延安黄河引水工程杨家山隧洞断面体型方案研究

薛长青

（陕西水环境工程勘测设计研究院 陕西 西安 710018）

1 概述

延安黄河引水工程从黄河干流右岸延川县延水关镇王家渠村提水，经排沙处理后加压送至杨家山隧洞进口，通过杨家山隧洞输水至延川县城东南约2.2km的清涧河右岸高家湾净水厂，经净化处理后分两路支管供水，一路向西北至子长县工业园区，另一路向西南至延安市宝塔区姚店工业新区净水厂。杨家山隧洞为延安黄河引水工程的咽喉工程，也是整个引黄工程最长的输水隧洞，全长11.36km，设计引水流量4.2m3/s，纵比降1/2000，进口高程766.67m，出口高程761.00m。隧洞起点在柏树坬山塬上，隧洞终点在清涧河左岸坡，与高家湾净水厂隔河相望。

杨家山隧洞穿越黄河一级支流赵家河和清涧河之间的黄土梁峁，沿线山峦起伏、地形破碎，相对高差100m～150m，河流各支沟有残留的一、二、三级阶地堆积，局部可见小范围的崩塌滑坡堆积。洞线穿越的地层岩性主要有黄土状壤土、砂岩夹泥岩等。

2 隧洞断面体型方案

2.1 隧洞横断面形式确定

根据《水工隧洞设计规范》（SL279-2002）要求，隧洞横断面形状与隧洞的用途、地质条件、施工方法、衬砌结构等各种因素相关。本次设计隧洞横断面体型主要根据地质条件、衬砌结构和施工难易程度来确定。

2.1.1 地质条件对体形的要求

根据地质勘察报告，杨家山隧洞地质条件较为简单，沿线无断层和破碎带。洞室围岩以三叠系胡家村组（T3h）砂岩夹泥岩为主，进口段有长约1026m的黄土隧洞，黄土洞段地下水位低于洞底设计高程，基岩洞段地下水位高于洞顶设计高程。隧洞洞室为Ⅲ类围岩的洞段长9648km，洞室为Ⅳ类围岩的洞段长375m，洞室为Ⅴ类围岩的洞段长133m，这三种围岩占隧洞总长的比例分别为：83.48%、3.31%、1.17%。整个洞段地质条件相对良好，不良地质洞段较少。在地质条件较好时宜采用圆拱直墙式断面，方便施工。

表1 隧洞横断面尺寸设计方案比较表

2.1.2 衬砌结构对体形的要求

从结构要求分析，无压流隧洞可供选择的断面形式主要有：圆拱直墙型、马蹄形等形式。无压隧洞在地质较差的情况下采用方圆型可能会出现底板或边墙的稳定问题，改为圆形或马蹄形对围岩稳定有利。由于杨家山隧洞大部分围岩地质条件良好，故经过结构计算，衬砌25cm素砼即可满足受力要求。少数地质条件较差洞段或土洞段在支护做好的情况下，可考虑采用圆拱直墙型。

2.1.3 施工条件对体形的要求

从施工角度来说，方圆型断面易于满足水力条件和方便施工；圆形断面对施工运输有影响，需要垫片或改变开挖断面；长距离输水隧洞若采用马蹄形断面，开挖时按方圆型施工需增大尺寸，否则衬砌为马蹄形后难以满足施工要求。对于本工程，为了加快进度，节省投资，建议采用方圆型施工开挖断面。

2.1.4 断面形式确定

经过上述综合分析，结合陕西省绝大多数已成小断面长距离输水隧洞的实践经验，杨家山无压隧洞宜采用圆拱直墙式断面，方便施工，洞内水力条件容易满足，且便于进出口连接。洞身圆拱中心角选用180°，并以此进行结构计算。

2.2 隧洞横断面尺寸方案

2.2.1 拟定原则

根据《水工隧洞设计规范》（SL279-2002），输水隧洞的横断面尺寸，除应满足运行条件下的过流能力外，还应符合施工要求。随着施工机械的发展，施工技术的进步，缩短了施工工期，减少了建设期利息，经济效益明显。故在此次设计横断面尺寸时，充分考虑在不同施工条件下，不同地质情况下，不同衬砌条件下，通过技术经济分析确定横断面尺寸的合理性。根据本工程的输水特点，横断面尺寸的控制因素主要在输水流量上体现，而不是在施工方面体现，为了最大限度地满足隧洞结构要求，减少一次性投资，给工程带来最大效益，应对断面方案进行比选。

2.2.2 隧洞工程类比

在设计初期按原可研的设计流量进行设计，初步拟定了横断面尺寸B×H＝2.5m×3.05m；随着设计工作的深入，以及审查批复的可研工程规模，通过对引红济石工程的关山隧洞、马栏河引水工程马栏隧洞的参观学习、咨询探讨，采用断面尺寸B×H＝2.5m×3.05m。通过水力计算复核，可满足本次设计流量4.2m3/s的过流要求。

马栏隧洞是陕西省岩石小断面引水隧洞中较长的一个。由于洞线长、断面小、埋深大、工作面少，给供电、通风、出渣、通讯、高压风水管路等增加了很大难度。该隧洞开挖断面B×H＝2.6m×2.5m主要是按照施工机具和施工断面位置要求设计的。对于长距离小断面过水隧洞来说，设计是否合理的控制因素是在该断面尺寸条件下，隧洞施工是否可以安全、高效实施。较小的施工断面既会限制洞内施工的机械化程度及作业人数，又会影响洞内的排烟效果及出渣进料的能力。

2.2.3 横断面尺寸方案比选

根据《水利水电工程施工组织设计规范》（SL303-2004），在满足不同施工设备，合理布置风、水、管、路（简称三管两路）后，绘制施工外包络图，根据外包络图确定最小施工断面尺寸。通过对前期工作的总结，以及借鉴马栏隧洞的实践成果，现提出三个最小施工断面尺寸，分别为B×H＝1.5m×1.8m、1.8m×2.4m、2.5m×3.05m。断面形式采用圆拱直墙式，施工采用钻爆法。

对其进行经济技术比较，选择出较合理的设计横断面。方案比较见表1。

方案Ⅰ（B×H＝1.5m×1.8m）

优点：工程量小，投资少；

缺点：受断面尺寸制约，施工风、水、管路很难布设，只能运用效率极低的人工开挖、装渣及运输方式。施工难度很大、施工安全性较差，平均日进尺很低，工期较长，运行管理不便。

方案Ⅱ（B×H＝1.8m×2.4m）

优点：工程开挖量居中，投资居中；

缺点：受断面尺寸制约，只能运用效率较低的机械施工方式，施工风、水、电及出渣轨道布设比方案Ⅰ优化，平均日进尺参数提高，故工期缩短，管理运行条件改善。

方案Ⅲ（B×H＝2.5m×3.05m）

优点：因施工断面增大，可采用效益较高的机械施工，施工难度相应降低，平均日进尺大幅度增加，工期缩短，可提高发挥工程效益。

缺点：工程开挖量大；投资增加较多。

推荐方案。通过对比，由于方案Ⅰ设计隧洞横断面很小，无法实施高效率设备作业，施工风、水、电、排烟、轨道布置困难，施工难度很大，故从施工角度最先排斥推荐方案Ⅰ。由于方案Ⅱ施工相对困难，施工工艺复杂，工程投资优势不明显，且无法满足工程总体工期要求。方案Ⅲ断面增大，可运用高效率施工机械，施工安全性较高，投资增加不大，且可满足整体工程工期。由于杨家山隧洞为延川黄河引水工程的咽喉工程，控制着整个工程进度，采用大断面，可提前发挥工程效益，故本次设计采用方案Ⅲ（B×H＝2.5m×3.05m）作为设计横断面尺寸。

3 结语

杨家山隧洞为延安黄河引水工程的咽喉工程，也是延安引黄工程最长距离的输水隧洞。根据隧洞沿线的地质条件、衬砌结构和施工难易程度对隧洞体型的要求，并结合已成长距离输水隧洞的实践经验，经综合分析比较，杨家山无压隧洞宜采用圆拱直墙式断面。通过经济技术方案比选，杨家山隧洞设计横断面尺寸采用大断面方案（B×H＝2.5m×3.05m），可极大缩短施工工期，使延安黄河引水工程提前发挥工程效益，以尽早解决延安市一区四县六个工业园区用水的燃眉之急。陕西水利