□李金成（烏魯木齊水業(yè)集團有限公司）

1 隧洞地質(zhì)條件與地質(zhì)參數(shù)的選取

結(jié)合紅雁輸水隧洞所在位置的地質(zhì)條件，其入口處與就近山體交接，由于山體較為陡峭且直平，基巖大多呈裸露狀。揭露巖性主要為弱風化的熔角礫凝灰?guī)r，圍巖完整性差，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖石單軸飽和抗壓強度較高，為中硬巖。

紅雁輸水隧洞位于烏拉泊水庫下游6 km處，屬低山丘陵地形，地形起伏不平，沖溝發(fā)育。隧洞出露地層為中上石炭系沉積巖和第四系全新統(tǒng)松散堆積物。中上石炭系地層巖性主要有灰黃色矽質(zhì)砂巖（C2-3Ss2）、紫紅色泥質(zhì)粉細砂巖（C2-3Ss3）、灰綠色泥質(zhì)頁巖（C2-3Sh），三種巖性所占比例大致為61.70%、38.00%、0.30%，巖體呈層狀結(jié)構，巖層產(chǎn)狀為320°～340°SW∠35°～41°，強風化層厚度一般為0.35～1.00 m，弱風化層厚度一般7～9 m。第四系全新統(tǒng)主要有洪積（Q4Pl）及坡積（Q4dl）碎（塊）石土、砂壤土，沖積（Q4al）砂卵礫石和含淤泥的砂壤土，人工堆積（Q4r）的碎塊石。

隧洞巖體內(nèi)有三組裂隙相對較發(fā)育，它們的產(chǎn)狀分別為：①5°～15°SE∠45°～65°，②60°～80°NW∠70°～85°，③300°～320°NE∠55°～65°，上述裂隙規(guī)模較小，且多為陡傾角，對岸坡穩(wěn)定及巖體抗沖刷影響不大。

紅雁輸水隧洞0+000-0+744 m段，在原洞底混凝土上鑿毛后重新襯砌12 cm厚鋼筋混凝土，另外0+000-0+060 m段、0+689.70-0+744 m段，保持原洞徑不變，0+060-0+360 m段，邊墻采用丙乳砂漿整平修復，拱頂采用C20混凝土掛網(wǎng)噴護，0+360-0+689.70 m段，頂拱采用鋼筋混凝土襯砌，厚30 cm。

2 隧洞襯砌斷面型式選擇

2.1 影響因素分析

影響隧洞襯砌斷面型式選擇的重要因素是圍巖是否具有承擔內(nèi)水壓力的能力，圍巖所具有的該能力的大小常常通過圍巖所具有的地應力大小進行判斷，當?shù)貞ψ钚≈鲬Γ緝?nèi)水壓力，圍巖所可能遭遇水力等毀壞的可能性很小，也即圍巖承壓能力較優(yōu)。本工程可用隧洞埋深代替上述過程的判斷，采用下列公式：

式中：D——具有承擔內(nèi)水壓力能力的隧洞圍巖最小厚度；rw——水的重度；rR——圍巖重度；H——內(nèi)水壓力水頭；α——地面坡度。

在實際隧洞工程中，除了運用式（1）進行計算外，還應將安全系數(shù)考慮在內(nèi)，按照設計規(guī)范，隧洞上部圍巖覆蓋厚度D＞0.40 H，見圖1。

圖1 隧洞圍巖覆蓋厚度示意圖

2.2 結(jié)構計算

按照《水工隧洞設計規(guī)范》（SD134-84）附錄中所提供的隧洞襯砌力的計算原理進行結(jié)構計算，主要借助假設的彈性抗力分布情況，運用結(jié)構力學原理和公式進行結(jié)果計算。其中，襯砌頂拱按照拱座與巖石彈性固結(jié)計算，而反拱按彈性地基梁力學原理計算，按照《水利水電工程PC-1500程序集》所描述的隧洞襯砌內(nèi)力與配筋計算的通用程序進行具體的計算，即采用隧洞襯砌結(jié)構的非線性常微分方程組，求解其初參數(shù)數(shù)值，計算水壓力、巖石壓力和襯砌自重荷載情況下隧洞襯砌的變形與內(nèi)力，配筋計算則根據(jù)水工鋼筋混凝土相關規(guī)范。隧洞荷載主要由垂直、側(cè)向山巖壓力及襯砌結(jié)構自重構成，為簡化計算，彈性抗力的影響暫不考慮。圈拱結(jié)合直墻進行的襯砌、蛋形結(jié)合鋼筋混凝土預制的襯砌、蛋形結(jié)合素砼進行的襯砌三種型式的比較詳見表1。

表1 三種型式的計算與比較表

C20混凝土所允許的壓應力［σ］=10 000 kPa，所允許拉應力［σ1］=-1 200 kPa，所允許抗裂安全系數(shù)［fk］=1.20。由上表不同襯砌型式結(jié)構計算結(jié)果可知，圈拱直墻裝配式襯砌型式抗壓力最大值和抗裂安全系數(shù)最小值均不滿足要求，而隨著后兩種襯砌型式側(cè)拱底厚度的增加，其抗壓力最大值和抗裂安全系數(shù)最小值均滿足規(guī)范要求。

2.3 襯砌斷面型式比較與選擇

2.3.1 圈拱直墻裝配式襯砌

這種襯砌型式在地質(zhì)條件良好、山巖壓力較小的灌區(qū)無壓隧洞中最為常見，工程施工時，橫斷面不整齊，底板高低不一，襯砌構件已遭破壞，裂縫不斷擴展，根據(jù)考察數(shù)據(jù)，側(cè)墻左右偏移約為0.50～1.00 m，最大偏移量為1.40 m，橫斷面呈現(xiàn)上窄下寬，傾向一邊。底板出現(xiàn)不同程度起伏變形，側(cè)墻與拱圈部位均有不同程度裂縫，裂縫開裂處總計750 m，引起隧洞破壞的原因主要有：施工開始前并為對隧洞地質(zhì)進行勘察，僅僅根據(jù)進出口處紅砂巖條件確定堅固系數(shù)，而隧洞內(nèi)絕大部分地段為“高嶺土+砂卵石”地質(zhì)條件，堅固系數(shù)≤1；15 cm的襯砌厚度明顯無法達到設計要求強度，襯砌結(jié)構所采用的結(jié)構型式不符合要求，未對搭接接縫作相應處理，導致結(jié)構缺乏穩(wěn)定性，抗裂安全系數(shù)不達標。

2.3.2 蛋形預制鋼筋混凝土襯砌

該襯砌斷面型式曲線接近壓力曲線，具有較好的受力條件及對較差地質(zhì)條件、較大山巖壓力較好的適應性，故較為適用紅雁輸水隧洞。但是從隧洞實際施工情況看，隧洞內(nèi)側(cè)墻嚴重傾斜，構件錯位明顯，工程安全隱患顯存。造成種種問題的原因主要是：各預制構件試件重量超標（重達200～300 kg），洞高所限所以工作場地狹窄，導致部分構件安裝不及時、不到位，地表水侵入后，將增加山巖壓力，造成塌方事故的可能性大大增加，嚴重違背了“短開挖、快襯砌”的隧洞施工原則。

此外，影響土粘聚力和內(nèi)摩擦角的還包括水的因素，當?shù)卣鹆叶仍黾訒r，安全系數(shù)直線下降，在此過程中如果滑帶土的抗剪強度真正起到作用，則安全系數(shù)會緩慢增加。

2.3.3 蛋形現(xiàn)澆素混凝土襯砌

工程施工人員在類似地質(zhì)條件下先進經(jīng)驗的指導下，改進了蛋形預制鋼筋混凝土襯砌斷面型式的施工方法和施工順序，即應用立剛模和現(xiàn)澆素混凝土方法進行隧洞襯砌，既符合“短開挖、快襯砌”的隧洞施工原則，又大大克服了隧洞塌方事故的出現(xiàn)。當進行2～3 m土方開挖后，隨即立上實現(xiàn)制作好的鋼模，在所澆筑混凝土尚未凝固前，鋼?？梢猿袚糠稚綆r壓力，有效防止塌方產(chǎn)生。

3 結(jié)論

綜上所述，輸水隧洞襯砌斷面的各種型式都具有優(yōu)缺點和各自的適用范圍，文章對影響襯砌型式選擇的因素進行分析，并對紅雁輸水隧洞襯砌斷面型式的確定進行了探討，為水工隧洞斷面型式的設計與選擇提供科學依據(jù)。

［1］張寶晶，柴偉，水工隧洞斷面設計中襯砌型式選擇研究［J］，科技視界，2013（1）：78-79.

［2］黃康鑫，王靜等，高地應力條件下輸水隧洞斷面選型及支護設計［J］，水利學報，2015（S1）.

［3］曾曉燕，賈進，輸水隧洞混凝土襯砌裂縫處理技術［J］，中國建筑防水，2015（10）：31-35.