中部引黄工程总干线3#隧洞设计特点

李丽华

中部引黄工程总干线3#隧洞设计特点

李丽华

中部引黄工程为一长距离输水工程，输水总干线共有隧洞4条，3#隧洞长119.23 km，隧洞沿线穿越岩层类型多、埋深大，地形地质条件十分复杂，周边环境制约因素多，是本工程最关键的洞段。主要介绍3#隧洞的布置及设计要点，可为长隧洞工程的设计提供参考。

洞线布置 洞型选择 支护衬砌

1 工程概况

中部引黄工程是山西省 “十二五”规划建设中一项重点工程，工程包括取水工程和输水工程。输水工程包括总干线、东干线、西干线以及各供水支线，输水线路总长384.5 km。其中总干线起点接首部取水泵站出水池，终点至东西干分水闸，全长200.22 km；东干线长28.76 km，西干线长85.70 km，各供水支线长69.82 km。总干线由4条隧洞、埋管及渠道组成，其中3#隧洞为超长无压输水隧洞，隧洞全长119.23 km（岩石段长117.18 km，土洞段长2.05 km），施工采用TBM施工和钻爆法施工。该隧洞沿线穿越岩层类型多、埋深大，地形地质条件十分复杂，周边环境制约因素多，是本工程最关键的洞段。

本文主要从3#隧洞的布置，洞型选择及支护衬砌三方面，将隧洞在复杂情况的设计要点进行详细阐述分析。

2 隧洞布置

隧洞洞线布置要根据枢纽布置、动能经济指标、地形地质、生态环境与施工条件等基本资料，结合进出口布置、沿线的岩体覆盖厚度等因素，确定隧洞洞线的平面、纵剖面、纵坡。

3#隧洞洞线综合考虑了地形、地质、水力学、施工、运行、沿线分水建筑物及周围环境的影响等因素，并重点考虑TBM与钻爆法结合的施工方案合理选定。在满足工程总布置要求的条件下，3#隧洞布置在低中山区，沿线河流及冲沟发育。隧洞最大埋深610 m，埋深300～610 m洞段长75.6 km，埋深小于300 m洞段长43.6 km。隧洞洞身穿过地层主要为寒武系、奥陶系及变质岩地层，约有2.1 km过土洞段，21.7 km过Pt、Ar斜长角闪岩及石英岩段，其余均穿过∈、O系灰岩、白云岩、泥灰岩、页岩。工程沿线穿过4条断层FB1、FB4、FB5、FB14。Ⅲ类围岩长约73.2 km、Ⅳ类围岩长约13.3 km、Ⅴ类围岩长约32.8 km（含土洞段）。选定的线路TBM施工洞段长41.355 km，钻爆法施工洞段长77.879 km。共布置29条施工支洞，总长28.982 km。

隧洞部分洞段穿越天桥泉及柳林泉域，沿线地下水为裂隙岩溶水（区域及层间水）与松散岩类孔隙水。根据沿线钻孔资料可知，有约36 km长的洞段位于地下水以下，洞顶含水层厚度一般为100 m以上，最大达280 m。

隧洞采用全线自流输水方式，纵坡在需满足不淤流速要求的前提下，综合考虑运用要求、上下游衔接、沿线建筑物高程、施工和检修条件以及沿线分水设施等因素后确定。最终选定纵坡为：采用TBM施工的桩号总77+040.9—总118+395.8段，确定为1/2 500，其余洞段纵坡为1/3 000。洞线高程在997.73～966.00 m，水源泵站地形扬程为197.56 m。

3 隧洞型式选择

3.1 断面过流条件

隧洞断面形状及尺寸选择主要根据水力学条件及水文地质、衬砌工作条件、地应力情况以及施工方法等因素，通过技术经济比较后确定。

圆形断面或马蹄形断面受力条件好，对地质条件适应性强，对围岩稳定有利且较经济；城门洞断面对地质条件适应性不如圆形或马蹄形断面，但施工方便，无压条件下洞内水力学条件容易满足。3#隧洞为无压输水隧洞，用明渠均匀流理论进行试算确定洞身段断面尺寸。对于长距离输水隧洞，在通过设计流量时，无压洞洞内水面线以上空间不小于隧洞断面面积的20%，净空高度应大于0.4 m。

为确保输水建筑物在运行期各级流量下能够安全、稳定地运行，需对沿线输水建筑物进行系统水力学计算，求解全线各建筑物之间的水流衔接状态以及沿程水位、水深、流速、净空等水力要素，进而确定工程布置、断面型式和断面尺寸的合理性。

式中 Q——设计流量，m3/s；

ω——过水面积，m2；

n——糙率，0.014；

R——水力半径，m；

i——纵向比降。

输水隧洞水力计算成果见表1。

3.2 断面形式隧洞计算采用明渠均匀流公式计算：

表1 3#隧洞水力计算成果表

3#隧洞经经济技术比较后，采用圆形、马蹄形和城门洞形3种断面。TBM洞段受施工方法限制采用底部带轨道平台的圆形断面，内径4.3 m；地质条件较差、外水压力高的岩洞段采用圆形断面，内径4.3 m；土洞围岩自稳性差，采用马蹄形断面，顶拱内缘为半径2.1 m的半圆弧，侧墙及底板内缘为半径4.2 m的半圆弧；地质条件较好的岩洞段采用城门洞型断面，圆拱中心角Ⅲ类、Ⅳ类围岩为150°、Ⅴ类围岩为180°，净宽3.8～4.0 m，净高4.86～5.04 m。

3.3 TBM与钻爆法的选择

近年来，随着施工技术的发展，TBM施工技术在隧洞工程中成功运用。采用TBM施工最大的优点是：施工技术装备水平高、施工进度快、安全保证程度高、施工质量容易控制；缺点是按照同规模的隧洞与钻爆法施工比较，单位长度隧洞的投资略高于钻爆法。钻爆法施工的优点是：施工技术成熟、投资比TBM施工略低；缺点是受其施工工艺的制约，施工进度较慢，安全保障程度差，而且以爆破作业为主的施工方法会对周围环境造成负面影响。

本着因地制宜的原则，采用钻爆法与TBM相结合的施工方案。3#隧洞 （总77+040.9—总118+ 395.8）洞段最大埋深610 m，洞身穿过的地层为奥陶系中统上马家沟组中段深灰色、灰黑色厚层灰岩、豹皮状灰岩，具备TBM施工条件。根据施工工期、地质条件、隧洞洞径和投资造价等多方面比选，采用TBM施工比较合适，其余洞段采用钻爆法施工。该施工方案较全线采用钻爆法节省工期5个月。

4 支护及衬砌设计

支护和衬砌目的是保持围岩稳定，减少洞壁糙率，满足所要求的水利条件，承受岩石压力、水压力，满足防渗、环境保护要求，防止岩石风化、水流冲刷及温度、湿度、大气等因素对围岩的破坏。

3#隧洞支护设计采用喷锚支护和现浇混凝土衬砌联合支护型式。喷锚支护作为永久支护结构的一次支护，其设计参数的选定主要依据工程类比法，并结合本工程围岩类别分析确定。设计中特别加强了土洞、地下水等特殊地质条件洞段的一次支护设计。现浇混凝土作为永久支护结构的二次支护，因一次支护、预注浆对围岩的加固处理作用，二次支护可适当提高围岩类别或降低围岩荷载，用结构计算确定衬砌厚度。

4.1 城门洞形隧洞

城门洞形隧洞不同围岩类型的支护及衬砌形式如下：

Ⅲ类围岩：喷C20混凝土80 mm；顶拱范围内设Φ25 mm随机锚杆，长2.0 m。

Ⅳ类围岩：喷C20混凝土100 mm；顶拱范围内设Φ25 mm系统锚杆，长2.0 m，间排距1.0 m，梅花形布置。

Ⅴ类围岩：喷C20混凝土120 mm；顶拱范围内设Φ25 mm系统锚杆，长2.0 m，间排距1.0 m，梅花形布置；顶拱及侧墙挂Φ8@150 mm钢筋网，必要时辅以钢拱架。

4.2 马蹄形隧洞

土洞段隧洞断面采用马蹄形断面：除底板外，内挂Φ8 mm钢筋网 （15 cm×15 cm），喷C20混凝土12 cm厚；全断面C25钢筋混凝土衬砌40 cm，顶拱100°范围内回填灌浆，灌浆压力0.2 MPa。局部土体松散地段，洞宽3 m以下时采用14工字钢加Φ42 mm超前小导管超前支护，洞宽3 m以上（包括3 m）时采用20a工字钢加Φ42 mm超前小导管超前支护。

4.3 圆形隧洞

TBM施工圆洞段：3#隧洞TBM段长 41.355 km，开挖直径4.98 m，衬砌后直径4.3 m。衬砌为预制混凝土管片拼装式结构，4片管片组成1环，管片型式为六边形蜂窝状结构，厚30 cm，宽1.2 m，管片与围岩之间的空隙，用豆砾石充填并进行回填灌浆，厚度90 mm，使之密实，以达到结构稳定和防渗止水效果。管片与管片环向缝之间用2个机械连接销锁定。

钻爆法施工圆洞段3#隧洞钻爆法施工圆洞段（总118+395.8—总124+614.2）各类围岩的支护形式与城门洞形断填灌浆，灌浆压力0.2 MPa。

5 特殊洞段的处理

5.1 高外水压力洞段

根据沿线钻孔资料可知，3#隧洞有约36 km长的洞段位于地下水以下，洞顶含水层厚度一般为100 m以上，最大达280 m。隧洞设计按3种情况处理：对于作用水头小于10 m的洞段，与前述初次支护和二次衬砌设计相同；作用水头大于10 m的洞段，在隧洞内设计水面线以上设置排水管，以减小隧洞衬砌的外水压力，同时将二次衬砌厚度加厚，并适当增加受力钢筋；对于不宜设置排水孔的隧洞段，采取超前固结灌浆、加大衬砌厚度的方式，以减小外水压力对衬砌结构稳定的影响。

5.2 深埋隧洞段

3#隧洞最大埋深610 m，埋深300～610 m洞段长75.6 km，埋深小于300 m洞段长43.6 km。根据地质资料，这些洞段可能出现围岩大变形、塌方、岩爆、地应力、高外水压力、突水、突泥、涌水和有害气体等地质问题。超前地质预报是确保隧洞施工安全的重要技术手段，因此，设计中除考虑采用加强初期支护和二次衬砌的措施外，还提出了进行超前地质预报和施工临时监测的技术要求。

5.3 断层处理

3#隧洞沿线穿过FB1、FB4、FB5、FB14四条断层。对于这些断层的处理，主要结合超前地质预报及超前钻探，查明掌子面前方及地下水分布状况及水量后，采用超前固结灌浆、加强初期支护和二次衬砌的方式，以确保施工及结构的安全。

6 结语

综合3#隧洞的设计，在复杂情况下，隧洞设计要点得到了充分的体现，隧洞设计的难点及注意事项得到了极大的应用。其中根据水力条件和不同工程地质及施工方法，采用的不同洞形型式和衬砌。 TBM洞段施工及钻爆法洞段施工快速、便捷并适应地基能力强，有效缩短了工期，节省了投资，提高了水的利用率。3#隧洞的合理设计，提高了整个工程的施工效率，保证了效益的正常发挥。

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李丽华 女 工程师 山西省水利水电勘测设计研究院山西太原 030024