某输水线路上无压输水隧洞群标准化设计研究

王智虎

(新疆水利水电项目管理有限公司，乌鲁木齐 830000)

1 工程概况

某灌区新开垦土地面积0.922 7×104hm2以上，地势平坦，土层深厚，适宜耕种，但灌区极度干旱缺水，迫切需要实施水源工程。目前，灌区内已有电力提灌工程已达设计供水能力，高峰期供水紧张，已无力承担新发展农业灌溉供水任务，因此需新建引水工程向灌区供水。新建灌溉引水工程干渠段总长15.6 km，其中隧洞 11座，总长11.831 km，暗渠全长3.327 km，倒虹吸1座，全长0.442 km，隧洞、暗渠和倒虹吸分别占干渠总长的75.84%、21.33%和2.83%，隧洞占整个线路的 75%以上，因此隧洞设计施工是本工程的重点。根据现场地质勘查及资料整理分析可知，隧洞所在的工程区处于低山丘陵区，各隧洞穿越的地层主要为寒武系中统(2h)、奥陶系中统(O2)、白垩系(K1hk)、新近系(N2l)地层，隧洞沿线地层及岩性情况变化不大。本文根据隧洞围岩地质类别情况对11个隧洞进行标准化设计，主要包括断面设计、支护、衬砌及灌浆、排水及通风设计等，既可以节约投资，避免不必要的浪费，也为隧洞设计、施工提供便利，有利于隧洞施工管理。

2 隧洞群围岩地质评价

2.1 隧洞群围岩类别分析

隧洞11条总长11.831 km，洞径2.1～2.6 m，均为无压过水隧洞，隧洞埋深一般小于50 m，最大埋深85 m。根据试验和测试成果，类比已建成运行的分干渠隧洞，对11座隧洞围岩进行分类，各隧洞围岩分类见表1和表2。

表1 各隧洞围岩类别一览表

表2 隧洞群围岩类别统计表

2.2 隧洞群围岩地质评价

根据地质围岩类别可知，III类围岩长2.216 km，占隧洞总长18.93%；IV类围岩长6.783 km，占隧洞总长57.94%；V类围岩长2.708 km，占隧洞总长 23.13%。各类围岩地质评价如下：

Ⅲ类围岩：为较完整～完整的奥陶系(O2zb)变质砂岩夹板岩、千枚岩，岩体呈薄层中硬岩夹厚层坚硬岩结构，千枚岩中片理十分发育，板岩、变质砂岩裂隙较发育，抗风化能力较强，岩体相对完整；岩层走向与洞轴线夹角19°～39°，倾角70°～79°。毛洞顶拱局部掉块，围岩局部稳定性差。建议及时进行喷护。

Ⅴ类围岩：为洞身段有地下水活动的白垩系砂岩、砂砾岩，无地下水活动的新近系临夏组(N2l)砂砾岩、断层破碎带、影响带。新近系砂砾岩岩性软弱，单一厚层状结构，岩层产状较为平缓，强风化层厚1.0～1.8 m，毛洞顶拱极易坍塌变形或掉块，围岩自稳能力差、时间短。建议加强支护，及时衬砌，严格控制施工用水。

隧洞围岩建议参数见表3。

表3 隧洞围岩建议参数表

3 隧洞设计

3.1 隧洞断面形式选择

隧洞群所在的工程区处于低山丘陵区，围岩为砂岩、板岩、千枚岩、砂砾岩，围岩类别为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩，隧洞共计11条，总长11.831 km，洞径2.0～2.7 m，隧洞埋深一般小于50 m，最大埋深85 m。

本工程输水隧洞为低流速无压输水建筑物，无压隧洞采用圆拱直墙断面，围岩条件较差的则采用三心圆拱型断面。根据隧洞设计规范，无压输水隧洞考虑低流速和保持良好的通风、通气条件和经济断面，要求水面以上净空面积与洞身断面面积之比在15%～20%，且净空高度大于0.4 m 为宜[1]。

根据地质条件、施工和检查维修等对隧洞最小尺寸要求[2-3]，参考已建工程，确定隧洞断面型式，1#、2#隧洞采用圆拱直墙型断面，3#-11#隧洞采用三心圆拱型断面。

3.2 隧洞断面参数标准化

无压隧洞多采用圆拱直墙断面，围岩条件较差的采用三心圆拱型断面，根据不同的围岩类别、施工和检修等对隧洞最小尺寸要求，确定隧洞断面型式。

1#-2#隧洞为圆拱直墙断面，断面参数为：隧洞净高2.31 m，净宽2.0 m，顶拱半径1.0 m，顶拱圆心角150°，直墙高1.6 m。3#-11#隧洞三心圆拱型断面，断面参数为：隧洞净高2.53 m，净宽2.0 m，顶拱半径0.59 m，顶拱圆心角112°，侧拱半径3.0 m，侧拱圆心角42°，底拱半径2.81 m，底拱圆心角40.15°。

3.3 隧洞支护和衬砌标准化设计

3.3.1 支护标准化设计

一次支护III、IV和V类围岩采用挂网喷混凝土支护型式[4]，喷C20混凝土厚度为10 cm，喷层中部布设Φ6@200×200 mm钢筋网，V类围岩和全部隧洞进出口加强段架设全封闭型I14工字钢钢拱架，间距0.6～0.8 m，拱墙布设Φ18系统锚杆，长2 m，排距1.5 m，呈梅花形布置。

3.3.2 隧洞衬砌结构标准化

1#-2#隧洞III类围岩采用现浇C25砼进行减糙衬砌，仅衬砌直墙段，衬砌厚度0.2 m。IV、V类围岩采用现浇C25钢筋砼进行全断面衬砌，其中IV类围岩衬砌厚度0.3 m，布设单层钢筋；V类围岩及进出口加强段衬砌厚0.35 m，布设双层钢筋。隧洞断面设计见图1和图2。

图1 圆拱直墙型洞身结构图(Ⅲ类围岩)

图2 圆拱直墙型洞身结构图(Ⅳ类围岩)

3#-11#隧洞采用现浇C25钢筋砼全断面衬砌，Ⅳ类围岩衬砌厚0.3 m，布设单层钢筋；Ⅴ类围岩及加强段衬砌厚0.35 m，布设双层钢筋。隧洞断面设计见图3和图4。

图3 三心圆拱型洞身结构图(Ⅳ类围岩)

图4 三心圆拱型洞身结构图(Ⅴ类围岩)

二次衬砌永久缝止水采用“652”型橡胶止水带，迎水面单组份聚氨酯密封胶填缝，缝内布设高密度聚乙烯闭孔板。

3.4 回填灌浆

隧洞在开挖过程中回填灌浆：顶拱120°范围，排距2～3 m，1～2孔/排，梅花型布置。灌浆压力初步确定0.3 MPa。对衬砌隧洞群进行全线回填灌浆，目的是为填充隧洞超挖，围岩裂隙以及衬砌与周围岩体之间存在的空隙，使二者结合紧密，以改善围岩与衬砌结构的传力条件，并且可以减少围岩渗漏。

3.5 排水设置

施工期间的洞内排水主要来自洞壁渗水和施工期间产生的废水。根据设计高程各输水隧洞都具备自流排水的条件，考虑到部分洞段用水量较大，本工程采用自流排水和机械抽排结合的方式进行排水[5]。设置集水坑集水，顺坡可设排水沟让水流入指定集水坑，用水泵沿洞口抽出洞外；对逆坡工作面，洞内积水可采用在洞底板两侧每间隔100 m设置排水沟，洞内积水通过排水沟排入集水井，再用抽水泵抽出洞外，在洞外集中处理。

3.6 通风设计

施工通风主要为解决钻爆法施工中产生的大量的有毒有害气体，确保良好的施工环境和施工人员的人身安全。本工程最长隧洞长度2.768 km，洞线较长，因此在设计施工中要确定施工方案。本工程通风方案为：本次隧洞群施工通风采用压入式，风管采用优质软质风管，新鲜风流通过轴流风机向掌子面送风，有毒(害)气体、污染空气沿主洞口排出[6]，轴流风机的功率根据隧洞群中各隧洞长度不同确定，通风方案示意图见图5。

图5 隧洞通风方案示意图

4 结论和建议

本文对输水线路上隧洞群地层岩性和地质情况进行了梳理分类，根据地质评价结果进行隧洞标准化设计，对本输水工程设计施工研究方面具有十分重要的意义。本工程于2018年开始施工，标准化设计在施工和管理方面效果显著。在业主、设计、施工和监理单位的共同努力下，施工周期比原计划施工周期(2.5年)缩短了1/4时间，取得了较好的经济效益。