灌区小断面短隧洞改造中的洞线方案设计

王 凯

(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 概况

引大入秦工程是将大通河水跨流域调至兰州市以北60多公里处的秦王川地区的一项大型跨流域调水工程，工程等别为Ⅱ等、规模为大(2)型，引大灌区所辖52条支渠运行近30年来未进行系统改造，各类病险问题日益严重，以“十四五”灌区改造项目对其中部分支渠的“卡脖子”段进行改造，提升灌区灌溉保障能力。支渠设计加大流量均小于3m3/s，主要建筑物级别为5级，隧洞总计245座，本次改造19座，文章以其中5座典型隧洞为例研究灌区小断面短隧洞改造的洞线方案设计。

2 隧洞现状情况及改造内容

根据《设施调查评估报告》及现场踏勘情况，1#、7#、12#、14#、18#隧洞的原横断面均为城门洞(圆拱直墙)型式，断面尺寸为1.2m×1.8m(宽×高)，采用预制砖砼勾缝衬砌、厚度20cm，主体衬砌结构老化破损严重、局部洞段甚至存在衬砌缺失情况，同时沉陷变形严重、洞顶塌落、风化掉块，后续无法长时间安全运行，故对其主体衬砌结构实施改建。

3 隧洞基本工程地质条件

1#、7#、12#、14#、18#隧洞地处黄土覆盖的中低丘陵区，隧洞最大埋深30～70m，横穿黄土梁布置，进出口段布置于山梁两侧发育的冲沟沟谷中及山体坡脚部位，沟谷宽80～400m，地面自然坡降为1/90～1/120，谷底多为已开垦的阶梯状耕地。

4 改造方案

4.1 隧洞横断面确定

本次隧洞改建维持采用简单的城门洞(圆拱直墙)型式横断面。无通航要求的低流速无压隧洞中，若通气条件良好，洞内水面线以上的空间不宜小于隧洞断面面积的15%，净空高度不应小于400mm，隧洞横断面尺寸须通过加大流量时满足上述要求。纵坡依据能量方程推算的水面线，同时保证与进出口渠道顺接。

如果维持原断面尺寸，拆除原衬砌、一次支护、二次衬砌过程中通风、运输、扩挖、浇筑等施工难度较大。且根据《水工隧洞设计规范》相关规定，非圆形断面的高度不宜小于1.8m、宽度不宜小于1.5m。类比同类项目实施情况，本次采用1.6m×1.9m的隧洞断面满足规范要求。

4.2 隧洞一次支护及二次衬砌

隧洞一次支护及二次衬砌断面均为城门洞型式，明洞只需开挖后采用隧洞二次衬砌断面浇筑。根据围岩类型的不同，洞内一次支护形式有所不同，如图1所示，见表1。二次衬砌采用现浇C25钢筋砼厚300mm，浇筑时预埋回填灌浆管，伸入基岩100mm，排距2～3m，每排2～3孔，梅花型布置，衬砌砼浇筑完成后顶拱120°范围做回填灌浆处理，使衬砌砼与围岩紧密结合。隧洞净宽1.6m，侧墙高1.1m，顶拱半径0.8m，顶拱圆心角180°，如图2所示。

图1 一次支护横断面设计图

图2 二次衬砌横断面设计图

4.3 典型隧洞的洞线方案比选

隧洞洞线方案须根据具体情况逐个拟定，主要考虑原址拆除扩建方案、改线新建隧洞方案。本次支渠改造涉及的隧洞围岩条件均较差，且工期紧迫，施工安全、施工进度是主要难点。

原址拆除扩建方案中，一次支护循环推进时，需先做超前钢管管棚，再拆除原衬砌后扩挖横断面，存在施工难度较高、风险较大、进度较慢的问题。与改线新建隧洞方案相比，原址扩建方案的超前钢管管棚及回填混凝土使用量较多，但洞挖土石方较少。改线新建隧洞方案及原址扩建方案的每延米主要工程投资分别为0.825万元、0.848万元，差距微弱，不构成方案比选的关键因素，进而选取以下5座典型隧洞，研究灌区小断面短隧洞的洞线方案设计中存在哪些不容忽视的制约因素。

4.3.11#隧洞洞线方案

原1#隧洞长770m，本次改造仅有80天灌溉间歇期可供施工，若采用原址扩建方案，对照类似项目施工进度，即使洞进出口同时展开工作面，也无法按期完工，势必阻碍灌溉输水。采用改线新建隧洞方案，在灌溉期时，新线照常施工，通过原隧洞输水。

原1#隧洞及上下游渠道基本顺直，其左侧靠近山脊，右侧靠近山沟，改线线路选取埋深较大地质条件较好的左侧，与原隧洞轴线距离不小于10m。改线后7#隧洞长785m，隧洞上、下游采用现浇矩形渠连接原渠线，如图3所示。

图3 1#隧洞改线方案平面图

4.3.27#隧洞洞线方案

原7#隧洞长150m，横穿黄土支梁，进出口位于黄土坡脚。洞身岩性为Ⅳ2类(Q2)洪积离石黄土，洞进出口段岩性为Ⅴ1类(Q3)风积马兰黄土。

原7#隧洞出口两侧黄土边坡表面存在拉张裂缝，且有不断扩大趋势，存在边坡失稳可能。其中，原7#隧洞出口右侧边坡上部存在长约12m，宽约1～3cm的弧形倾向边坡外部的裂缝，裂缝倾角70～85°不等。原7#隧洞出口及明渠段左侧黄土山体在当初建设时开挖削坡形成50～65°不等的边坡，高达40m，边坡较陡且有浅表层小方量塌落体，局部土体塌落后边坡上部已成近直立的黄土陡坎，原7#隧洞出口明渠段左侧边坡上部存在长约60m，口宽约10～30cm的弧形倾向边坡外部的黄土座落体，卸荷拉张裂缝上宽下窄，倾角70～90°不等，该座落体顶部拉张裂缝垂直错距20～50cm，座落体厚约0.5～7m。

经现场地质勘察，原7#隧洞出口段及出口明渠段左侧黄土山体边坡不稳定，原渠道破损渗漏严重，降雨及渠道渗漏水浸泡渠基及边坡底部马兰黄土，造成边坡土体抗剪强度降低，渠基土体湿陷沉降变形量加大，从而造成边坡土体整体向下座落。

若只对已形成的座落体进行清除，将会形成新的临空面，岸内黄土山体将会向高处产生更大范围的滑塌或座落；若对该边坡进行大范围削坡处理，存在削坡方量大、施工及边坡防护治理难度大的问题；若不对边坡进行处理，施工期及运行期存在边坡座落掩埋渠道或土体推移剪切破坏渠道的安全隐患。

综上考虑，为保证改建后7#隧洞出口及渠段安全运行，采用绕线新建隧洞方案，避开原7#隧洞出口裂缝及座落体等地质不良区域。改线至原洞线左侧较右侧线路简短，相当于裁弯取直，故在原7#隧洞左侧改线新建隧洞，新洞线长249m，隧洞上、下游采用明洞(改线改建)分别连接不改建的6#隧洞和8#隧洞，如图4所示。

图4 7#隧洞改线方案平面图

4.3.312#隧洞洞线方案

原12#隧洞长302m，出口洞段含7个连续S形转弯，洞线总体呈L形，横穿山梁，进出口段布置于坡脚部位。洞身岩性为V类泥岩，洞进出口段岩性为Ⅴ1类(Q4)马兰黄土。

若采用原址扩建方案，出口洞段内连续S形弯道开挖断面控制难度大，且钢模台车无法通过，衬砌浇筑须支普通模板，会导致工期延长且浇筑质量下降，隧洞运行时流态紊乱。

如图5所示，若采用改线新建隧洞方案，左侧新洞线裁弯取直后仅272m长，相比原址扩建方案，洞线缩短、投资节省、施工难度降低、工期缩短、后续隧洞运行时流态平顺，上下游采用现浇矩形渠连接原渠线。

图5 12#隧洞改线方案平面图

4.3.414#隧洞洞线方案

原14#隧洞长160m，洞线总体呈直线，横穿山梁，进出口段布置于坡脚部位，隧洞围岩为Ⅴ类泥岩。现状隧洞出口30～60m长洞段上部地面建有一栋三层楼房(长×宽=8m×40m)及一栋平房(长×宽=6.5m×15.5m)，房前场地混凝土地坪及房屋局部地基存在沉降变形，最大沉降量约20cm，局部房屋墙体存在水平状拉张裂缝，缝宽约0.1～3cm。楼房沉降部位位于隧洞上部早前开挖回填的人工杂填土层上，该土层结构松散，土质不均，属高压缩、强湿陷性土层，存在压缩变形大、浸水后易产生湿陷的工程特性。由于楼房建筑范围内无良好的疏通排水沟道，受雨水浸泡后地基土产生湿陷及沉降变形，是造成此范围内地基沉降的主要原因。

若采用原址扩建方案，在拆除此处房屋下埋设的隧洞衬砌后，上部松散人工杂填土将产生进一步的不均匀沉降变形，进而造成房屋地基更大程度的沉降变形及拉裂破坏。

综上分析，为避免对此处房屋的影响，需采用改线新建隧洞方案，如图6所示，新线位于现状洞线左侧，上下游采用现浇矩形渠连接原渠线。

图6 14#隧洞改线方案平面图

4.3.518#隧洞洞线方案

18#隧洞原洞线地质条件尚可，无地上及地下构筑物影响，隧洞长200m，拆除重建所须工期不妨碍灌溉期供水。并且改线新建隧洞方案中，洞长须215m，相比原址扩建方案，主要工程投资增加7.78万元。综合考虑可行性和经济性，此隧洞采用原址扩建方案。

5 结语

在“十四五”引大灌区改造项目中，对隧洞的改建是重点和难点，且均为小断面短隧洞。首先根据过流能力及洞内施工要求拟定隧洞纵横断面，再依据围岩条件确定一次支护及二衬措施，以供比较不同洞线方案的经济性。本项目洞线设计时，主要考虑原址拆除扩建方案及改线新建隧洞方案，围岩条件较差、地质条件复杂、周边地上或地下构筑物影响、只能在灌溉间歇期施工等制约因素构成不同组合，各隧洞洞线无法统一设计，均须具体摸排，确定安全可行的洞线。