鄂北水资源配置工程2016年11标凤凰寨隧洞施工支洞设计

赵东亮 魏铂佳 任鑫龙 暴艳利

1 工程概况

湖北省鄂北水资源配置工程主要建筑物由取水建筑物（新建取水竖井前）、明渠、暗涵、隧洞、倒虹吸、渡槽和节制闸、分水闸、检修闸、退水闸、放空闸阀、排洪建筑及王家冲扩建水库等组成，工程规模为Ⅱ等大（2）型，主要建筑物级别为2级或3级，次要建筑物为3级或4级。

凤凰寨隧洞全长10.13km，隧洞进口位于广水市王家湾村以北，接余店河（朝阳村）明渠；出口位于广水市郝店镇西北侧，出口接回龙寺暗涵。隧洞开挖的最大断面为城门洞型，宽×高为4.6m×5.19m，衬砌后仍为城门洞型，宽×高为3.5m×4.14m，底板宽度为3.5m，侧墙高度为3.13m，顶拱半径为2.02m。

隧洞线路走向总体从西北向东南，沿线共设3条施工支洞，采用钻爆法施工。由于施工支洞要承担凤凰寨隧洞的施工运输任务，因此，施工支洞的合理设计对输水隧洞的的顺利贯通及整个11标工程的按期完工起着重要作用。

2 施工支洞设计原则

根据类似工程施工经验以及凤凰寨隧洞工程的特点，施工支洞的规划设计原则如下。

（1）根据施工进度安排，结合凤凰寨隧洞布置，减少施工支洞工程量，节约投资。

（2）满足各工作面承担的任务基本相等，为工作面施工平行作业创造条件。为此，支洞的布置尽量避免施工干扰，保证工程施工均衡、有序地进行。

（3）支洞线路应最短，且沿洞线地质条件较好，尽量避免断层、破碎带的影响。

（4）考虑隧洞的施工期通风要求，结合周围地形及地质条件，本工程每3km左右间距设置1条施工支洞。

（5）3条支洞进口均在周边沟谷内设置，选择洞口位置时应尽量选择深沟及河谷来降低进洞口高程，减小支洞纵坡，但洞口高程要满足施工期的防洪要求。

（6）支洞洞线宜与主洞正交，必须斜交时其交角不应小于45°。

（7）施工支洞的设置应满足开挖出渣、混凝土浇筑，钢材运输及安装的需要；断面尺寸、纵坡等必须与施工机械设备的外型尺寸、工作范围相适应；施工支洞的断面设计需有利于施工供风、供水、供电、排水、通风及照明等临时设施的布置，提高施工支洞的通行能力。

（8）支洞口一般具备施工场地或临建设施布置的条件；支洞口一般在规定防洪高程以上，避免汛期无法使用。

3 施工支洞规划布置及断面设计

3.1 施工支洞洞线布置

凤凰寨隧洞施工支洞设计时充分考虑了上述原则，3条施工支洞洞线布置时尽量短而直，平面桩号长度均在500m左右；洞线沿线大多数为Ⅲ类、Ⅳ类围岩，工程地质条件较好；与主洞的平面夹角均为正交；洞口位置布置在现有交通道路附近，以便施工材料、设备运输。洞口修建临时施工道路和最近的道路相连接，同时考虑与永久交通道路相结合。除此之外，洞口还充分考虑了周边山沟、河道的洪水问题，在设计支洞进口底高程及洞口周边临时施工场地时，尽可能使其高于山沟、河道的设计洪水位，满足防洪要求。施工支洞特性见表1。

表1 施工支洞特性表

3.2 施工支洞设计

根据施工支洞设计原则及施工支洞洞线布置要求，凤凰寨隧洞3条施工支洞从洞脸形式、纵坡、洞型及支护衬砌、与主洞连接方式等方面进行了详细的设计。

3.2.1 洞脸设计

在布设好合适的洞线，确定好支洞的进口位置之后，首先要对洞口和洞脸进行详细的设计，确保施工支洞早日进洞。凤凰寨隧洞所布设的3条施工支洞，根据洞口的地形地貌，施工支洞洞脸的形式均采用贴坡式洞脸，其中2#支洞洞口采用引出部分明洞段的型式。两种洞脸形式分别如图1、2所示。

图1 1#及3#施工支洞洞脸剖面图

图2 2#施工支洞洞脸剖面图

两种洞脸形式均可以适用于岩质洞口和土质洞口。其中1#与3#支洞洞口上方的覆盖层比较厚，成洞条件比较好，直接采用贴坡式洞脸型式，此种洞脸型式可以减少洞口开挖工程量，有利于充分利用原地形，减少对原地形的扰动并可以提前进洞。土质边坡按坡比1∶1进行开挖，同时在洞口开挖范围挂Φ8@200钢筋网，喷C25混凝土80mm厚，以确保洞口稳定。岩质洞口按坡比1∶0.75进行开挖，在洞口开挖范围挂钢筋网，喷混凝土外，并布设Φ25mm系统锚杆，长2.0m，间排距3.0m，呈梅花形布置。2#支洞洞口上方的覆盖层比较薄，成洞条件不好，原地面线坡度较缓，因此，采用接出部分明洞的贴坡式洞脸。2#与3#支洞相比，减少了洞口开挖工程量，有利于洞口稳定，但需要接出一部分明洞，并对表面进行回填。此外，还需要做好各支洞口坡面排水系统，包括截水沟和排水孔等措施，其中截水沟应衬砌；排水孔内采用PVC花管，外裹150g/m2土工布。

3.2.2 纵坡设计

凤凰寨输水隧洞埋深较大，主洞及3条施工支洞均采用钻爆法施工。施工支洞设置时充分利用有利地形，减缓支洞纵坡，3条支洞坡度分别为10%、11.22%和5.4%，均满足无轨运输条件，出渣方便。

3.2.3 横断面设计

本工程施工支洞采用城门洞型。施工支洞断面尺寸一般根据以下几条原则来确定：（1）通过施工期担负的运输任务及高峰运输强度决定其底板宽度采用“单车道”还是“双车道”；（2）根据运输器械的尺寸初步确定施工支洞断面尺寸；（3）根据通风、供水、排水所需空间最终确定其断面尺寸。根据以上原则，本工程施工支洞横断面尺寸为4.0m×4.5m（宽×高），直墙高3.35m，顶拱圆心角120°。施工支洞断面布置如图3所示。

图3 施工支洞断面图布置图

3.2.4 支护设计

参考以上原则及凤凰寨3条施工支洞均采用自卸汽车出渣运输方式，根据自卸汽车的型号及通风供水照明等要求，确定施工支洞Ⅲ类围岩断面尺寸为4.2m×4.8m（宽×高），顶拱圆心角为120.9°；Ⅳ类围岩断面尺寸为5.1×5.45m（宽×高），顶拱圆心角为129.4°；Ⅴ类围岩断面尺寸为5.3m×5.6m（宽×高），顶拱圆心角为126.8°。

为确保施工支洞的稳定，开挖过后应及时进行支护衬砌，经过对典型断面最不利工况组合计算，最终确定凤凰寨隧洞施工支洞支护衬砌形式。其中Ⅲ类围岩采用挂网锚喷支护，边墙及顶拱喷C25混凝土厚度10cm，底板浇筑厚度20cmC25混凝土找平，设置Φ22mm系统锚杆，长度2m，间排距1.0m，梅花型布置，钢筋网采用Φ8mm钢筋，间距200mm×200mm。

Ⅳ类采用挂网锚喷支护，边墙及顶拱喷C25混凝土厚度15cm；设置Φ22mm系统锚杆，长度2.5m，间排距1.0m，梅花形布置，钢筋网采用Φ8mm钢筋，间距200mm×200mm，现浇40cm厚C25混凝土衬砌。

Ⅴ类围岩采用挂网锚喷支护，边墙及顶拱喷C25混凝土厚度20cm；设置Φ22mm系统锚杆，长度2.5m，间排距1.0m，梅花型布置，钢筋网采用Φ8mm钢筋，间距200mm×200mm，现浇 45 cm厚C25混凝土衬砌。特殊地质段支护应根据隧洞地质情况的复杂程度，依次选用钢支撑、管棚支护等支护措施，以确保施工支洞开挖安全稳定。Ⅴ类围岩洞身段支护设计如图4所示。

图4 洞身段支护设计图

3.2.5 主支洞交叉口设计

为保证施工支洞与凤凰寨隧洞的平顺连接，保障施工支洞运输的需要，施工支洞与主洞连接部位设置平洞段。结合主支洞交叉点的布置和交通运输需要，斜井起坡点距主洞最近边线为20m，连接位置设置为双向平弧段，此段采用单车道运输形式，并满足运输最小转弯要求。

4 结语

凤凰寨输水隧洞是整个鄂北地区水资源配置工程的重要组成部分，全长10.13km。隧洞采用钻爆法施工，沿线共设3条施工支洞并对施工支洞洞脸形式、纵坡、断面及支护形式、与主洞的连接方式等方面进行了详细的设计。随着施工支洞的全面开工，施工进程不断深入，还应根据施工现场的实际情况及各种特殊地质条件，对原设计进行修改调整，以确保所有施工支洞、主洞乃至整个鄂北地区水资源配置工程顺利实施。