王 君

（烏魯木齊市水利勘測設(shè)計院（有限責(zé)任公司），新疆 烏魯木齊 832000）

1 工程概況

某大型引水工程輸水線路全長184.77 km，全線共有隧洞30條，總長165.38 km，占整個輸水線路的90%，其中10 km以上的隧洞有5條，設(shè)計輸水流量20 m3/s～40 m3/s，本工程在隧洞設(shè)計時經(jīng)初步分析比較，隧洞采用無壓隧洞輸水方式，斷面采用城門洞型，再選取典型隧洞進(jìn)行設(shè)計，典型隧洞洞線長14.48 km，布置有4條施工支洞，設(shè)計流量Q=20 m3/s，設(shè)計底坡初選i=1/1000，斷面形式為城門洞型斷面。隧洞埋深一般150 m～200 m，最大埋深430 m。隧洞進(jìn)口地形為較完整山坡，山坡坡度約35°～40°，坡高約85 m～90 m，出口地形為一向南西凸出的小山脊，寬約200 m，地形坡度約20°～30°，坡高約135 m，以上坡度稍緩為30°～40°。沿線隧洞沿線巖層巖性有泥質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r、白云巖夾頁巖、泥巖、石英砂巖、長石砂巖以及粉砂質(zhì)泥巖等[2]，隧洞沿線斷層及皺褶較發(fā)育，沿線巖溶水及基巖裂隙水均有分布。隧洞圍巖類別包括Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類，各種圍巖類別統(tǒng)計見表1。

表1 典型隧洞圍巖類別統(tǒng)計表

2 斷面比選設(shè)計

根據(jù)選定的隧洞斷面型式為城門洞型，初擬三組不同斷面尺寸進(jìn)行比選，比選原則為:在設(shè)計流量Q=20 m3/s、底坡i=1/1000、糙率n=0.014一定的情況下，擬定不同的底寬，求得相應(yīng)的水深及過水?dāng)嗝?，保證各斷面的凈空比相等，并滿足凈空面積為20%左右，水力計算根據(jù)《水力學(xué)》中計算公式[3]，三種

斷面計算結(jié)果表2。

式中:Q為隧洞設(shè)計流量，取值為20 m3/s；A為隧洞過水?dāng)嗝?，m2；C為謝才系數(shù)；R為水力半徑，R=A/χ，m；i為設(shè)計底坡，取值為1/1000；n為糙率系數(shù)，取值為0.014；m為邊坡系數(shù)，矩形斷面取值為0。

表2 典型輸水隧洞不同底寬水力參數(shù)比較表

根據(jù)表2計算結(jié)果，按Ⅳ類圍巖（該典型隧洞圍巖以Ⅳ類為主）分別對三種不同過水?dāng)嗝孢M(jìn)行配筋計算，襯砌厚度均為0.4 m，計算1 km洞長三種不同斷面的主要工程量，并估算投資，對比結(jié)果見表3。

表3 輸水隧洞不同過水?dāng)嗝婀こ塘考巴顿Y對比表

從表3可以看出，取1 km隧洞洞長計算結(jié)果為例，斷面1的投資最大，斷面3的投資最小，但投資差值均小。

比較斷面1及斷面2可以發(fā)現(xiàn)，二者投資僅相差1.2%，結(jié)合《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》（SL 279-2002）相關(guān)規(guī)定[4]:“斷面的高寬比宜為1.0～1.5，洞內(nèi)水位變化較大時宜采用大的比值”以及“高地應(yīng)力區(qū)若垂直地應(yīng)力大于水平地應(yīng)力，宜采用高度較大而寬度較小的斷面”，考慮到該隧洞相對埋深較大，因此隧洞斷面高寬比宜取大值。

綜上所述，典型隧洞推薦城門洞型，過水?dāng)嗝娴讓?.0 m，凈高為3.96 m。

3 建筑物設(shè)計

3.1 工程布置

典型隧洞進(jìn)口與倒虹吸相連接，出口與消能電站連接。為避開不利地段，并滿足施工支洞布置、施工場地、交通、工期等要求，隧洞在平面上布置3個轉(zhuǎn)彎段，轉(zhuǎn)彎半徑為15 m。隧洞總長14476.268 m，里程SS60+079.484 m～SS74+555.751 m。隧洞坡降采用1/1000，正常水深2.96 m，進(jìn)口底板高程1818.34 m，出口底板高程1803.86 m。為滿足隧洞施工要求，螺峰山隧洞沿線共布置4條施工支洞，支洞與主洞交點(diǎn)里程依次為YH62+440.373 m、YH65+259.593 m、YH67+647.628 m、YH71+626.057 m。

圖1 典型隧洞平面膜布置圖

3.2 隧洞支護(hù)設(shè)計

（1）初期支護(hù)

典型隧洞圍巖類別包括Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類，根據(jù)不同的圍巖類別，在開挖過程中，采取不同的初期支護(hù)方式。初期支護(hù)方案見表4。

表4 典型隧洞初期支護(hù)方案表

（2）二次支護(hù)

典型隧洞全洞段采用C30鋼筋混凝土襯砌[5]，隧洞圍巖為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類，全洞段采用C30鋼筋混凝土襯砌，洞身根據(jù)地質(zhì)條件，襯砌厚度分別采用0.3 m、0.4 m、0.5 m。隧洞支護(hù)設(shè)計斷面圖見圖2(篇幅所限，僅列一個)。

圖2 典型隧洞支護(hù)設(shè)計橫斷面圖（尺寸單位：cm）

3.3 隧洞細(xì)部設(shè)計

（1）施工縫、變形縫止水設(shè)計

①對于圍巖性質(zhì)均一，溫度變化小、收斂變形較小的圍巖洞身段，根據(jù)襯砌臺車的長度一般按8 m～12 m設(shè)一條環(huán)向施工縫，施工縫設(shè)橡膠止水帶，并用瀝青杉板進(jìn)行填塞。

②在隧洞進(jìn)、出口處、洞身與施工支洞交匯處以及洞內(nèi)斷層分布處或其他可能產(chǎn)生較大相對變位處設(shè)置永久縫，縱向鋼筋在永久縫處斷開，縫內(nèi)設(shè)橡膠止水，并用瀝青杉板進(jìn)行填塞。

（2）回填灌漿設(shè)計

為了提高襯砌結(jié)構(gòu)的整體性和結(jié)構(gòu)承載能力，隧洞頂拱部120°范圍布置3個～4個回填灌漿孔，灌漿孔深入圍巖5 cm～10 cm，縱向排距3 m，梅花型布置。灌漿壓力視混凝土襯砌厚度和配筋情況確定。

（3）固結(jié)灌漿設(shè)計

為了提高圍巖的整體性和抗變形能力，對Ⅴ類圍巖洞段隧洞全斷面進(jìn)行固結(jié)灌漿[6]，每個斷面設(shè)6個～10個固結(jié)灌漿孔，縱向排距3 m，呈梅花型布置。灌漿孔深入圍巖2 m～3 m，對于極軟弱、破碎水量較大段考慮適當(dāng)加大孔深。

（4）排水孔設(shè)計

遵照“堵”“截”“排”相結(jié)合的防滲和排水設(shè)計原則，為有效減小地下水壓力，在地下水位較高處設(shè)置排水孔，梅花型布置，孔深為3 m～5 m，頂拱回填灌漿孔可兼做排水孔。

（5）進(jìn)出口邊坡設(shè)計

隧洞進(jìn)出口邊坡均處于強(qiáng)風(fēng)化長石砂巖夾泥巖、頁巖層，進(jìn)口為順層、出口逆向，邊坡開挖坡比1∶1，最大坡高小于10 m，為防止開挖邊坡進(jìn)一步風(fēng)化，保證邊坡安全，對邊坡采取掛鋼筋網(wǎng)噴錨支護(hù)，噴混凝土強(qiáng)度等級C20，厚度12 cm，掛網(wǎng)鋼筋直徑6.5 mm，間排距200 mm，系統(tǒng)錨桿為直徑25 mm螺紋鋼筋，長度3 m，間排距2 m。為防止雨水浸蝕，坡面設(shè)置直徑50mm、間排距3 m、深3 m的排水孔，坡頂設(shè)置300 mm×300 mm的截水溝。

4 結(jié)語

輸水線路上隧洞有30余條，對每條隧洞進(jìn)行設(shè)計會有大量重復(fù)工作，花費(fèi)更多的時間和精力，設(shè)計中應(yīng)根據(jù)隧洞特點(diǎn)、地質(zhì)條件、水流條件及輸水方式等將隧洞歸類，進(jìn)行典型隧洞設(shè)計，將設(shè)計成果用于其他同類型隧洞，在設(shè)計中取得了較為滿意的結(jié)果，本工程為新建隧洞，該設(shè)計思路和方法獲得了專家和同行的一致好評。