输水隧洞工程的设计与施工探讨

赵 君

（渭南市水利水电勘测设计院 陕西 渭南 710016）

1 工程概况

本工程是以供水为主，兼顾农田灌溉、发电和防洪等综合效益的Ⅱ等水利枢纽工程。枢纽工程由粘土心墙砂砾石坝（坝高130m）、泄洪洞、溢洪洞、引水洞、坝后电站、古河道防渗、副坝、滑坡体处理等单位工程组成。水库总库容2亿m3，年调节水量4.28亿m3，日供水110万m3，其中农业用水 1.23亿m3，灌溉农田76万亩。水电站装机容量2万kW，年发电量7308万kW·h。

2 地质情况分析

本隧洞工程地处秦岭山麓山前洪积坡区域，洞室地层岩性主要为第四系坡洪积的土壤、砂砾及卵石层，属于不稳定型Ⅴ类岩体。土壤 f≤0.8，砂砾、卵石 f≤0.5，洞顶以上岩体厚约7m～25m，地下水位高于洞顶，砂砾曾渗透系数为54m/d，土壤渗透系数为0.19m/d。

3 隧洞设计

3.1 输水线路的选择及布置思路

输水隧洞在进行输水系统线路选择时尽可能布置成最短的直线，布置时应综合考虑地形、地质、枢纽布置等条件。

隧洞进口设计桩号64+701.819，出口设计桩号66+855.28，隧洞设计中心线左转折122°10'03"，中心线桩号为65+844.04。由于最为发育的裂隙、破碎带以及岩层层面与陡倾的构造、裂隙和开挖临空面很容易形成不稳定块体的位置，对围岩稳定非常不利，所以对工程区大小冲沟较发育、地形比较破碎、不适合线路布置的位置不能确定输水系统线路。本工程选择了隧洞设计中心线左转折122°10'03"为主要布置输水系统线路。

本工程输水隧洞属于重要输水建筑物，也是整个工程的唯一输水通道，其主要作用是实现引水工程的供水量，实现供水保证率95%的目标。

根据引水工程的总体布置，隧洞选线不但要满足地形、地质要求，还要结合一些取水枢纽以及电站运行条件等因素综合确定。

隧洞的设计思路为：在满足引用足够水量和洞内不淤的条件下，初步确定隧洞出口高程，再根据洞线地形条件，综合确定隧洞比降，推算至隧洞进口，然后根据隧洞进出口能量损失进行水力计算，调整进口高程，确定经济、合理的比降，使隧洞进出口水头损失相对较小。最后根据确定的比降，确定经济合理、利于施工和运行管理的隧洞断面形式及其他建筑物形式。

3.2 隧洞断面设计

根据已知条件，洞身断面采用明渠均匀流公式进行过流计算，计算水深0.61m；洞内水面线连接通过进、出口各段面能量方程确定，出水池压力管道满足淹没条件。

隧洞断面设计尺寸最大高为4.10m，最大宽度为3.40m，隧洞坡降比为1/2500，衬砌混凝土厚度30mm～40mm，隧洞全长2153.46m。隧洞设计中心线左转折122°10'03"，中心线桩号为65+844.04。隧洞设计断面图见图1。

4 竖井的设计

隧洞工程总共设计有三个竖井，断面均为圆形，竖井顶部有150#锁口盘，锁口盘外径为8.0m，深3.0m。锁口盘以下至竖井底设计均为200#喷射混凝土支护，厚度为25cm，三个竖井井深度分别为18.09m、18.5m、20.8m。

图1 隧洞设计断面图

5 过流能力

根据《水工隧洞设计规范》（SL279-2002），隧洞过流能力，对长洞按均匀流计算。采用明渠均匀流公式：

式中，ω——过水断面面积，ω=bh0；

b——矩形隧洞过水断面宽度，x=b+2h0；

x——湿周；x=b+2h0；

R——满流时的水力半径；R=ω/x；

已知隧洞设计流量 q=0.83m3/s，底坡i=1/2000，断面宽度 b=3.4m，高度 H=4.1m，对于钢筋砼衬砌n=0.015。根据曼宁公式进行试算，设计流量下洞内水深h0=0.75m＜1.5m，故洞身过流能力满足规范要求。

6 隧洞断面衬砌设计

本工程隧洞衬砌结构计算原则采用限制裂缝开展宽度计算，以工程类比和理论计算分析相结合的方法进行隧洞结构设计。按一次喷锚支护对围岩的加固作用和围岩的自承能力，适当提高围岩的弹性抗力系数，降低外水折减速系数。

6.1 荷载计算

（1）衬砌自重

式中，G——自重，kN；

γc——混凝土容重，kN/m3；

V——混凝土体积，m3。

（2）山岩压力

山岩压力按照普氏公式的塌落拱理论计算，均布的垂直山岩压力：

式中，q——竖向围岩压力,kPa；

γ——岩体重度；

B——隧洞开挖宽度，m；

H——隧洞开挖高度，m；

φ——岩体内摩擦角；

f——岩石坚固系数。

（3）侧向山岩压力

E1=0.7γHtg2（45°-φ/2）

E2=（0.7h+H）γtg2（45°-φ/2）

（4）弹性抗力系数计算

k=100k0/r

式中，k——岩石的抗力系数，N/cm3；

k0——岩石的单位抗力系数，N/cm3；

r——圆形隧洞断面开挖半径，对于非圆形洞，采用B/2；

B——为断面开挖宽，cm。

（5）外水压力

依据《水工隧洞设计规范》（SL279-2002)，作用在混凝土、钢筋混凝土和预应力混凝土衬砌结构上的外水压力，可按式：

式中，Pe——作用在衬砌结构外表面的地下水压力，kN/m2；

βe——外水压力折减系数，可参照《水工隧洞设计规范》（SL279-2002）；

γw——水的重度，一般取9.81kN/m3；

He——地下水位至洞中心的水头，内水外渗时取内水压力。

（6）回填灌浆压力

拱顶在120°范围内衬砌进行回填灌浆，灌浆压力按0.5MPa计。

6.2 结构计算参数

（1）地质参数

依据《本工程输水隧洞工程地质勘察报告》推荐值，为各类围岩地质参数取值。

（2）结构参数

根据隧洞断面结构尺寸B×H=3.4×4.1m及各洞段地质概况，初步拟定断面支护与衬砌参数见表1。

表1 结构参数表

本工程从经济角度来讲，充分利用围岩的弹性抗力以及围岩的地质条件要求，经过分析研究计算比较本工程的应力条件和渗透条件以及从地形、地质条件来分析可知，采用混凝土衬砌能够满足本工程的应力和渗透条件。所以输水隧洞采用混凝土衬砌，衬砌厚度为30mm～40mm，混凝土标号为150#，抗渗标号为S4，配合比 1∶2.2∶3.92，水灰比0.53。

7 竖井施工研究分析

7.1 开挖施工

竖井开挖方法采用全断面自上而下进行。竖井开挖前要做的工作主要是，先进行竖井井口的锁口盘施工，如果锁口盘混凝土未达到设计的强度，锁口盘以下竖井就不能进行施工。经验收混凝土强度达到设计要求后，依次再安装井口的龙门架以及附属设施。

根据围岩状况分析，竖井井壁采用喷锚支护的施工方法进行施工。竖井施工时，边挖进，边喷护，开挖深度一般情况下控制在2.0m～2.5m之间，具体情况根据围岩特性定夺。根据要求竖井在开挖过程中比原直径大于0.5m，本工程竖井直径为4.0m，开挖直径为4.5m。

竖井开挖施工使用此方法，不但经济、保证质量，而且安全、容易施工。

7.2 喷锚支护施工

本工程竖井开挖每段完成后，沿井壁周围每78.5cm布置一根砂浆锚杆，每层之间的间距为60cm～80cm，锚杆采用不小于Φ20的Ⅱ级钢筋，一般情况下，锚杆采用梅花形型布置，人工挖孔，锚杆埋深在2.75m以上，外露25cm左右。孔形成以后，采用灌注砂浆法进行灌注砂浆，锚杆灌注完成后形成钢筋网，立即喷射200#混凝土。根据施工现场记录和规范要求的规定，喷射风一般情况下控制在2kg/cm2～2.5kg/cm2，喷射角度控制在85°～90°，距离控制在0.6m～1.2m左右。

喷锚支护施工是工程中常用的一种防护措施施工方法，本工程不但竖井施工采用了喷锚支护，隧洞掘进施工中也采用了喷锚支护的方法。喷锚支护施工方法不能够缩短工期，施工难度大、费用高，但能够保证工程的质量以及安全。

8 隧洞施工研究分析对策

本工程由于地质条件复杂，工程在施工过程中，采用了多种施工方法进行隧洞施工。经过方案分析比较，首先选择了边开挖掘进，边喷锚支护，边衬砌混凝土施工的方案。

8.1 隧洞开挖分析

开挖施工采用正台阶法掘进。首先开挖上半部分，开挖长度控制在1.0m～1.2m之间。开挖完成立即喷锚支护，喷锚长度1.0m，上半部分喷锚完成后，开始下半部分掘进。为确保喷锚支护混凝土的强度，下半部分开挖总比上半部分少一个循环施工。

8.2 排水施工分析

隧洞工程施工时，洞内排水是一个很关键的施工环节。本工程通过地下水的分布情况研究分析，制定了多种方案进行洞内排水施工。经多方比较，最终选择了两种比较合理的抽排方案：一种是采用洞外沿洞内中心线右侧6m处钻深水井的方法进行洞内排水，深水井深度为50m，洞外排水井设置在地下水的上游，多用高扬程水泵连续抽排。另一种是在洞内采用人工挖井，集中将洞内的水抽排在竖井下的集水井，而后采用离心泵将其抽排至洞外。

上述两种排水方法在隧洞工程中使用最为广泛，特别是在地下水位较高以及地下水流量较大的隧洞施工时，一般情况下采用这两种抽排水施工方法会比较合理。

8.3 混凝土衬砌施工

本工程混凝土衬砌共分两期，一期衬砌顶拱侧墙，两侧模板随着钢拱架均衡上升并浇筑，混凝土运输车用胶轮车将其混凝土运输至仓面，混凝土输送泵输送混凝土入模，插入式捣固器捣固。混凝土衬砌1.5m一个循环，接着开挖下一个循环。模板拆除一般在衬砌混凝土强度达到70%以上以后开始。本工程混凝土衬砌根据工程的性质、特点确定了每次衬砌的深度，由于地质条件的复杂性，本工程隧洞只能以1.5m一个循环为基础，进行混凝土衬砌施工。

8.4 分析对策

本工程在隧洞施工时，也采用了另外一种施工方法，即“短进尺，强支撑，快衬砌”施工方法，采取全断面开挖，是一种比较灵活的施工方法。开挖的时候，首先开挖顶拱，及时支护，稳定后，立即开挖下半部分，开挖时采取强支护，开挖长度上半部分最大2.0m，下半部分最大1.6m。本方法节约材料成本，按拆方便，坚固耐用，安全可靠，便于施工。

9 结论

本工程隧洞施工时，采用了两种施工方法，一种临时喷锚支护施工方法，另一种是短进尺，强支护，快衬砌施工方法。临时喷锚支护在工程的短时期内具有很大的防护措施作用，但是从工程总体来分析，施工方法、费用相对比较高，施工复杂，影响工期，并在施工过程中会不断的出现塌方等相关问题，没有“短进尺，强支护，快衬砌”施工方法经济、工期短、简单。本文通过输水隧洞的设计、施工进行研究分析，得出了输水隧洞施工较为经济、容易、安全、工期短的施工方案。陕西水利