广西桂西北治旱百色水库灌区银屯～凡平隧洞衬砌结构设计

周怀瑜

摘 要：通过对高压力浅埋深的银屯～凡平隧洞衬砌结构进行稳定计算分析，得出在隧洞围岩覆盖厚度满足和不满足规范要求洞段、穿越断层洞段，需分别采用不同型式的衬砌结构设计。通过利用隧洞CAD进行设计计算，同时利用理正软件进行验算，建立隧洞模型，对其施加荷载并计算得到应力分布与变形分布图。计算结果表明：二次支护的配筋采用小直径小间距的方式，并在以满足正常使用极限状态的要求以及采用钢衬+钢筋混凝土衬砌的结构设计，降低钢筋配置密度，减少内水外渗风险，解决覆盖层厚度不足及隧洞穿越断层的问题。

关键词：隧洞;浅埋深;高压力;衬砌结构

1 工程概况

广西桂西北治旱百色水库灌区是百色水利枢纽的配套工程。灌区位于百色市右江河谷内，范围涉及百色市的右江区、田阳县和田东县，设计灌溉面积59.2万亩，为大（2）型灌区。百色水库灌区工程的施工总工期为48个月，总干管银屯～凡平隧洞，施工总工期为30个月。

银屯～凡平隧洞目线路总长为2264m，其中隧洞总长2236m，前连接钢管段长2m，后连接钢管段长10m。银屯～凡平隧洞为百色水库灌区百色水库引水部分总干管的首部工程，控制百色水库引水部分全部灌溉面积共39.2万亩，约占百色灌区工程灌溉面积的66%。隧洞设计流量即百色灌区总干管口设计流量6.60m3/s。银屯～凡平隧洞单项工程的隧洞、输水管道的建筑物级别为4级[1]。

2 工程总布置

（1）隧洞规模

银屯～凡平隧洞为百色水库灌区百色水库引水部分总干管的首部工程，控制百色水库引水部分全部灌溉面积共39.2万亩，约占百色灌区工程灌溉面积的66%。隧洞设计流量即百色灌区总干管口设计流量6.60m3/s。

（2）隧洞纵、横断面

ZG0+917m前段隧洞纵坡为0.8%，后段隧洞纵坡根据隧洞出口高程确定为2%，隧洞纵坡满足上下游衔接、施工及检修要求。

总干管的管径为2.8～2.2m，银屯～凡平隧洞所处区段的洞（管）径为2.8m，故银屯～凡平隧洞径确定为2.8m。

（3）洞线布置

隧洞进口位于银屯副坝东北侧的山坳底部，距离约400m，隧洞出口位于凡平村西侧，距离约220m。

银屯～凡平隧洞段长度为2251m，进口连接段钢管长3m，出口连接段钢管长25m，其中10m长的下弯段位于隧洞内，15m长的上弯段位于隧洞出口以外。银屯～凡平隧洞线路总长为2269m。

3 隧洞洞身支护衬砌设计

隧洞洞身段以Ⅳ类为主，局部为Ⅲ，Ⅴ类围岩为两处断层处。根据围岩类别不同，分别采用不同的衬砌类型[2]。

①Ⅳ类围岩洞段

Ⅳ类围岩洞段开挖断面采用“城门洞”断面，开挖断面底宽3.8m，高3.7m。二次支护全断面采用C25钢筋混凝土衬砌，厚度400mm，根据不同的内水压力段按Φ16@200～Φ22@150配筋;

②Ⅲ类围岩洞段

Ⅲ类围岩洞段开挖断面采用“城门洞”断面，开挖断面底宽3.6m，高3.7m。

二次支护全断面采用C25钢筋混凝土衬砌，厚度400mm，由于Ⅲ类围岩与Ⅳ类围岩分界不明显，交替出现，且占比较小，其配筋按不同压力段与相近Ⅳ类围岩洞段配筋相同。

③Ⅴ类围岩洞段

Ⅴ类围岩洞段为2处穿越断层洞段。根据地质勘查表明Fz02-1断层为平移逆断层，断层影响带宽约15m;Fz02为平移逆断层，断层影响带宽约24m，断层影响带岩体破碎，岩体完整性差，围岩极不稳定，存在涌水突泥的可能。二次支护全断面采用C25钢筋混凝土衬砌，厚度500mm，按Φ18@200配筋;由于断层影响带围岩稳定性差，属Ⅴ类围岩，围岩抗力小，抗渗能力差，为防止隧洞运行期渗透失稳和水力劈裂，引起隧洞结构破坏并严重影响上部环境，在衬砌内侧布置1道钢板内衬，钢板厚度为δ=16mm。

为使隧洞衬砌与钢管可实现联合受力，钢衬与混凝土间衬砌之间进行接触灌浆。隧洞钢板内衬主要承受内水压力，混凝土衬砌承受外压，钢板内衬焊缝为“三类焊缝”。为增强钢板内衬承受外压能力钢板外侧布置，间距为0.5m×0.5m（环向×纵向）直径为Φ16的锚筋。

4 隧洞衬砌计算

衬砌采用中南院开发的《水工隧洞钢筋混凝土衬砌SDCAD4.0》软件进行计算，同时采用北京理正软件股份有限公司开发的《理正岩土计算6.5PB2版 隧道衬砌计算软件》进行同步验算复核。计算工况分别为正常运行、完建、检修、地震等4种工况，各工况的荷载组合详见表4-1。

根据隧洞的地质条件，覆盖岩体厚度，以及不同的地下水位线深度，分别选取了分别选取3个隧洞典型断面进行内力及配筋复核计算，断面特性及计算参数见表4-2，隧洞受力计算简图见图4-1，隧洞内力结果示意图见图4-2～4，隧洞衬砌配筋计算成果见表4-3。

本工程隧洞洞线地质条件均以Ⅳ类围岩为主，隧洞进出口段为Ⅴ类围岩，且洞身穿冲沟段及进、出口段岩石覆盖厚度不足，为避免隧洞内水外渗，对周边山体稳定产生影响，因此隧洞钢筋混凝土衬砌不仅应进行承载力极限状态计算，还应进行正常使用极限状态验算。本工程隧洞衬砌结构所出环境类别为“二”类，结构构件的最大裂缝宽度限值为ωlim=0.3mm。

根据表4-3计算成果，围岩覆盖层满足要求的洞段，隧洞衬砌自上游往下游内水压力逐渐增大，所需配置的钢筋由Φ16@200～Φ22@150，最大裂缝宽度满足规范要求。隧洞进、出口段为Ⅴ类围岩，在不设钢衬的情况下，为避免隧洞产生过大的裂缝造成内水外渗，危及隧洞进、出口边坡的稳定，需配置的钢筋较为密集，不便于隧洞施工及混凝土浇筑，因此考虑采用设置钢衬的防止内水外渗，同时降低配筋密度。其余洞身段虽然围岩覆盖层厚度不足，但是其岩体多为Ⅳ类、Ⅲ类围岩，为微风化岩体，物理力学性质较好，采取常规钢筋混凝土衬砌可以满足抗裂计算要求，配置的钢筋密度相对较低，并采取固结灌浆措施增加围岩的整体性，提高围岩的抗渗性能。隧洞穿越断层处，围岩岩体破碎，围岩弹性抗力弱，围岩坚固系数低，透水性为中等透水，当仅采用常规混凝土衬砌是所需的配置钢筋密度大，且仍存在裂缝并有内水外渗的风险，采用钢衬后可以减少衬砌裂缝宽度，并且降低钢筋配置密度，减少内水外渗风险。故采用设置钢管内衬方式[3]。

5 结语

银屯～凡平隧洞有如下特点：

（1）本工程设计内水压力达0.8MPa，属高压浅埋隧洞，且存在断层，需对特殊洞身段进行加固设计，本工程采用钢衬+钢筋混凝土衬砌的结构设计，降低钢筋配置密度，减少内水外渗风险，解决覆盖层厚度不足及隧洞穿越断层的问题。

（2）由于隧洞埋深较浅，为避免隧洞内水外渗，对周边山体稳定产生影响，二次支护的配筋采用小直径小间距的方式，并在以满足正常使用极限状态的要求。

参考文献

[1]GB50288-99，《灌溉與排水工程设计规范》[S];

[2]戴永浩，陈卫忠，于洪丹，等.大坂膨胀性泥岩引水隧洞长期稳定稳定性分析[J].岩石力学与工程学报，2005，29（S1）3227-3234.

[3]高水头引水隧洞衬砌结构非线性有限元分析[D].西安：西安理工大学，2010.