某工程排洪隧洞、输水隧洞断面结构和尺寸的优化设计

田俊佳，王金宏

(云南创研勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650228)

1 工程概况

某排洪、输水工程位于山区河谷地带，由两个进口位置不同的、独立的无压隧洞，和一个汇合后的无压隧洞组成，平面布置见图1。排洪隧洞长0.34 km，设计底坡1/50，设计最大过流量11.0 m3/s(设计洪水经调节后的下泄流量)，隧洞断面为圆拱直墙形式，顶拱中心角180°，C25钢筋混凝土衬砌，厚30 cm，断面净宽1.5 m、净高1.8 m，衬砌结构内侧面布置钢筋，底板沿结构底部、上表面分别布置下层、上层钢筋。输水排洪隧洞长1.60 km，设计底坡1/150，设计输水流量0.6 m3/s，排洪流量4.65 m3/s，合计5.25 m3/s，断面型式、结构、尺寸同排洪隧洞。

图1 隧洞平面布置示意图Fig. 1 Schematic diagram of tunnel layout

两隧洞与汇合洞弯道连接，转弯半径为10.8 m(大于洞宽1.5 m的5倍，三个隧洞均属于低流速隧洞)，设计底坡0。汇合隧洞长86 m，设计底坡1/80，设计最大过流量16.5 m3/s，隧洞断面为圆拱直墙形式，顶拱中心角180°，C25钢筋混凝土衬砌，厚35 cm，断面净宽1.8 m、净高2.4 m，衬砌结构内侧面布置钢筋，底板沿结构底部、上表面分别布置下层、上层钢筋。

隧洞施工安全措施，初期支护采用钢拱架、喷C20细石混凝土(厚10 cm)，拱架、喷锚支护紧跟掌子面(常规地质条件，无支护段长不超过10 m，地质条件差时，不超过5 m)。Ⅲ类围岩直接喷混凝土，Ⅳ类围岩立钢拱架(间距1.0～1.2 m)、喷混凝土，Ⅴ类围岩立钢拱架(间距0.8 m)、喷混凝土，地质条件差的局部地段，在顶拱钢拱架外沿轴向打超前锚杆(间距20 cm)、仰角5°，和垂直于轴向的、扇型布置的系统锚杆(1个断面3根夹角45°、或2根夹角60°，交替)，立钢拱架(间距0.8～0.6 m)、喷混凝土；不打超前锚杆的洞段，立拱架前挂网。钢拱架分为三段，直墙的立柱左右各一段，顶拱圆弧一段，立柱安装、固定好后，架设、安装顶拱钢支撑，与立柱上端的垫板用螺栓连接。立柱下端设锁脚锚杆，上端设定位锚杆，详见图2。

图2 Ⅳ、Ⅴ类围岩隧洞结构和支护断面图Fig.2 Cross-section of tunnel structure of IV and V surrounding rock and support

2 隧洞断面结构和尺寸的优化设计及施工措施

输水排洪隧洞从进口、汇合洞出口两端头施工，由于隧洞较长、且转弯，洞内通风不好，需要大功率大断面的风机供风；断面小，只能等1个车辆进出后，另1个车辆才能进入，运输距离长、外面的车辆等候时间长，断面尺寸对于施工作业来说，显得比较狭窄。为控制工程量，不设置错车道。1个作业面的施工进尺，从最初的一天3炮10 m，到后来一天1炮2.0～3.5 m，影响施工进度和工期。遇到特殊地质情况，需花一天时间打超前锚杆。

设计时选择基本尺寸的小断面隧洞(控制工程量和投资)，施工时需要尺寸大一些的断面以便于操作，二者形成了矛盾。尤其是对下一步衬砌混凝土浇筑完毕、养护好、验收后的回填灌浆工作来说，作业面更加狭小。

鉴于以上原因，结合隧洞断面开挖施工过程中出现的问题，设计方在保持基本设计断面尺寸、主要工程量不变的情况下，对排洪隧洞、输水隧洞断面做了结构和尺寸的优化设计。虽然汇合隧洞不存在断面尺寸问题，考虑到断面结构尺寸能稍微大一点，有利于今后工程管理，检修维护时的通风、作业，对也其进行了优化设计。

优化设计主要有以下几点：

1)调整布置于钢拱架外侧的、顺轴向的HRB335φ20 mm联系钢筋位置，由于开挖好的断面不光滑、不规整，几榀拱架间如果按原设计拉通布置联系钢筋，需要凿除局部突出的岩石尖角和凸出部分，一方面增加了初期支护的凿岩时间，不符合快支护、早成环、早封闭、少扰动的原则，一方面该空间不属于工程结构范围，凿出来的空间下一步需要浇灌混凝土填满。因此，设计提出联系、稳定钢拱架的钢筋位置，由施工人员根据实际情况确定：

(1)如果拱架外侧有空间，可以按原设计从外壁拉通布置、焊接；

(2)如果拱架外侧没有空间，两榀拱架间有岩石尖角和凸出部分，凸出部分不超过40 mm，不予凿除，在两榀工字钢的内缘焊接联系钢筋，可以使用短钢筋；

(3)如果拱架外侧没有空间，凸出部分超过40 mm、属于欠挖，需给予凿除(将凸出部分控制在40 mm以内)，再将联系钢筋布置在拱架内侧，可以使用短钢筋。每个横断面的联系钢筋，综合外侧、内侧均匀布置，根数只可增加，不可减少。

从已开挖出来的几段断面来看，普遍存在超挖，因此，外圈尺寸内(两侧和顶拱)联系钢筋的空间≤20 mm的范围不作为设计硬性要求的、必须开挖的尺寸，要求施工单位根据前一施工断面的开挖情况，按照重地质、少扰动(少药量)、弱爆破、短进尺的原则，掌握洞挖的炮眼的布置和间距、数量、深度、倾斜角度，用药量的多少，严格控制开挖量和开挖尺寸。

2)初期支护工字钢型号，排洪、输水隧洞从“普工14#”调整为“普工12#”，汇合隧洞从“普工16#”调整为“普工14#”，拱架间距根据隧洞地质情况，看是否调整、加密(间距缩短约20 cm)，在保障施工安全的基础上，尽量不超工程量。

工字钢型号尺寸调整后，外边缘尺寸不变，内边缘处可留出20 mm的空间，即可布置联系钢筋。

3)隧洞洞身C25钢筋混凝土结构尺寸，底板位置、衬砌厚度不变，侧墙、顶拱整体向外围扩大20 mm一圈，优化后排洪、输水隧洞断面净宽1.54 m、净高1.82 m，空间增加0.09 m2，占原面积2.46 m2的3.6 %；汇合隧洞断面净宽1.84 m、净高2.42 m，空间增加0.117 m2，占原面积3.97 m2的3.0 %。

设计优化调整后，复核计算排洪、输水隧洞工程量，Ⅳ、Ⅴ类围岩断面每m断面工程量：洞挖方量，侧墙、顶拱减少20 mm一圈，混凝土量侧墙、顶拱减少内侧面20 mm一圈；支护体两侧壁和顶拱原有40、60 mm空隙需浇灌、回填混凝土，优化后空隙只有20、40 mm，20 mm作为结构混凝土浇筑，混凝土浇筑量每m比原断面减少约0.009 m3，占0.9 %。

Ⅲ类围岩断面初期支护为直接喷混凝土(厚10 cm)，设计调整后，两侧、顶拱设计开挖断面尺寸需扩大20 mm一圈，洞挖方量和混凝土量，侧墙、顶拱从外壁增加20 mm一圈。每m断面：开挖量增加约0.102 m3，占3.0 %，混凝土量增加约0.099 m3，占3.0 %，见图3。

图3 Ⅲ类围岩隧洞结构和支护断面图Fig.3 Cross-section of tunnel structure of Ⅲ surrounding rock and support

结构内圈尺寸变化部位布置的钢筋、尺寸相应调整，钢筋用量略有增加。

无压隧洞衬砌结构主要承受来自外壁的围岩压力、地下水压力，内部的水压力很小，经复核计算，结构尺寸扩大后，两种断面的衬砌厚度30 cm、35 cm不变，结构稳定、应力满足要求。

紧贴拱架内壁布置的联系钢筋，浇入C25混凝土结构内，一定程度上可将其视为结构钢筋，在完成联系拱架、保证初期支护整体稳定的作用后，与C25混凝土结合，起到支持衬砌结构的稳定、分担结构应力的一份子，见图4。

图4 联系钢筋在拱架背后、前面间隔设置Fig.4 Interval arrangement of tie bars in the back and front of the arch

4)为便于施工作业，排洪、输水两个隧洞进口锁口长20 m的一段，钢筋混凝土断面按汇合隧洞断面施工，钢拱架采用“普工14#”，混凝土厚度35 cm，结构尺寸扩大15 cm一圈。其后设2 m长渐变段与洞身断面相接。洞口前的喇叭口和仰拱尺寸做相应调整。两个锁口和渐变段增加了混凝土和钢筋(混凝土增加48 m3)。

由于Ⅳ、Ⅴ类围岩洞段多、占81 %，调整设计后，洞身混凝土和钢筋增减，总体上变化不大，经业主、监理、施工共同商议，洞身增减的工程量不另行计量，按合同工程量结算。进口锁口和渐变段混凝土和钢筋，按变更后的图纸工程量计量，洞身工程计量长度减少44 m。

3 结论

1)在同样工程量情况下，应尽量使结构断面的净空尺寸最大，有利于工程施工和运行管理。本工程输水隧洞较长，适宜的结构尺寸为净宽1.6～1.65 m、净高1.85 m。

优化设计、断面尺寸调整(扩大)后，设计流量不变时，排洪隧洞底坡可在1/50～1/55之间调整、变动，输水隧洞底坡可在1/150～1/160之间调整、变动，汇合隧洞底坡可在1/80～1/88之间调整、变动，有助于隧洞平面布置、纵剖面设计，如适当整体提高汇合隧洞的高程，减少隧洞长度。

同等底坡情况下，断面尺寸的扩大，增加了过流量，提高了泄洪能力。

2)小断面的隧洞，一段不宜太长，一般洞长600 m后，接一段明渠或渡槽，施工时在洞口两端设置施工作业面(区)，可大大缩短洞内运输距离和通风距离，和施工工序轮换、交替的时间，不仅利于通风、保证施工工期，同时节约施工成本。

3)不宜仅仅为节省工程量设计小断面隧洞。小断面隧洞尺寸小，施工作业受限于狭小空间，机械化的施工设备使用率低，大多工序是人工作业(比如锚杆、超前导管的施工，图5)，效率和人员安全性低。

4)从进口施工的隧洞，洞内排水靠抽排，隧洞掘进深度超过500 m时，抽排水成本较高，尤其停电、靠柴油发电机发电来供风、抽排水、照明，成本更高；作业点附近地面时常存在积水，影响施工操作、运输和通行，见图6。而且，存在突然停电、作业面被浸没的风险。输水隧洞主要从出口的作业面掘进，进口工区掘进到650 m时，隧洞贯通。

图5 锚杆施工Fig.5 Anchor construction

图6 从进口施工的隧洞，地面时常积水。Fig.6 Tunnels constructed from the entrance often having water on the ground

5)施工过程中，为增强隧洞内的通风，在输水隧洞轴线沿线地表选择覆盖层不厚的地点(里程1+005)利用地质钻机打通气孔，孔径300 mm，下套管，孔口做网罩防护，孔深58.9 m。通风孔与洞身联通后，洞内通风较好。施工结束后，通风孔永久保留。

6)三个隧洞的交汇、“V型”尖角处，岩体单薄、不稳定，要加强支护；由于洞挖爆破作业，尖角部位围岩破碎、松散、易脱落，见图7，为避免岩体变形，尖角体的凸出面从基础到顶部用浆砌石衬护(浇筑永久衬砌混凝土前拆除)。隧洞交汇部位施工车辆过往频繁，底部形成凹槽并积水，见图8，影响到钢支撑立柱的基础稳固和围岩的整体稳定。按照施工程序，隧洞贯通后，先浇筑边墙和顶拱钢筋混凝土，最后从里向外浇筑底板钢筋混凝土。针对出现的问题，采取工程措施处理，抽干积水、清理底板凹槽部位至新鲜基岩，回填埋石混凝土到底板建基面，养护好后在面层铺设保护钢垫板，浇筑底板钢筋混凝土前再将建基面清理干净。

目前该工程完工两年多，投入使用后发挥了很好的功效和作用。

图7 “V型”尖角部位，围岩破碎、松散、易脱落Fig.7 Surrounding rock breaking, loosing and falling off the V-shape corne

图8 隧洞交汇处，施工期间车辆过往频繁，形成凹槽并积水Fig.8 Vehicles passing frequently at the intersection of the tunnel during the construction and forming grooves and water accumulation