薛長青

（陜西水環(huán)境工程勘測設計研究院 陜西 西安 710018）

1 概述

延安黃河引水工程從黃河干流右岸延川縣延水關鎮(zhèn)王家渠村提水，經(jīng)排沙處理后加壓送至楊家山隧洞進口，通過楊家山隧洞輸水至延川縣城東南約2.2km的清澗河右岸高家灣凈水廠，經(jīng)凈化處理后分兩路支管供水，一路向西北至子長縣工業(yè)園區(qū)，另一路向西南至延安市寶塔區(qū)姚店工業(yè)新區(qū)凈水廠。楊家山隧洞為延安黃河引水工程的咽喉工程，也是整個引黃工程最長的輸水隧洞，全長11.36km，設計引水流量4.2m3/s，縱比降1/2000，進口高程766.67m，出口高程761.00m。隧洞起點在柏樹坬山塬上，隧洞終點在清澗河左岸坡，與高家灣凈水廠隔河相望。

楊家山隧洞穿越黃河一級支流趙家河和清澗河之間的黃土梁峁，沿線山巒起伏、地形破碎，相對高差100m～150m，河流各支溝有殘留的一、二、三級階地堆積，局部可見小范圍的崩塌滑坡堆積。洞線穿越的地層巖性主要有黃土狀壤土、砂巖夾泥巖等。

2 隧洞斷面體型方案

2.1 隧洞橫斷面形式確定

根據(jù)《水工隧洞設計規(guī)范》（SL279-2002）要求，隧洞橫斷面形狀與隧洞的用途、地質條件、施工方法、襯砌結構等各種因素相關。本次設計隧洞橫斷面體型主要根據(jù)地質條件、襯砌結構和施工難易程度來確定。

2.1.1 地質條件對體形的要求

根據(jù)地質勘察報告，楊家山隧洞地質條件較為簡單，沿線無斷層和破碎帶。洞室圍巖以三疊系胡家村組（T3h）砂巖夾泥巖為主，進口段有長約1026m的黃土隧洞，黃土洞段地下水位低于洞底設計高程，基巖洞段地下水位高于洞頂設計高程。隧洞洞室為Ⅲ類圍巖的洞段長9648km，洞室為Ⅳ類圍巖的洞段長375m，洞室為Ⅴ類圍巖的洞段長133m，這三種圍巖占隧洞總長的比例分別為：83.48%、3.31%、1.17%。整個洞段地質條件相對良好，不良地質洞段較少。在地質條件較好時宜采用圓拱直墻式斷面，方便施工。

表1 隧洞橫斷面尺寸設計方案比較表

2.1.2 襯砌結構對體形的要求

從結構要求分析，無壓流隧洞可供選擇的斷面形式主要有：圓拱直墻型、馬蹄形等形式。無壓隧洞在地質較差的情況下采用方圓型可能會出現(xiàn)底板或邊墻的穩(wěn)定問題，改為圓形或馬蹄形對圍巖穩(wěn)定有利。由于楊家山隧洞大部分圍巖地質條件良好，故經(jīng)過結構計算，襯砌25cm素砼即可滿足受力要求。少數(shù)地質條件較差洞段或土洞段在支護做好的情況下，可考慮采用圓拱直墻型。

2.1.3 施工條件對體形的要求

從施工角度來說，方圓型斷面易于滿足水力條件和方便施工；圓形斷面對施工運輸有影響，需要墊片或改變開挖斷面；長距離輸水隧洞若采用馬蹄形斷面，開挖時按方圓型施工需增大尺寸，否則襯砌為馬蹄形后難以滿足施工要求。對于本工程，為了加快進度，節(jié)省投資，建議采用方圓型施工開挖斷面。

2.1.4 斷面形式確定

經(jīng)過上述綜合分析，結合陜西省絕大多數(shù)已成小斷面長距離輸水隧洞的實踐經(jīng)驗，楊家山無壓隧洞宜采用圓拱直墻式斷面，方便施工，洞內水力條件容易滿足，且便于進出口連接。洞身圓拱中心角選用180°，并以此進行結構計算。

2.2 隧洞橫斷面尺寸方案

2.2.1 擬定原則

根據(jù)《水工隧洞設計規(guī)范》（SL279-2002），輸水隧洞的橫斷面尺寸，除應滿足運行條件下的過流能力外，還應符合施工要求。隨著施工機械的發(fā)展，施工技術的進步，縮短了施工工期，減少了建設期利息，經(jīng)濟效益明顯。故在此次設計橫斷面尺寸時，充分考慮在不同施工條件下，不同地質情況下，不同襯砌條件下，通過技術經(jīng)濟分析確定橫斷面尺寸的合理性。根據(jù)本工程的輸水特點，橫斷面尺寸的控制因素主要在輸水流量上體現(xiàn)，而不是在施工方面體現(xiàn)，為了最大限度地滿足隧洞結構要求，減少一次性投資，給工程帶來最大效益，應對斷面方案進行比選。

2.2.2 隧洞工程類比

在設計初期按原可研的設計流量進行設計，初步擬定了橫斷面尺寸B×H＝2.5m×3.05m；隨著設計工作的深入，以及審查批復的可研工程規(guī)模，通過對引紅濟石工程的關山隧洞、馬欄河引水工程馬欄隧洞的參觀學習、咨詢探討，采用斷面尺寸B×H＝2.5m×3.05m。通過水力計算復核，可滿足本次設計流量4.2m3/s的過流要求。

馬欄隧洞是陜西省巖石小斷面引水隧洞中較長的一個。由于洞線長、斷面小、埋深大、工作面少，給供電、通風、出渣、通訊、高壓風水管路等增加了很大難度。該隧洞開挖斷面B×H＝2.6m×2.5m主要是按照施工機具和施工斷面位置要求設計的。對于長距離小斷面過水隧洞來說，設計是否合理的控制因素是在該斷面尺寸條件下，隧洞施工是否可以安全、高效實施。較小的施工斷面既會限制洞內施工的機械化程度及作業(yè)人數(shù)，又會影響洞內的排煙效果及出渣進料的能力。

2.2.3 橫斷面尺寸方案比選

根據(jù)《水利水電工程施工組織設計規(guī)范》（SL303-2004），在滿足不同施工設備，合理布置風、水、管、路（簡稱三管兩路）后，繪制施工外包絡圖，根據(jù)外包絡圖確定最小施工斷面尺寸。通過對前期工作的總結，以及借鑒馬欄隧洞的實踐成果，現(xiàn)提出三個最小施工斷面尺寸，分別為B×H＝1.5m×1.8m、1.8m×2.4m、2.5m×3.05m。斷面形式采用圓拱直墻式，施工采用鉆爆法。

對其進行經(jīng)濟技術比較，選擇出較合理的設計橫斷面。方案比較見表1。

方案Ⅰ（B×H＝1.5m×1.8m）

優(yōu)點：工程量小，投資少；

缺點：受斷面尺寸制約，施工風、水、管路很難布設，只能運用效率極低的人工開挖、裝渣及運輸方式。施工難度很大、施工安全性較差，平均日進尺很低，工期較長，運行管理不便。

方案Ⅱ（B×H＝1.8m×2.4m）

優(yōu)點：工程開挖量居中，投資居中；

缺點：受斷面尺寸制約，只能運用效率較低的機械施工方式，施工風、水、電及出渣軌道布設比方案Ⅰ優(yōu)化，平均日進尺參數(shù)提高，故工期縮短，管理運行條件改善。

方案Ⅲ（B×H＝2.5m×3.05m）

優(yōu)點：因施工斷面增大，可采用效益較高的機械施工，施工難度相應降低，平均日進尺大幅度增加，工期縮短，可提高發(fā)揮工程效益。

缺點：工程開挖量大；投資增加較多。

推薦方案。通過對比，由于方案Ⅰ設計隧洞橫斷面很小，無法實施高效率設備作業(yè)，施工風、水、電、排煙、軌道布置困難，施工難度很大，故從施工角度最先排斥推薦方案Ⅰ。由于方案Ⅱ施工相對困難，施工工藝復雜，工程投資優(yōu)勢不明顯，且無法滿足工程總體工期要求。方案Ⅲ斷面增大，可運用高效率施工機械，施工安全性較高，投資增加不大，且可滿足整體工程工期。由于楊家山隧洞為延川黃河引水工程的咽喉工程，控制著整個工程進度，采用大斷面，可提前發(fā)揮工程效益，故本次設計采用方案Ⅲ（B×H＝2.5m×3.05m）作為設計橫斷面尺寸。

3 結語

楊家山隧洞為延安黃河引水工程的咽喉工程，也是延安引黃工程最長距離的輸水隧洞。根據(jù)隧洞沿線的地質條件、襯砌結構和施工難易程度對隧洞體型的要求，并結合已成長距離輸水隧洞的實踐經(jīng)驗，經(jīng)綜合分析比較，楊家山無壓隧洞宜采用圓拱直墻式斷面。通過經(jīng)濟技術方案比選，楊家山隧洞設計橫斷面尺寸采用大斷面方案（B×H＝2.5m×3.05m），可極大縮短施工工期，使延安黃河引水工程提前發(fā)揮工程效益，以盡早解決延安市一區(qū)四縣六個工業(yè)園區(qū)用水的燃眉之急。陜西水利