浅谈引水工程中无压隧洞设计断面型式的确定

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)

1 工程简介

榆林黄河东线马镇引水工程主要是解决神木市窟野河河谷区、榆神工业区锦界工业园、榆神工业区清水沟工业园、榆阳区榆溪河以东工业园共四大片区的工业用水需求，设计水平年2025年引黄河水量2.9亿 m3。该项目为榆林市重大水利基础设施，也是陕西省重点建设的水利工程，工程设计从黄河右岸马镇葛富村取水，经两级泵站提水，往西至神木市以南的黄石沟沉沙调蓄库入库，经水库沉沙、调蓄；出库干线经压力输水穿窟野河至三级泵站，经三级泵站提水至秃尾河，再穿秃尾河向西南方向，经过四级、五级泵站提水加压至榆阳区的石峁水库。

出库干线中最长的隧洞为12#无压隧洞，位于三级泵站和四级泵站之间，洞长31.27 km，进口洞底高程997.15 m，出口洞底高程984.64 m，比降1/2 500，设计流量9.61 m3/s，隧洞采用马蹄形断面型式，洞身断面尺寸3.3×3.3 m。

2 隧洞断面型式确定

根据《水工隧洞设计规范》(SL279-2016)，隧洞断面形状与隧洞用途、地质条件、施工方法、衬砌结构的工作条件等因素相关。本工程隧洞为无压隧洞，隧洞可供选择的断面型式主要有圆拱直墙形、马蹄形、圆形。

2.1 地质条件

12#无压隧洞围岩主要为Ⅲ类砂岩，最大洞顶埋深275 m，平均埋深约120 m，洞顶最大外水压力为174 m，平均外水压力约100 m，地质条件相对较好。但由于外水压力较大，对结构的影响较大。

2.2 水力条件

根据规范要求，从水力条件、结构要求分析，在净空比20%的条件下，计算得出圆拱直墙形、马蹄形、圆形隧洞各种过水断面。无压隧洞过流能力计算采用明渠均匀流公式：

2.3 结构计算

根据SL279—2016《水工隧洞设计规范》推荐边值的计算方法，采用结构力学方法进行洞身衬砌结构计算。计算程序采用" 水工隧洞钢筋混凝土衬砌计算机辅助设计系统 SDCAD 4.0 "(水利版)，其中Ⅲ类围岩围岩压力采用系数法计算，Ⅳ、Ⅴ类围岩围岩压力采用普氏计算。

1)外水压力折减系数确定

根据工程地质报告可知，隧洞开挖时结构面会出现滴水～线状流水，不会有大的涌水，12#无压隧洞建议外水压力折减系数为0.15～0.35。结合《水工隧洞设计规范》(SL279—2016)外水压力计算方法及折减系数的取值标准，12#隧洞在设置排水孔的情况下，Ⅲ类围岩外水折减系数取0.15，Ⅳ、Ⅴ类围岩外水折减系数取0.35(表1)。

表1 12#隧洞不同断面水力计算结果

2)计算工况及荷载组合：

运行期：外水压力+围岩压力+衬砌自重+内水压力等

检修期：外水压力+围岩压力+衬砌自重等

施工期：外水压力+围岩压力+衬砌自重+灌浆压力等

2.4 衬砌设计

12#隧洞总长31 274.12 m，Ⅴ类围岩总长度约为153.78 m，占整个明流隧洞的0.5%，Ⅳ类围岩总长度约为11 264.46 m，占整个明流隧洞的36.02%，Ⅲ类围岩总长度约为19 855.88 m，占整个明流隧洞的63.48%；根据地质勘查成果，并结合工程类比，对Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类围岩分段采用不同一次支护及二次衬砌(见表2)。

表2 12#隧洞分段衬砌表

1)一次支护

Ⅲ类围岩：采用Φ22随机锚杆+C20混凝土喷护，混凝土喷护厚度8 cm；

Ⅳ类围岩：Φ22系统锚杆+C20混凝土挂网挂喷护，锚杆单根长2 m，间排距1 m，交错布置，挂φ6.5钢筋，间距150×150 mm，混凝土喷护厚度10 cm；

Ⅴ类围岩：Φ22系统锚杆+钢拱架+ C20混凝土挂网挂喷护，锚杆单根长2 m，间排距1 m，交错布置，挂φ6.5钢筋，间距150×150 mm，钢拱架间距0.8 m，混凝土喷护厚度15 cm。

2)二次支护

依据《水工隧洞设计规范》(SL279—2016)规定，双层钢筋混凝土衬砌厚度不宜小于0.4 m，结合结构计算结构及工程类比，12#无压隧洞二次衬砌采用C30钢筋混凝土，衬砌厚度为400 mm。

2.5 隧洞灌浆设计

隧洞灌浆设计包括回填灌浆和固结灌浆，根据规范要求，回填灌浆的范围为顶部或顶拱中心角90°～120°，围岩固结灌浆应根据隧洞工程地质和水文地质条件、衬砌型式、施工对围岩的影响程度以及运行要求，通过技术经济比较确定。

12#无压隧洞回填灌浆布置隧洞拱顶范围120°范围内，灌浆孔间排距2 m，交错布置。根据地勘资料及工程类比，12#无压隧洞按围岩类别分段进行固结灌浆，其中，Ⅲ类围岩不进行固结灌浆，Ⅳ围岩顶拱120°范围进行固结灌浆，Ⅴ类围岩采用全断面固结灌浆，间排距2 m，交错布置。

2.6 不良地质洞段处理

隧洞在穿越断层破碎带、过沟浅埋段及断层破碎带等不良地质洞段时，采用超前固结灌浆对进行地层预注浆加固。超前固结灌浆采用φ100钢管，单根长2 m，环向间距50 cm，外插角45°，管身设6～8 mm的注浆孔，孔间距15 cm，交错布置。

3 不同隧洞断面优缺点比选

(1)从过流能力来看，相同条件下，圆形断面水力条件好，隧洞断面尺寸最小，马蹄形断面水力条件较好，隧洞断面尺寸较小，圆拱直墙形断面水力条件最差，隧洞断面尺寸最大。

(2)从隧洞结构受力条件来看，12#隧洞衬砌厚度取决于外水压力的大小，隧洞最大外水压力177 m，平均外水压力约100 m；相同条件下，圆形断面、马蹄形断面受力条件好，衬砌厚度小；圆拱直墙形断面受力条件差，衬砌配筋大。

(3)从运行管理条件来看，圆形断面隧洞底拱半径为1.65 m，后期检修时，车辆通行比较困难，隧洞检修清淤难度大；马蹄形断面隧洞底拱半径为3.30 m，后期检修时，车辆通行相对容易，隧洞检修清淤难度较小；圆拱直墙形断面隧洞底宽2.80 m，洞高3.81 m，检修、清淤条件最好。

(4)从施工条件来看，圆拱直墙形断面大，结构简单，施工方便；圆形隧洞和马蹄形隧洞隧洞较小，施工相对困难。

(5)从工程直接费来看，圆拱直墙形断面工程直接费最大，为83 510.12万元；圆形断面次之，为79 572.02万元；马蹄形断面最小，为76 744.39万元。马蹄形直接费投资比圆形节省2 827.63万元，比圆拱直墙形直接费投资节省6 765.73万元(表3)。

表3 12#隧洞不同断面工程量及投资比较表

根据以上对比可知，圆拱直墙形断面隧洞尺寸最大，施工、检修条件最好，但受力条件稍差、工程直接费最高；圆形断面隧洞尺寸工程直接费居中，但施工、检修条件最差；马蹄形断面隧洞尺寸、工程直接费最小，施工、检修条件相对较好。为了保证工程的顺利实施，同时节约工程投资，榆林黄河东线马镇引水工程12#无压隧洞断面采用马蹄形断面，纵坡比降1/2 500，尺寸为宽度3.30×高度3.30 m(见图1～图3)。

图1 圆拱直墙形断面设计图

图2 马蹄形断面设计图

图3 圆形断面设计图

4 结语

榆林黄河东线马镇引水工程是榆林市重大水利基础设施项目，工程的实施将为榆林能源化工基地的建设和运行提供可持续的水资源保障。出库干线中12#隧洞全长31.27 km，是项目施工过程起控制工期的工程，合理的选择隧洞设计断面型式，不仅可以缩短工期，更能节省工程投资。本文根据工程区地形、地貌、地质条件、水力条件，合理选择参数进行结构计算，确定出隧洞一次支护和二次支护方式，不同的围岩采取不同的灌浆设计，对不良地质洞段采取特殊处理措施；通过对圆拱直墙形、马蹄形、圆形三种断面型式的隧洞工程量及投资比较，结合各种断面型式隧洞的结构特点、水力条件、结构受力条件、施工难易程度、后期运行管理过程中检修和清淤情况，综合考虑最终确定本工程12#无压隧洞设计断面采用马蹄形断面。