东山供水工程输水隧洞设计简述

郭彩红

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

东山供水工程输水隧洞设计简述

郭彩红

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

东山供水输水隧洞是东山供水工程的关键和控制性分项工程。根据工程地形地质、施工运行、沿线建筑物及对周围环境的影响，通过结构计算确定隧洞的断面型式、衬砌，并确定相应的支护方式、防渗排水等，可为类似工程提供借鉴。

明流无压隧洞；有压隧洞；TBM施工隧洞；东山供水工程

1 工程概述

东山供水工程是山西省一项跨流域引调水工程，从山西省富水区清漳河流域、浊漳河流域调水到贫水区的汾河流域，实现了省内汾河流域中游与漳河流域上游连通，是山西大水网规划体系中的重要组成部分。

本工程大部分隧洞工程集中在输水线路1号隧洞进口流量调节阀室至北图划段需穿越清漳河、浊漳河的分水岭（香烟岭），云竹水库至东团城、东团城至源神庙水库需穿越清漳河、汾河分水岭。输水隧洞分明流无压隧洞和有压隧洞。明流无压隧洞共8条，分别为1号洞、5号洞、6～11号洞，总长72164m；有压隧洞6条，洞内穿PCCP及钢管的直径1200～2000mm，分别为2～4号洞、关河支洞、石匣导流洞、二期隧洞，总长3296m。

2 隧洞布置

2.1 洞线及纵坡选择

隧洞线路是供水工程线路的一部分，洞线布置应服从输水系统总体布置要求，还需综合考虑地形地质、施工运行、沿线建筑物及对周围环境的影响等因素，通过技术经济比较选定结构设计。

明流无压隧洞，根据运用要求、上下游水位衔接、沿线建筑物底部高程，以及施工检修条件、不淤流速、工程投资和运行管理费等因素，通过技术经济比较选择纵坡。有压隧洞纵坡按沿线压力管线的纵坡确定。

2.2 洞型断面选择

2.2.1 明流无压隧洞

明流无压隧洞的选择主要考虑地形地质、施工及结构等因素，针对工程情况，确定为城门洞型。隧洞断面除满足施工设备布置要求外，还应满足输水能力要求。根据流量、水深、纵坡的不同，隧洞断面在满足要求和过流能力的前提下，尽量采用最小的断面面积。

2.2.2 有压隧洞

结合工程总体布置，有压隧洞洞内安装PCCP及钢管。隧洞应满足管道安装的需求，断面采用圆形及城门洞型，采用混凝土回填。洞内穿PCCP及不同管径的钢管，针对不同的管径选取不同的隧洞断面。

3 隧洞水力计算

根据总体方案，为确保明流无压隧洞在不同流量下均能安全、稳定地运行，在确定隧洞的断面形状、底坡后，可用明渠均匀流理论试算确定隧洞水位、水深、流速、净空等水力要素，进而验证工程布置、断面型式、尺寸及隧洞纵坡的合理性。

明流无压隧洞按明渠均匀流公式计算：

式中：Q——流量，m3/s；

A——过水断面面积，m2；

n——糙率，取值0.014；

R——水力半径，m；

i——断面底坡，取各隧洞的纵坡。

设计水深计算：由于隧洞洞线基本为直线，水流状态按明渠均匀流分析，洞内水深沿程不变。根据隧洞不同断面，在设计最大流量工况下，进行水力计算。

4 隧洞结构设计

本工程中以Ⅳ、Ⅴ类围岩为主，因此隧洞衬砌结构设计采用结构力学方法进行，计算采用规范中隧洞衬砌设计程序，辅以有限元分析并结合类似隧洞工程进行分析。

作用于衬砌上而使结构产生变形的荷载，分主要荷载和附加荷载。主要荷载指长期及经常作用的荷载，有围岩压力、回填土压力、衬砌自重、内外水压力荷载等；附加荷载指非经常作用的荷载，有衬砌背后注浆压力、冻胀压力、混凝土收缩应力、温度应力以及地震力等。计算荷载时应根据上述两类荷载同时存在的可能性进行组合，并选用相应的安全系数验算结构强度。

在各荷载组合下计算隧洞钢筋混凝土衬砌厚度，并验算接缝宽度，结果均能满足验算要求。

5 隧洞支护设计

隧洞支护采用锚杆、挂网和喷混凝土作为主要的支护形式，并与钢筋混凝土衬砌相结合，对隧洞围岩起到了良好的保护作用。喷锚支护是使锚杆、混凝土喷层和围岩形成共同作用的体系并且作为永久支护结构的一次支护，喷锚网支护设计参数主要是确定锚杆密度、锚杆长度和材质、止水措施、喷锚网面层结构及整体稳定性验算等。设计参数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。钢筋混凝土衬砌作为永久支护结构的二次支护，与一次支护共同组成复合式衬砌，并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和配筋结果。

5.1 有压隧洞

该隧洞段主要为安装PCCP及钢管服务，跨径小，断面围岩相对稳定。一次支护全断面喷100mm厚C20素混凝土，在顶拱180°范围内设直径25mm的水泥砂浆锚杆，挂150mm×150mm钢筋网；待PCCP及钢管安装完毕后，进行二次支护，洞内全断面回填C15素混凝土。

5.2 明流无压隧洞

基本稳定的Ⅲ类围岩：顶拱180°范围内设直径25mm水泥砂浆锚杆，间排距1m，梅花型布置；全断面采用现浇250～300mm厚C25钢筋混凝土衬砌，顶拱120°范围内回填灌浆。

稳定性差的Ⅳ类围岩：除底板外，内挂直径8mm钢筋网（150mm×150mm），喷100mm厚的C20混凝土；设直径25mm水泥砂浆锚杆，间排距1m，梅花型布置；全断面采用现浇300～350mm厚C25钢筋混凝土衬砌，顶拱120°范围内回填灌浆。

不稳定的Ⅴ类围岩：一次支护同Ⅳ类围岩洞段；特别不稳定段采用钢支撑支护；二次衬砌全断面现浇350～400mm厚C25钢筋混凝土，顶拱120°范围内回填灌浆。

5.3 TBM施工隧洞段

9号隧洞TBM施工段为圆形断面，预制混凝土管片拼装式结构衬砌，衬砌后由于管片与围岩之间存在空隙，可以充填豆砾石后进行回填灌浆，使之达到更好的结构稳定和防渗止水作用。

5.4 土洞段及岩土过渡段

采用管棚加钢拱架支护，挂网喷混凝土100mm。现浇厚400mm的C25钢筋混凝土圆形全封闭结构作为二衬，并在顶拱180°范围内回填灌浆。

5.5 特殊洞段

对施工中超前钻探孔出水量大的洞段，采用超前预注浆堵水和加固围岩。对于局部地下水位较高洞段，衬砌后打排水孔减压，保证结构安全。

6 隧洞防渗设计

本工程明流输水隧洞长72.164km，其中1号隧洞、9～10号隧洞为长距离输水隧洞。

6.1 现浇混凝土衬砌洞段

Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ类围岩及土洞段环向伸缩缝用651型橡胶止水带止水，聚乙烯闭孔泡沫塑料板填缝；纵向施工缝中设遇水膨胀防水条。在岩土洞过渡段洞端采取固结灌浆，形成阻水帷幕，防止内水外渗，对洞周围土体形成有效保护。

6.2 TBM施工管片衬砌洞段

管片衬砌止水系统主要分为豆砾石回填灌浆层、橡胶止水条、防水膨胀砂浆。根据不同体型管片使用条件，采用不同型式的止水。对于无外水洞段的橡胶带，其基座为可压缩橡胶，上层为遇水膨胀橡胶；有外水洞段仅为可压缩橡胶。

7 隧洞排水设计

本工程供水线路隧洞段大部分为有地下水洞段，分别穿过清漳河与浊漳河、汾河与浊漳河的分水岭二兰山和子金山。分水岭段隧洞埋深较大，最大埋深达600余m，地下水位较高，洞顶上水头较大，并存在断层破碎带。外水作用在高外水洞段对隧洞的衬砌作用影响较大。如果水头超过60m，对于抵抗外水压力，采取衬砌加厚、配筋加强或固结灌浆等方式显然不经济。因此需对隧洞衬砌设置排水，来缓解外水压力。对于高外水洞段，可以采用固结灌浆堵水，排水孔降压的方式，并遵循先堵后排、堵排结合的原则来进行。

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］1004-7042（2016）07-0031-02

郭彩红（1979-），女，2006年毕业于华北水利水电学院水利水电工程专业，工程师。

2016-05-10；

2016-06-21