引水工程中输水隧洞设计方法研究

樊有锋 姬春利

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001）

一、工程概况

某引水工程输水线路中，其中有一条输水隧洞长15km，受地形条件限制，经多次现场探勘及专家联合论证选定合适的隧洞进、出口，设计比降i=1/1000，设计流量20m3/s，采用无压重力输水方式，隧洞断面形式初拟为城门洞型。隧洞埋深一般100m～400m，进、出口地形较好，隧洞沿线岩层岩性有泥质灰岩、灰岩、白云岩夹页岩、泥岩、石英砂岩、长石砂岩以及粉砂质泥岩等，隧洞沿线断层及皱褶较发育，沿线岩溶水及基岩裂隙水均有分布。

二、断面设计

根据选定的城门洞型隧洞，设计流量Q=20m³/s、底坡i=1/1000、糙率n=0.014的条件下初步拟定不同底宽的断面，计算出相应的水深及过水断面，保证各断面的净空比为20%左右的情况下得出最优的断面。水力计算采用《水力学》中的明渠均匀流公式，各种断面计算结果见表1。

表1 输水隧洞不同底宽水力参数比较表

无压隧洞过流能力计算采用明渠均匀流公式：

式中：

A——隧洞过水断面面积，m2；

i——隧洞纵向比降，i=1/1000；

n——糙率，隧洞采用C30 钢筋混凝土衬砌，n=0.014；

R——水力半径，m；

根据表1 计算结果，按Ⅳ类围岩分别对三种不同过水断面进行配筋计算，得出C30 钢筋混凝土衬砌厚度均为0.4m，配筋率按120kg/m³进行计算，得出1km 长隧洞的石方洞挖、钢筋混凝土二次支护的工程量，初步估算投资，结果见表2。

表2 隧洞不同过水断面工程量及直接投资对比表

从表2 可以看出，取1km 隧洞洞长计算结果为例，断面2 的投资最大，断面3的投资最小，但投资相差不大，仅相差1.84%。结合《水工隧洞设计规范》（SL279-2016）相关规定：“断面的高宽比宜为1.0～1.5，洞内水位变化较大时宜采用大的比值”以及“高地应力区若垂直地应力大于水平地应力，宜采用高度较大而宽度较小的断面”，考虑到该隧洞相对埋深较大，因此隧洞断面高宽比宜取大值。综上所述，隧洞推荐采用城门洞型，过水断面底宽3.0m，隧洞净高为3.96m。

三、隧洞支护设计

设计过程中最大限度地利用和发挥围岩的自承能力是隧洞衬砌结构设计应遵循的基本原则。隧洞承载主要靠围岩自身，施工临时支护采用的超前锚杆、全断面系统支护锚杆、钢支撑、挂网钢筋、喷护混凝土、围岩灌浆等，都是帮助围岩提高自身承载能力的手段。根据不同工程围岩类型及具体地质参数采用不同支护方式。

（一）初期支护设计

输水隧洞围岩类别包括Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类，根据不同的围岩类别，在开挖过程中，采取不同的初期支护方式。1.Ⅲ类围岩：开挖后洞室成形好，岩体基本稳定，仅存在局部不稳定现象。喷10cm 厚C20 混凝土；系统锚杆Φ25@2.0m×2.0m，L=3.0m；挂网φ6.5@20cm×20cm；顶拱部分排水孔Φ50@3.0m×3.0m，L=3.0m。2.Ⅳ类围岩：围岩中裂隙发育，薄层、多节理，小断层破碎带穿过、地下水一般地段。喷12cm厚C20 混凝土；系统锚杆Φ25@1.5m×1.0m，L=3.0m；挂网φ6.5@20cm×20cm；钢支撑16/18 型工字钢、榀距1.0m；纵向Φ25 钢筋连接，间距1.0m；顶拱部分排水孔Φ50@3.0m×3.0m，L=3.0m。3.V 类围岩：岩体较破碎，不稳定，变形破坏严重；大断层通过、易塌、软岩地带，地下水活动剧烈。喷12cm 厚C20 混凝土；系统锚杆Φ25@1.0m×0.8m，L=3.0m；挂网φ6.5@20cm×20cm；钢支撑16/18型工字钢、榀距0.8m；纵向Φ25 钢筋连接，间距1.0m；顶拱部分排水孔Φ50@3.0m×3.0m，L=3.0m。顶拱超前锚杆Φ25 钢筋，L=4.5m，间距0.2m，排距3m。

（二）二次支护设计

输水隧洞全洞段均采用C30 钢筋混凝土衬砌，《水工隧洞设计规范》（SL279—2016）规定，单层钢筋混凝土衬砌厚度不宜小于0.3m，双层钢筋混凝土衬砌厚度不宜小于0.4m。根据具体地质条件，Ⅲ类围岩洞段采用单层配筋，混凝土衬砌、Ⅳ、Ⅴ类，全洞段钢筋混凝土衬砌厚度300mm，Ⅳ类围岩洞段采用双层配筋，全洞段钢筋混凝土衬砌厚度400mm，Ⅴ类围岩洞段采用双层配筋，全洞段钢筋混凝土衬砌厚度500mm。

（三）隧洞细部设计

1.施工缝、变形缝止水设计。（1）对于围岩性质均一，温度变化小、收敛变形较小的围岩洞身段，根据衬砌台车的长度一般按8m～12m 设一条环向施工缝，施工缝设橡胶止水带，并用无毒闭孔泡沫板进行填塞。（2）在隧洞进、出口处、洞身与施工支洞交汇处以及洞内断层分布处或其他可能产生较大相对变位处设置永久缝，纵向钢筋在永久缝处断开，缝内设橡胶止水，并用无毒闭孔泡沫板进行填塞。2.回填灌浆设计。为了提高衬砌结构的整体性和结构承载能力，隧洞顶拱部120°范围布置3 个～4 个回填灌浆孔，灌浆孔深入围岩5cm～10cm，纵向排距3m，梅花形布置。灌浆压力视混凝土衬砌厚度和配筋情况确定。3.固结灌浆设计。为了提高围岩的整体性和抗变形能力，对Ⅴ类围岩洞段隧洞全断面进行固结灌浆，每个断面设6 个～10个固结灌浆孔，纵向排距3m，呈梅花形布置。灌浆孔深入围岩2m～3m，对于极软弱、破碎水量较大段考虑适当加大孔深。4.排水孔设计。遵照“堵”“截”“排”相结合的防渗和排水设计原则，为有效减小地下水压力，在地下水位较高处设置排水孔，梅花形布置，孔深为3m～5m，顶拱回填灌浆孔可兼做排水孔。

结语：由于自然地质条件的复杂性和不可预测性，输水隧洞选线过程中充分做好地质勘查工作，确保设计的准确性，对特殊地质段采用正对性的处理方案。设计工作者应花费大量的时间和精力研究工程区的地形、地貌，根据地质条件、设计流量、水流条件、输水方式等因素确定隧洞体型，在保证质量安全的前提下采用合理的隧洞支护方式，根据地质条件进行回填灌浆、固结灌浆，保证工程经济、安全。