某引水工程中输水隧洞建设思路与方法浅析

李 旸

（甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730000）

1 工程概况

某引水工程输水干线全线长约150 km，沿线布置输水隧洞40条，总长50.60 km，占线路总长的的1/3，最大设计流为7.5 m3/s，线路共布置1条有压隧洞，断面为圆形，设计断面1.8 m，其余均为无压隧洞，断面为城门洞型，最大设计过水断面为3.2 m×3.6 m，设计底坡为1/1 000～1/5 000。输水线路区总体属中高山地貌，地形高峻陡峭，隧洞大多具有深埋大、断面尺寸较小、施工困难等特点，其中线路工程中长度大于1 km的隧洞有23条，最长洞线4.54 km，最大埋深252 m，隧洞沿线大部分穿越地层岩性主要为砂岩、砂岩夹泥岩、泥质粉砂岩，隧洞围岩为Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ类，地下水类型总体以基岩裂隙水及岩溶水为主，大部分隧洞段均处于地下水位以下，地下水位高出隧洞高程0～224 m，大部会有较强滴水或线状水流影响，局部可能会产生涌水突泥或出现较大规模塌落、变形破坏。选择工程地质问题、隧洞长度及埋深带有普遍性的代表隧洞作为典型进行设计，对其共性及特殊性问题进行分析并针对其给出处理方式，从而得出本工程的隧洞设计原则及控制目标。

2 设计施工方法

2.1 隧洞设计原则

依据水工隧洞设计规范、结合输水线路沿线地形地质条件以及以往工程区隧洞设计施工经验[1]，隧洞设计的原则有：（1）隧洞轴线布置综合考虑工程区地形、地质条件及水文、施工、交通、环境及运行等因素，通过技术经济比较确定；（2）洞线选择遵循线路短直，沿线地质构造简单、岩体完整稳定、水文地质条件较好、选线应尽量避开不良地质地段；（3）尽可能避免对城市规划、交通设施、专项设施的干扰，减少征地及移民、避开环境敏感区；（4）隧洞数量较多，单个隧洞长度和设计断面尺寸不大，无压隧洞均选择城门洞型断面，最小断面应满足施工要求；（5）隧洞底坡考虑到隧洞开挖断面和工程数量，节约衬砌材料，有利于施工，在条件允许时，纵坡应尽可能大一些，但考虑到整个各分干线水面线衔接，因此无压隧洞的底坡推荐为1/2 500和1/5 000，有压隧洞底坡考虑到施工期排水因素，底坡为1/1 000。

2.2 糙率敏感性分析

本工程隧洞输水流量均较小，设计流量0.5～7.5m3/s，总体隧洞断面不大，现就设计流量Q=7.1 m3/s、底坡i=1/2 500情况下的隧洞断面进行隧洞混凝土糙率取值敏感性分析。敏感性分析原则为：输水隧洞在设计流量、设计底坡为定值时，根据拟定不同的隧洞底宽，求得相应的水深及过水断面尺寸，根据隧洞设计规范净空面积要保证不小于过流面积18%，具体比较见表1。

从表1可以看出，随着糙率取值每增加0.001，输水隧洞断面面积相应的均匀增加，增加的幅度不大，平均0.333 m2，占平均面积的4.7%，因此从单条隧洞糙率变化来看，糙率取值对隧洞断面的影响并不是很大，相应地对工程量及投资的影响不大，但本输水线路隧洞占整条线路长度的1/3，显然糙率每增加一点对整个工程量及工程投资影响是很大的，因此总趋势是糙率越小隧洞工程量越小，投资越省，但要满足隧洞的最小施工断面。

表1 隧洞混凝土衬砌糙率敏感性分析

综合比较混凝土糙率取值敏感性、并参照已建隧洞输水工程的混凝土糙率取值，本工程隧洞混凝土糙率取值取n=0.014。

2.3 计算方法

水力计算：无压输水建筑物为无压过流，一般只在进出水池、建筑物变化及渐变段一定范围内会出现非均匀流流态，而在长隧洞内部仍将出现均匀流流态，该工程输水线路较长，其中各无压输水建筑物的长度相对于其正常水深值均较大，且各输水建筑物输水流量均相对较小，因此无压输水隧洞水面线采用明渠恒定均匀流基本公式进行计算。对于圆形有压洞，过流能力按照《水力学计算手册》中有压隧洞公式进行计算。

结构计算：隧洞的结构设计遵照水工隧洞设计规范，按照运行、施工以及检修3种工况进行结构计算，各工况隧洞荷载组合见表2。

表2 3种工况对应荷载组合表

2.4 隧洞支护方法

由于隧洞地质条件差、断面小、洞线长，拟采用组合式支护方式，分2期施工，一次支护主要确保施工期间围岩稳定和施工安全，支护方式根据围岩类别的不同采用锚喷、挂网、钢支撑等，二次支护采用钢筋混凝土衬砌，与一次支护联合作用确保永久运行安全[2]。

2.4.1 一次支护

根据隧洞围岩分类的不同一次支护采用的支护型式也不同，对Ⅲ类围岩来讲，围岩稳定性好，一次支护仅在隧洞顶拱采用挂网喷锚混凝土支护，边墙不再支护，对Ⅳ类围岩围岩在边顶拱采用挂网喷混凝土支护，并布置系统锚杆，对Ⅴ类围岩围岩除全断面锚喷支护外，还应采用钢支撑支护，必要时采用超前锚杆、超前小导管等支护措施。

2.4.2 二次支护

输水隧洞围岩为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类，针对不同围岩类别及不同地下水位情况，全洞段采用C25钢筋混凝土衬砌，并根据隧洞不同围岩类别及隧洞断面的大小，采用不同的衬砌厚度，经分析计算，Ⅲ类围岩衬砌厚度0.3 m，Ⅳ、Ⅴ类围岩衬砌厚度0.4 m。

2.5 隧洞灌浆与排水

隧洞灌浆：回填灌浆应在隧洞顶拱120°范围内进行，孔距和排距为2～3 m，梅花形布置，孔深深入围岩50 mm以上，灌浆压力视混凝土衬砌厚度和配筋情况确定。隧洞围岩固结孔距和排距视围岩类别的不同而不同，梅花形布置，孔深一般为0.5倍隧洞直径，有防渗封闭要求时，孔深适当加深。

隧洞排水方法：根据工程地质、水文地质条件和环保要求，对隧洞进行防渗与排水设计，隧洞的防渗与排水设计按照“堵”“截”“排”的原则，选择单独或综合处理措施；无隧洞水面以上范围内设置排水孔，孔深均为3～5 m，间排距3～5 m，隧洞底部设0.4 m×0.4 m排水暗涵，引排至隧洞进出口洞外。

3 不良地质洞段处理方法

隧洞的特殊不良地质情况包括高地应力、高地温、岩溶及突泥、突水、软质 岩成洞、煤洞采空区、活动断裂等。其主要处理措施和方法如下[3]：

（1）隧洞开挖后，高地温会引起混凝土衬砌结构开裂，衬砌结构受结构变形后温度残余应力等不利因素的影响，在常温计算配筋成果基础上适当加大钢筋的配置，留有适当余地。

（2）隧洞岩溶及突水、突泥洞段处理。突水突泥灾害是目前隧洞施工中风险最大的灾害之一。设计施工中应采取以下措施：①做好超前预报。施工过程中应加强地质超前预报，针对不同的地质情况采用新奥法或预固后挖等施工措施，对突水突泥灾害进行灾害程度分析并确定风险等级，以便于在施工过程中采取动态调整；②当遇到突水突泥不良地质洞段应立即采取有效注浆堵水措施；③设置安全逃生系统，包括声光报警、应急通信及电视监控、逃生通道及疏散标志、应急照明及供电系统、逃生装备、排水设计6个部分。

（3）对有地下水腐蚀混凝土问题洞段的处理，永久衬砌混凝土采用耐腐蚀混凝土进行衬砌，按照酸性环境条件下选择混凝土保护层厚度，在永久混凝土结构计算时不考虑初期支护作用。

（4）对线路通过有害气体赋存区洞段处理。有害气体通常为瓦斯，施工中应通过注浆隔绝瓦斯通道，并对隧洞内有高瓦斯段及相邻段小构造瓦斯聚集区域进行全断面二衬垫加固封闭；在施工过程中，加强通风设施布设，加强通风，实时监测隧洞内瓦斯含量，如瓦斯浓度超过标准，禁止进洞施工，加强对明火及可能引起瓦斯爆炸物品的管制，严禁带入洞内。

（5）对活动断层洞段处理。由于输水线路沿线地理位置的特殊性，输水隧洞无法避开一些活动断裂，活断层对隧洞工程的危害有蠕动破坏和错动破坏。隧洞穿越活断层的措施有：①预留变形空间、预置防震缝、提高衬砌抗震强度、采用抗震构件；②设计成柔性的复合衬砌结构，包括钢管波纹补偿复合衬砌结构、钢筋混凝土复合衬砌、扩大的圆形隧洞与U型输水管道组合；③采用“超挖设计”或“铰接设计”和“隔离消能设计”；④采用双洞短衬砌支护、短衬砌、宽缝等方案。

（6）软岩段处理措施。在软弱地层中开挖会使应力迅速接近或超过岩体强度，而产生岩体崩塌，开挖中对软岩段采取分部开挖并迅速加固开挖面。软弱地层中的隧洞一般分顶拱、台阶和仰拱三步开挖。当开挖面的变形需要限制时，还需进一步细分，此时可开挖侧壁坑道，侧壁坑道已成功地用于非常差的土质隧洞开挖施工中。软岩隧洞的拱部支护拟由20～40 cm厚的喷混凝土层和锚杆组成。

在有地下水的极软围岩内开挖隧洞，如采用一般的支护方法如喷混凝土、打锚杆及加设钢支撑等，仍不能维持围岩的稳定，则需采取一些辅助措施，以此保证开挖施工的安全。

4 结论及建议

输水隧洞在整个输水线路上投资占比较大，因地形、地质因素的不确定性，设计、施工最为困难，且施工中存在的问题较多，工程质量对后期管理运行也存在较大影响，因此在输水线路中隧洞设计为整个工程的重中之重，设计中选择工程地质问题、隧洞长度及埋深带有普遍性的代表隧洞作为典型进行设计，对其共性及特殊性问题进行分析并针对其给出处理方式具有重要的意义。