石山口灌区隧洞工程设计方案比选与分析

程凌云

（信阳市水利勘测设计院，河南　信阳　464000）

石山口灌区隧洞工程设计方案比选与分析

程凌云

（信阳市水利勘测设计院，河南信阳464000）

针对石山口灌区南干六支渠隧洞改建工程的地质条件和线位布置，提出3种设计方案，从改建形式、设计方案、施工工期、工程造价和施工风险等方面进行综合比较，推荐采用超前支护暗挖隧洞方案，为同类灌溉隧洞工程的设计提供借鉴。

隧洞；地质；扩挖；超前支护；顶管

1　工程概况

石山口灌区南干六支渠全长15km，设计灌溉流量3.5m3/s，控制灌溉面积0.21万hm2。渠道桩号0+980～1+730之间，为人工开挖的隧洞，建于20世纪70年代初，洞内径为1.5m，洞身由4片预制混凝土管片拼装，由于当时施工条件限制，洞径偏小，长期为有压洞运行，且施工时出现过塌洞，导致现状洞身不顺直，左右摆动，高低不平。经过40多年的运用，目前隧洞淤塞严重，灌溉季节拱圈上部土体中的粘粒经拱圈结合处缝隙随水流冲走（洞内有压），洞身出现松动，混凝土预制块老化严重，局部洞顶断裂，产生坍塌，不能安全运行。由于隧洞处在南干六支渠上游段，位置重要，一旦灌溉期间洞身失稳被堵，不仅对上游渠道不利（上游无退水闸，无法退水），而且无法向下游灌溉，因此管理单位决定将其重建。

2　工程地质条件

工程区属丘陵岗地地貌，区域地质位于地槽沉积带，通过钻探揭露和调查，出露地层为冲积、洪积的沉积物。场地岩土层自上而下为：阶地相的上部填土层（耕植土）、粉质粘土层（见表1）。填土层在勘察区均有分布，按其成因分为2种，素填土和耕植土，其成分以粉质粘土为主，含少量轻粉质壤土和中粉质壤土。粉质粘土层在勘察区广泛分布，为Q3老粘性土，结构致密，压缩性小，承载力较高，洞身位于该层中，该处场地地基稳定，适宜工程建设。

3　隧洞设计方案比选与分析

隧洞段地层结构较简单，周边制约因素较少，上部为农田和道路，无住宅，工程区地下水水位较高（距地面2.8～6.3m，洞顶上部），隧洞段以上渠道无退水闸，施工期需考虑排水。根据上述因素，施工线位布置考虑原洞和新洞两种情况，对隧洞重建工程提出3个方案：①原洞扩挖重建方案；②超前支护暗挖隧洞方案；③顶管开挖隧洞方案。

3.1原洞扩挖重建方案

现有隧洞洞身全部拆除，重建进出口段和通风检查井。鉴于原有洞径偏小，设计扩挖原洞身，内径由1.5m扩挖至2.0m。结构采用单孔拼装式圆涵，横断面方向圆涵等分为3片，底片为底部加厚的1/3圆弧反拱，反拱两端部有铰，上部为左右对称的2片1/3圆弧管片，共用一个顶铰。

表1　隧洞区土层特征一览表

施工时混凝土圆管下部圆弧底拱为现浇，现浇厚度0.30～0.48m，沿洞身方向每9m一节浇筑；上部2片圆弧拱为预制结构，壁厚0.3m，预制管片每片宽0.5m，由洞口两端及中间的3处通风口运输至洞内铰接拼装，洞内施工过程中应进行临时支护。管片材料为C25钢筋混凝土，预制块之间缝外采用二毡三油包裹，洞身分段设沉陷缝，缝间填充“SBS”闭孔泡沫板，洞身外采用粘性强的粘土沿管道四周回填。隧洞出口后接消力池，池后设海漫段与下游渠道衔接。

方案优点：①在原有洞身的基础上开挖，施工时不需要重新进行线路测量定位；②土方工程量小；③不增加占用土地。方案缺点：①浇筑底板时无法利用原有洞身排水，灌溉与施工相互影响；②施工周期较长，工序较多，按进出口同时施工，14d一个循环（考虑底板凝固强度），循环进尺36m，需294个工作日，加上进出口段及检查井施工时间，全部工期约11个月；③拆除预制管片存在风险，在试拆原洞身预制管片时，洞顶土方出现坍塌。工程造价：造价较低，需465.6万元。

3.2超前支护暗挖隧洞方案

考虑原洞扩挖重建方案的不足，调整隧洞轴线，避开原隧洞，在原隧洞右侧以超前支护暗挖法重新修建隧洞。隧洞断面为城门洞型式，采用管棚超前支护、人工土方洞挖、钢拱架挂钢筋网喷射混凝土初期支护、钢模台车现浇混凝土二次衬砌的工艺进行施工。隧洞开挖断面尺寸为下底宽2.6m，洞高2.5m（其中直墙部分高1.2m，顶拱部分高1.3m，顶拱为半径1.3m的半圆弧）。

开挖前按开挖轮廓尺寸外边线向土体内打入钢管，形成管棚，顶拱部位采用D42＠300管棚，边墙采用D42＠500管棚，管棚超前支护管长6m，每5m一环，环间搭接1m。隧洞开挖中，每隔1m设一城门洞型钢拱架（10#工字钢），拱架底部布设0.4m宽钢板，布设长度为整个洞长，每两榀钢拱架间焊接φ18＠1000钢筋，沿洞周挂φ6＠150钢筋网，喷射C25混凝土，厚度100mm，作为初期支护。初期支护确保洞内施工安全后，进行二次衬砌，采用现浇C25钢筋混凝土洞壁及洞底，洞内净宽2m，净高2m，其中直墙部分高1m，顶拱部分高1m，衬砌体每9m一节，分缝处设橡胶止水，接触面间填闭孔泡沫板止水。

方案优点：①可利用原隧洞进行导流及灌溉使用，灌溉与施工互不影响；②施工周期较短，按每日5m一个循环向前进尺，需150个工作日，加上进出口段及检查井施工时间，全部工期约6个月；③超前支护能够避免土洞塌方风险；④结构整体性强，分缝少。方案缺点：①需要重新进行线路测量定位；②土方工程量较大，需要考虑弃土区。工程造价：造价适中，需480.3万元。

3.3顶管开挖隧洞方案

顶管采用直径2m的承插管，施工时先制作顶管工作井及接收井，作为一段顶管的起点和终点，由于洞长较长，需要在洞身长度200、600m的位置建设2个顶进井，在洞身中间位置建设1个接收井，进出口也可作为接收井，每个顶进井分别向两侧顶进约200m，千斤顶将工具管顶出工作井预留孔，而后以工具管为先导，逐节将预制管节按设计轴线顶入土层中，直至工具管后第一节管节进入接收井预留孔，贯通全部隧洞。

方案优点：①可利用原隧洞进行导流及灌溉使用，灌溉与施工互不影响；②施工周期短，按每日8m一个循环向前进尺，需100个工作日，加上进出口段和工作井的施工工期，全部工期约4个月；③不存在土洞塌方风险，施工安全。方案缺点：①需要重新进行线路测量定位，施工精度要求高；②施工要求的作业面较大，土方工程量大，需要征用土地；③单程顶管长度达到或超过200m，对顶管的质量要求较高，管道结构接头较多；④隧洞埋深较大，工作井费用较高。工程造价：造价较高，需571万元。

4　结论

综合比较得出：方案②设计方案合理，结构整体性强，灌溉与施工互不影响，工期适中，施工安全性强，造价比方案①多15万元，比方案③少91万元。因此，建议本工程采用超前支护暗挖隧洞方案。

［1］廖元田.建筑工程中土方开挖的相关探讨［J］.价值工程，2011（1）:81.

Analysis and Comparison of Shishankou Irrigation Tunnel Engineering Design

Cheng Lingyun
（Xinyang Water Conservancy Survey and Design Institute，Xinyang Henan 464000）

For shishankou Irrigation District South six branch canal tunnel reconstruction engineering geological conditions and line layout，three design schemes were proposed，comprehensive comparison was made from the aspects of the reconstruction of form，design scheme，construction time limit for a project，engineering cost and construction risk，the use of advance support tunnel scheme was recommended，to provide a reference for the similar irrigation tunnel engineering design.

tunnel；geology；excavation；shoring；pipe jacking

TV554

A

1003-5168（2016）06-0120-02

2016-05-10

程凌云（1980-），男，本科，工程师，研究方向：灌区续建配套与节水改造、饮水安全、农田水利、水库除险加固、河道治理等。