南京主城应急供水工程矿山法输水隧洞工程案例介绍

高宇 江登峰

1.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司 200092 2.上海水业设计工程有限公司 200092

引言

随着我国社会经济的快速发展，城市对供水安全的保障要求也在不断提高，江苏省已明确提出，有水源条件的地区应当建设两个以上相对独立控制取水的饮用水源地，同时应加快推进不同水系或相对独立控制取水的应急备用水源建设。为此，南京市为了保障城市供水安全，通过主城区应急水源工程建设，形成了以杨库水库为应急水源地，以城南水厂、北河口水厂为应急供水水厂的主城区应急供水系统方案。本文介绍该工程中输水隧洞段的设计思路和施工处理方案。

1 工程概况

南京市主城区应急水源建设工程在杨库水库东北角处选址建设取水口，并向北开凿隧洞，出洞后通过给水管道接至综合应急泵站，由泵站增压后向现有水厂供水。本段输水隧洞为有压隧洞，全长约2.6km，其中Ⅲ类围岩长870m，Ⅳ类围岩长1420m，Ⅴ类围岩长350m，占比分别为33%、54%和13%。场地未发现有毒有害气体及地温异常现象。且现有应力场垂直方向为最大主应力方向，最大值为4.72MPa，属低应力，地应力对隧道轴线不起控制作用。

隧洞采用矿山法实施，该工法以炸药爆破破碎围岩，并利用围岩自稳能力为基点，将锚杆和喷射混凝土组合在一起作为主要支护手段，及时对围岩进行加固，约束围岩的松弛和变形，并通过对围岩和支护的监控量测来指导工程的施工。该隧洞已于2021年1月顺利贯通。

2 隧洞设计

2.1 断面形式

根据本工程初步现场踏勘及勘察钻孔资料，隧洞洞身段以弱风化的较硬岩为主，隧洞埋深较大。隧洞断面布置时，可比选直接输水或隧洞内放置管道两种方案。直接输水方案，隧洞断面较小，工程造价较低。隧洞内放置管道的方案，方便检修，但是在相同流量的情况下，隧洞断面尺寸增加较多，造价相对高。由于本隧洞直接从杨库水库取水，为原水输水隧洞，因此从工程造价和实施难度考虑，优先采用直接利用隧洞输水的方案。同时以结构受力合理、便于隧洞施工和运营维修为原则，初步考虑以下三种横断面形式（图1）。采用同济曙光水工隧洞5.0 软件对上述断面进行受力分析计算，以Ⅳ类围岩为例，按深浅埋隧洞分界埋深6.4m进行试算对比，三种方案断面内力如图2 所示。

图1 不同方案断面形式（单位： mm）Fig.1 Section forms of different schemes（unit：mm）

图2 不同断面弯矩（单位： kN·m）Fig.2 Bending moment diagram of different sections（unit：kN·m）

结合断面和弯矩图可以发现：直墙拱形断面的优点为施工简便，但该方案同时具有工程量相对较大，以及结构受力相对不利（尤其是对于有压隧洞）的缺点。圆形断面结构受力最好，且工程量小，对于有内水压时为规范推荐优先采用的断面型式［1］，但其缺点在于断面施工相对较为复杂，施工时的施工通行和维护检修均存在不便。曲墙拱形断面优点是底部设置平段便于施工，边墙和顶拱均为曲线形受力较好，且整个断面工程量相比直墙拱形断面有所减小，更加经济。

本工程从结构受力和施工方便综合考虑，初步选定曲墙拱形的断面形式，在洞口段可采用圆形断面进行过渡，以便于洞外埋管段进行衔接。

2.2 路由选取

隧洞的设计中，路由的选择是至关重要的一步，直接影响到施工难易和工程投资。经过实地踏勘以及钻孔取样，本工程进行如图3 所示3 种路由方案比选（深红色为水源涵养一级管控区，浅红色为水源涵养二级管控区）。

图3 路由方案Fig.3 Routing scheme diagram

其中方案三沿线不良地质少，为技术最优路线，但是需穿越一级水源涵养管控区，不符合规划要求。方案一和方案二具备实施条件，但是方案二进洞口为既有建筑群，不利于施工设施的布置及洞碴堆放，增加了施工期协调的难度。综合考虑，选择方案一。同时为了加快施工进度，拟隧洞中间位置增设一道支洞斜井，增加有效作业面，并减少长距离爆破掘进的施工风险。

2.3 初期支护

针对不同的围岩，根据其岩石状况，采用不同的初期支护形式，初期支护主要根据工程类比法设计。为了节约工程投资，对于Ⅳ类围岩，进一步根据其覆盖层岩体自稳能力和节理发育程度，划分为Ⅳ类偏好和Ⅳ类偏差。同时为了增加施工期掌子面的稳定性，针对Ⅳ类偏差围岩和Ⅴ类围岩增加超前支护。

2.4 二衬设计

对于有压隧洞，衬砌承受的主要荷载有围岩压力、结构自重、内水压力、外水压力和灌浆压力等。其计算工况对应的荷载组合主要有［2］：工况一（运行期）：围岩压力＋结构自重＋内水压力＋外水压力；工况二（检修期）：围岩压力＋结构自重＋外水压力；工况三（施工期）：围岩压力＋结构自重＋外水压力＋灌浆压力。

以Ⅴ类浅埋较差的围岩为例，其工况一计算围岩压力见图4。

图4 围岩压力（单位： kN／m2）Fig.4 Pressure diagram of surrounding rock（unit：kN／m2）

根据勘察，外水压力水头（地下水位线至隧洞底部中轴线的高度）取13.25m，外水压力折减系数0.35，内水压力水头取16.43m。

经计算，工况一下Ⅴ类围岩二衬计算结果见图5。同理可得其他工况计算结果。

图5 Ⅴ类围岩二衬内力Fig.5 Internal force diagram of secondary lining of class V surrounding rock

2.5 洞口设计

洞口位置的确定应根据地形、地质，同时结合周边环境和施工条件等。本工程进洞口位于杨库水库，出洞口位于小双虎水库北侧，洞门采用放坡结合灌注桩的形式。由于进出洞口围岩较差，故采用管棚的辅助措施。为了方便隧洞与洞外埋管连接，进出口各设置20m钢管内衬过渡段，并在钢管内衬段与钢筋混凝土内衬段交接处设置帷幕灌浆。

图6 隧洞进洞口Fig.6 Entrance of tunnel

图7 隧洞支洞口Fig.6 Branch cave of tunnel

3 不良地质段工程处理措施

地质勘察工作是隧洞施工重要的前期准备［3］，对于勘察已发现的不良地质段应事先做好设计预案。然而由于勘察孔为点状分布，并不能完全反映出隧洞全段所有地质的细节，因此在隧洞的施工中，一定要做好超前地质预报，及时动态化调整处理措施。

3.1 涌水处理

根据详勘报告，隧洞中段约900mⅣ类围岩存在多处节理密集带，岩体中结构面发育，渗透系数较大，推测有较大的涌水可能。对于隧洞中的涌水处理，一般遵循“以堵为主、排堵结合、注重环保”的原则，由于本工程隧洞断面较小，因此采取径向注浆封闭止水的方式。

同时物探显示隧洞沿线经过三座池塘，池塘下隧洞覆盖层最薄处约10m，为了防止施工过程中，池塘水通过岩体裂隙对隧洞施工产生影响，在施工期间将池塘水抽干并回填，施工结束后再予以恢复。

3.2 破碎带处理

根据详勘报告，隧洞出口附近有一断层破碎带，隧洞规划线路位于该断层上盘，与断层走向近平行。为了减小断层的不利影响，在断层影响范围内采用玻璃纤维锚杆进行掌子面加固，以20m为一循环，每两个循环之间搭接2m。

3.3 塌方处理

受制于复杂的地下条件，隧洞施工过程中会突发一些问题，需要及时合理进行处置。本工程隧洞进口进入约20m后，出渣过程中发现掌子面出现小面积塌方，塌方宽度约6.4m，高度4m，空洞体积约114m3。塌方发生后，第一时间对掌子面用弃渣进行回填，并对塌方上部空洞重新打入锚杆后喷射160mm 厚C25 喷射混凝土，并设置800mm 厚C30 混凝土护拱，完成后再向护顶拱压注砂充填塌方腔体。并且根据现场地质条件，对塌方段临近的隧洞段，加密超前小导管和钢拱架，并严格控制进尺，每一循环按不超过0.5m施工。同时加强对顶部及支护结构的变形监测。经过处理后，塌方处及时被稳定且未进一步扩大，对后续施工影响较小。

4 结语

本文以南京主城应急供水工程中的矿山法输水隧洞为例，介绍了该隧洞的设计思路和施工处理方案。隧洞设计针对不同等级的围岩，选择合适的初支和内衬，确保工程安全。对于勘查中揭露的不良地质，应在设计中做充分考虑，并在施工中对围岩和支护进行观察、量测，根据反馈信息及提前做好的预案对设计方案进行动态反馈和修正。