输水隧洞衬砌断面型式选择

2018-01-26李金成乌鲁木齐水业集团有限公司

河南水利与南水北调 2017年12期

□李金成（乌鲁木齐水业集团有限公司）

1 隧洞地质条件与地质参数的选取

结合红雁输水隧洞所在位置的地质条件，其入口处与就近山体交接，由于山体较为陡峭且直平，基岩大多呈裸露状。揭露岩性主要为弱风化的熔角砾凝灰岩，围岩完整性差，节理裂隙较发育，岩石单轴饱和抗压强度较高，为中硬岩。

红雁输水隧洞位于乌拉泊水库下游6 km处，属低山丘陵地形，地形起伏不平，冲沟发育。隧洞出露地层为中上石炭系沉积岩和第四系全新统松散堆积物。中上石炭系地层岩性主要有灰黄色矽质砂岩（C2-3Ss2）、紫红色泥质粉细砂岩（C2-3Ss3）、灰绿色泥质页岩（C2-3Sh），三种岩性所占比例大致为61.70%、38.00%、0.30%，岩体呈层状结构，岩层产状为320°～340°SW∠35°～41°，强风化层厚度一般为0.35～1.00 m，弱风化层厚度一般7～9 m。第四系全新统主要有洪积（Q4Pl）及坡积（Q4dl）碎（块）石土、砂壤土，冲积（Q4al）砂卵砾石和含淤泥的砂壤土，人工堆积（Q4r）的碎块石。

隧洞岩体内有三组裂隙相对较发育，它们的产状分别为：①5°～15°SE∠45°～65°，②60°～80°NW∠70°～85°，③300°～320°NE∠55°～65°，上述裂隙规模较小，且多为陡倾角，对岸坡稳定及岩体抗冲刷影响不大。

红雁输水隧洞0+000-0+744 m段，在原洞底混凝土上凿毛后重新衬砌12 cm厚钢筋混凝土，另外0+000-0+060 m段、0+689.70-0+744 m段，保持原洞径不变，0+060-0+360 m段，边墙采用丙乳砂浆整平修复，拱顶采用C20混凝土挂网喷护，0+360-0+689.70 m段，顶拱采用钢筋混凝土衬砌，厚30 cm。

2 隧洞衬砌断面型式选择

2.1 影响因素分析

影响隧洞衬砌断面型式选择的重要因素是围岩是否具有承担内水压力的能力，围岩所具有的该能力的大小常常通过围岩所具有的地应力大小进行判断，当地应力最小主应力＞内水压力，围岩所可能遭遇水力等毁坏的可能性很小，也即围岩承压能力较优。本工程可用隧洞埋深代替上述过程的判断，采用下列公式：

式中：D——具有承担内水压力能力的隧洞围岩最小厚度；rw——水的重度；rR——围岩重度；H——内水压力水头；α——地面坡度。

在实际隧洞工程中，除了运用式（1）进行计算外，还应将安全系数考虑在内，按照设计规范，隧洞上部围岩覆盖厚度D＞0.40 H，见图1。

图1 隧洞围岩覆盖厚度示意图

2.2 结构计算

按照《水工隧洞设计规范》（SD134-84）附录中所提供的隧洞衬砌力的计算原理进行结构计算，主要借助假设的弹性抗力分布情况，运用结构力学原理和公式进行结果计算。其中，衬砌顶拱按照拱座与岩石弹性固结计算，而反拱按弹性地基梁力学原理计算，按照《水利水电工程PC-1500程序集》所描述的隧洞衬砌内力与配筋计算的通用程序进行具体的计算，即采用隧洞衬砌结构的非线性常微分方程组，求解其初参数数值，计算水压力、岩石压力和衬砌自重荷载情况下隧洞衬砌的变形与内力，配筋计算则根据水工钢筋混凝土相关规范。隧洞荷载主要由垂直、侧向山岩压力及衬砌结构自重构成，为简化计算，弹性抗力的影响暂不考虑。圈拱结合直墙进行的衬砌、蛋形结合钢筋混凝土预制的衬砌、蛋形结合素砼进行的衬砌三种型式的比较详见表1。

表1 三种型式的计算与比较表

C20混凝土所允许的压应力［σ］=10 000 kPa，所允许拉应力［σ1］=-1 200 kPa，所允许抗裂安全系数［fk］=1.20。由上表不同衬砌型式结构计算结果可知，圈拱直墙装配式衬砌型式抗压力最大值和抗裂安全系数最小值均不满足要求，而随着后两种衬砌型式侧拱底厚度的增加，其抗压力最大值和抗裂安全系数最小值均满足规范要求。

2.3 衬砌断面型式比较与选择

2.3.1 圈拱直墙装配式衬砌

这种衬砌型式在地质条件良好、山岩压力较小的灌区无压隧洞中最为常见，工程施工时，横断面不整齐，底板高低不一，衬砌构件已遭破坏，裂缝不断扩展，根据考察数据，侧墙左右偏移约为0.50～1.00 m，最大偏移量为1.40 m，横断面呈现上窄下宽，倾向一边。底板出现不同程度起伏变形，侧墙与拱圈部位均有不同程度裂缝，裂缝开裂处总计750 m，引起隧洞破坏的原因主要有：施工开始前并为对隧洞地质进行勘察，仅仅根据进出口处红砂岩条件确定坚固系数，而隧洞内绝大部分地段为“高岭土+砂卵石”地质条件，坚固系数≤1；15 cm的衬砌厚度明显无法达到设计要求强度，衬砌结构所采用的结构型式不符合要求，未对搭接接缝作相应处理，导致结构缺乏稳定性，抗裂安全系数不达标。

2.3.2 蛋形预制钢筋混凝土衬砌

该衬砌断面型式曲线接近压力曲线，具有较好的受力条件及对较差地质条件、较大山岩压力较好的适应性，故较为适用红雁输水隧洞。但是从隧洞实际施工情况看，隧洞内侧墙严重倾斜，构件错位明显，工程安全隐患显存。造成种种问题的原因主要是：各预制构件试件重量超标（重达200～300 kg），洞高所限所以工作场地狭窄，导致部分构件安装不及时、不到位，地表水侵入后，将增加山岩压力，造成塌方事故的可能性大大增加，严重违背了“短开挖、快衬砌”的隧洞施工原则。

此外，影响土粘聚力和内摩擦角的还包括水的因素，当地震烈度增加时，安全系数直线下降，在此过程中如果滑带土的抗剪强度真正起到作用，则安全系数会缓慢增加。

2.3.3 蛋形现浇素混凝土衬砌

工程施工人员在类似地质条件下先进经验的指导下，改进了蛋形预制钢筋混凝土衬砌断面型式的施工方法和施工顺序，即应用立刚模和现浇素混凝土方法进行隧洞衬砌，既符合“短开挖、快衬砌”的隧洞施工原则，又大大克服了隧洞塌方事故的出现。当进行2～3 m土方开挖后，随即立上实现制作好的钢模，在所浇筑混凝土尚未凝固前，钢模可以承担部分山岩压力，有效防止塌方产生。