有蠕動破壞和錯動破壞。隧洞穿越活斷層的措施有：①預留變形空間、預置防震縫、提高襯砌抗震強度、采用抗震構件；②設計成柔性的復合襯砌結構，包括鋼管波紋補償復合襯砌結構、鋼筋混凝土復合襯砌、擴大的圓形隧洞與U型輸水管道組合；③采用“超挖設計”或“鉸接設計”和“隔離消能設計”；④采用雙洞短襯砌支護、短襯砌、寬縫等方案。

（6）軟巖段處理措施。在軟弱地層中開挖會使應力迅速接近或超過巖體強度，而產生巖體崩塌，開挖中對軟巖段采取分部開挖并迅速加固開挖面。軟弱地層中的隧洞一般分頂拱、臺階和仰拱三步開挖。當開挖面的變形需要限制時，還需進一步細分，此時可開挖側壁坑道，側壁坑道已成功地用于非常差的土質隧洞開挖施工中。軟巖隧洞的拱部支護擬由20～40 cm厚的噴混凝土層和錨桿組成。

在有地下水的極軟圍巖內開挖隧洞，如采用一般的支護方法如噴混凝土、打錨桿及加設鋼支撐等，仍不能維持圍巖的穩定，則需采取一些輔助措施，以此保證開挖施工的安全。

4 結論及建議

輸水隧洞在整個輸水線路上投資占比較大，因地形、地質因素的不確定性，設計、施工最為困難，且施工中存在的問題較多，工程質量對后期管理運行也存在較大影響，因此在輸水線路中隧洞設計為整個工程的重中之重，設計中選擇工程地質問題、隧洞長度及埋深帶有普遍性的代表隧洞作為典型進行設計，對其共性及特殊性問題進行分析并針對其給出處理方式具有重要的意義。