吉林省中部城市引松供水工程总干线支洞封堵设计

秦 晋

（吉林省水利水电勘测设计研究院 吉林长春 130021）

1 概况

吉林省中部城市引松供水工程（以下简称中部供水工程）TBM1施工段有三条支洞，分别为1#、2#、3#支洞，即TBM1拆卸支洞、检修支洞、出发支洞，其中1#、2#支洞为临时支洞，3#支洞为永久支洞；TBM2施工段有三条支洞，分别为4#、5#和6#支洞，即TBM2拆卸支洞、检修支洞、出发支洞，其中4#、5#支洞为临时支洞，6#支洞为永久支洞；TBM3施工段有两条支洞，分别为7#、8#支洞，即TBM3拆卸支洞、检修支洞，其中7#、8#支洞为临时支洞。

临时支洞施工完后做永久混凝土实体封堵，永久支洞封堵体中间留设检修廊道和检修门。

临时支洞封堵体按照 IV级建筑物设计，永久支洞按照Ⅲ级建筑物设计。

1#支洞和主洞相交于 2+313m处，2#支洞和主洞相交于 14+092m处，3#支洞和主洞相交于22+750m处，1#支洞长度946m，坡度8%，主支交叉处洞底板 231.05m，支洞口高程 295.40m；2#支洞长度1317m，坡度3.1%，主支交叉处洞底板 228.32m，支洞口高程 263.00m；3#支洞长度413m，坡度8.7%，主支交叉处洞底板226.30m，支洞口高程256.00m。

4#支洞和主洞相交于25+581m处，5#支洞和主洞相交于 36+443m处,6#支洞和主洞相交于47+799m处，4#支洞长度 822m，坡度 5.23%，主支交叉处洞底板 225.63m，支洞口高程268.62m；5#支洞长度1050m，坡度9.0%，主支交叉处洞底板 223.12m，支洞口高程 304.00m；6#支洞长度834m，坡度8.6%，主支交叉处洞底板220.48m，支洞口高程281.66m。

7#支洞和主洞相交于50+379m处，8#支洞和主洞相交于61+054m处，7#支洞长度518m，坡度10.8%，主支交叉处洞底板 219.88m，支洞口高程 267.00m；8#支洞长度 1188m，坡度 9.8%，主支交叉处洞底板 217.40m，支洞口高程317.00m。

上述支洞设计断面尺寸均为7.2×6.8m(宽×高)，城门洞型。

2 地质条件

1#支洞封堵体段围岩岩性为P2y16-1二叠系杨家沟组砂岩、砂砾岩，属Ⅲ类围岩，主洞和支洞处未见明显不良地质构造带；

2#支洞封堵体段围岩岩性为燕山早期花岗岩，中粗粒结构，属Ⅱ类围岩，主洞和支洞处未见明显不良地质构造带；

3#支洞封堵体段围岩岩性为燕山早期花岗岩，中粗粒结构，属Ⅱ类围岩，主洞和支洞处未见明显不良地质构造带；

4#支洞封堵体段围岩岩性为J1n14南楼山组凝灰岩、凝灰质砂岩，充填方解石脉，隐晶质-斑状结构，属Ⅲ类围岩，主洞线 1017钻孔揭露1条断层F18，在支洞桩号1+021～1+051m段通过，断层岩石破碎；

5#支洞封堵体段围岩岩性为燕山早期花岗岩，中粗粒结构，属Ⅱ类围岩，主洞和支洞处未见明显不良地质构造带；

6#支洞封堵体段围岩岩性为δ燕山早期石英闪长岩，中粗粒结构，属Ⅱ类围岩，主洞和支洞处未见明显不良地质构造带；

7#支洞封堵体段围岩岩性为燕山早期花岗岩，中粗粒结构，属Ⅱ类围岩，主洞和支洞处未见明显不良地质构造带；

8#支洞封堵体段围岩岩性为T3X15三叠系小蜂蜜顶子组凝灰岩，凝灰结构，块状构造，中粗粒结构，属Ⅲ类围岩；还有部分华力西晚期闪长岩，闪长岩灰白色，中细粒结构，块状构造，主洞和支洞处未见明显不良地质构造带。

3 导流洞封堵设计

3.1 设计标准

施工支洞采用混凝土封堵体封堵，封堵体虽设在临时建筑物的支洞之中，但封堵体本身却是永久性建筑物，它关系到工程的运行安全，其设计标准按照永久Ⅲ级建筑物标准设计。

封堵体在永久运行期，上游承受水头最大压力计算为：静水水头 H+水锤动水压力水头 h。各支洞上游水头压力如表1所示。

3.2 封堵体布置及结构设计

封堵体最小长度计算如下公式，安全长度按照两倍最小长度取整数。

其中：L―封堵体长度，m；P―总水压，MN；[τ]―容许剪应力（0.2MPa～0.3MPa）；A―封堵体剪切面周长，m。

表1 支洞封堵体上游水头压力表

作用水头以表1中水头计算，容许剪应力[τ]取0.2Mpa计算，封堵体最小长度需要大于3m。

国内已建类似工程的封堵体长度多数是洞径的2.5～3倍，是挡水水头的1/3～1/4。

本工程综合考虑封堵体长度采用表 2中安全长度考虑。

表2 封堵体长度的计算成果

其中3#、6#封堵体中间留设检修廊道，封堵体内部为空腔，单位长度的重量减小，相应封堵体长度增加。

考虑到施工方便以及封堵体和围岩的结合，封堵体布置在支洞靠近主支洞交叉处平洞段，选择围岩类别较好的地段设置。

3.3 封堵体结构设计

封堵体分两种结构形式，一种为实体结构，一种封堵体留设检修廊道和检修闸门。

封堵体材料采用微膨胀混凝土，混凝土强度为C20，抗渗等级为W8。

为了封堵体灌浆需要，同时有利于施工期混凝土散热，在封堵体内部设置纵向灌浆廊道。廊道的高度和宽度，除必须满足灌浆施工等要求外，根据经验，宽、高应小于或等于封堵体断面宽和高的0.6倍。经分析确定不留检修门的永久封堵体灌浆廊道设为城门洞型，断面尺寸2.8m×2.8m，留设检修门的封堵体检修廊道设为城门洞型，断面尺寸3.8m×3.8m。灌浆廊道在灌浆结束后，用混凝土回填，其强度等级和配合比与封堵体混凝土相同。回填前应将廊道周边混凝土凿毛1cm并冲冼干净。

为了增加封堵体的抗滑稳定，在封堵体底部设Ф25锚杆，锚杆采用梅花型布置，穿过钢筋混凝土衬砌深入岩石 2.0m，深入封堵体混凝土2.0m，总长为4.0m。

同时为了增加封堵体的抗滑稳定和渗漏，封堵体采用楔形体并设抗滑齿槽，隧洞顶拱和边墙扩挖形成斜面，斜面坡度1∶3，斜面长3m。抗滑齿槽深度 500mm，槽底宽 1000mm，齿槽边坡1∶2。以1#支洞封堵体（无检修廊道）、3#支洞封堵体（有检修廊道）为例，布置见图1～3。

3.4 封堵体抗滑稳定验算

3.4.1 计算公式

根据目前国内外采用的计算方法，封堵体抗滑验算采用抗剪断强度公式计算。

式中：K—安全系数；P—水头的总推力，kN；f—混凝土与岩石之间的抗剪断摩擦系数；c—混凝土与岩石接触面的抗剪断凝聚力；w—封堵体自重，kN；A—与围岩有效接触面积；本工程按底板面积+1/2边墙面积计算。

图1 封堵体布置图

图2 1#封堵体断面布置图

图3 3#支洞封堵体断面布置图

3.4.2 计算工况

荷载组合：正常隧洞输水水头压力+阀门关闭水锤压力+封堵体自重。

3.4.3 设计参数选择

（1）安全系数：荷载组合，允许安全系数[K]=3.0；

（2）混凝土容重：24.5kN/m3；

（3）摩擦系数f及凝聚力c。

根据中部供水初步设计阶段的地勘报告中给定的各类围岩建议f和c指标见表3，经分析选定：

1#支洞混凝土和岩石摩擦系数 f=0.9，抗剪断凝聚力c=700kPa；

2#支洞混凝土和岩石摩擦系数 f=1.1，抗剪断凝聚力c=1100kPa；

3#支洞混凝土和岩石摩擦系数 f=0.9，抗剪断凝聚力c=700kPa；

4#支洞混凝土和岩石摩擦系数 f=0.9，抗剪断凝聚力c=700kPa；

5#支洞混凝土和岩石摩擦系数 f=1.1，抗剪断凝聚力c=1100kPa；

6#支洞混凝土和岩石摩擦系数 f=1.1，抗剪断凝聚力c=1100kPa；

7#支洞混凝土和岩石摩擦系数 f=1.1，抗剪断凝聚力c=1100kPa；

8#支洞混凝土和岩石摩擦系数 f=0.9，抗剪断凝聚力c=700kPa。

3.4.4 计算成果

根据上述计算公式、参数及荷载组合，封堵体抗剪断计算成果见表4。

从表4计算结果可以看出，在最不利工况下，支洞封堵体的抗滑稳定安全系数均满足要求。

4 结束语

为了做到封堵体不滑动，不渗水，在工程设计中采用了封堵体三面楔形体的结构，并且设置了抗滑锚杆，封堵体和岩石接触面接触灌浆的措施。但在施工过程中，封堵体微膨胀混凝土的配合比、大体积混凝土温控措施等施工技术也是很关键的。

表3 输水总干线隧洞围岩抗剪断试验采用指标表

表4 封堵体抗剪断计算成果表