張 博，趙小寧

（1.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065；2.陜西水環(huán)境工程勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710018）

1 概述

1.1 工程概況

某引水隧洞工程位于江西省九江市，通過(guò)本工程將庫(kù)水引入臨近流域水系，改善區(qū)域水資源調(diào)配能力，解決城區(qū)供水保障問(wèn)題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)改善和提高河流水動(dòng)力條件，增強(qiáng)河流水資源水環(huán)境承載力，提高水體自凈能力，保護(hù)水域生態(tài)環(huán)境。

本工程將新建隧洞長(zhǎng)約6.826 km，引水流量為1.7 m3/s，采用有壓城門(mén)洞過(guò)流，引水隧洞設(shè)置岸塔式進(jìn)水口，進(jìn)水口內(nèi)設(shè)攔污柵、分層取水疊梁門(mén)、檢修閘門(mén)，出口設(shè)置蝶閥控制引用流量。

根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》[1]《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]以及修水城市規(guī)劃，本項(xiàng)目的工程等級(jí)為Ⅳ等?。?）型工程，相應(yīng)主要建筑物級(jí)別為4級(jí)；次要建筑物、臨時(shí)建筑物為5級(jí)。

1.2 工程地質(zhì)情況

工程區(qū)位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)～下?lián)P子錢(qián)塘臺(tái)拗～修水一武寧凹褶斷束區(qū)，地處低山溝梁相間地貌區(qū)，植被茂密；區(qū)內(nèi)出露地層主要有中元古界雙橋山群上亞群（Pt2sh2）板巖系列、震旦系南沱組（Z2n）砂巖系列，第四系全新統(tǒng)（Q4）覆蓋層組成，區(qū)域斷裂在隧洞臨近出口段發(fā)育，巖體中裂隙發(fā)育，巖質(zhì)中硬～堅(jiān)硬，薄層狀～層狀結(jié)構(gòu)為主，全隧洞段均位于地下水位以下，隧洞總體沿竹坪河谷一帶布設(shè)，埋深40 m～370 m不等。

隧洞圍堰類別以Ⅲ1、Ⅲ2類圍巖為主，進(jìn)出口段為Ⅳ類圍巖，局部斷層帶為Ⅴ類圍巖；隧洞圍巖巖質(zhì)中硬～較堅(jiān)硬，層狀結(jié)構(gòu)～薄層狀結(jié)構(gòu)為主，巖體總完整性較好，除局部斷層、進(jìn)出口區(qū)外，總體成洞條件較好。

1.3 工程特點(diǎn)

在項(xiàng)目投標(biāo)階段工程任務(wù)主要為縣城供水，任務(wù)較為單一。整個(gè)引水隧洞軸線長(zhǎng)約6.826 km，為一個(gè)開(kāi)挖斷面，考慮施工條件及運(yùn)行特點(diǎn)，采用有壓的城門(mén)洞斷面，在隧洞出口設(shè)檢修閘門(mén)，控制引用流量即可。

在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中業(yè)主提出整個(gè)項(xiàng)目要同時(shí)考慮城鎮(zhèn)供水和施工運(yùn)輸?shù)囊蠹八诘赜饚X村居民出行交通需要，即引水隧洞要考慮施工期交通和運(yùn)行期居民出行要求，一洞多用。由于功能定位發(fā)生了變化，因此需對(duì)引水隧洞的多種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行綜合比選。

2 引水方案初擬

綜合考慮業(yè)主對(duì)隧洞施工期交通和運(yùn)行期居民出行需要的要求，參考其他工程設(shè)計(jì)形式[3-8]，初擬了以下四個(gè)方案。

方案一：引水隧洞不考慮交通要求，施工期及居民交通需求將通過(guò)改造環(huán)山公路解決。

方案二：引水隧洞考慮交通要求，豎井以下通過(guò)壓力明鋼管進(jìn)行供水。

方案三：引水隧洞考慮交通要求，豎井以下通過(guò)地下埋管進(jìn)行供水。

方案四：引水隧洞考慮交通要求，豎井以下通過(guò)地下混凝土涵管進(jìn)行供水。

四種方案上游4.069 km全斷面過(guò)水隧洞結(jié)構(gòu)、體型相同；方案二～方案四均樁號(hào)引3+992.80處設(shè)置豎井，在豎井下游2.754 km的布置方案差別。

2.1 方案一

引水隧洞軸線全長(zhǎng)約6.826 km，全段為城門(mén)洞形，隧洞開(kāi)挖凈斷面尺寸3.6 m×3.6 m（寬×高），其中直墻高2.56 m，拱高1.04 m，頂拱圓心角120°，頂拱半徑R=2.08 m。對(duì)于Ⅱ類圍巖采用隨機(jī)錨桿+素噴混凝土予以支護(hù)，噴護(hù)厚度10cm；對(duì)于Ⅲ類圍巖采用系統(tǒng)錨桿+掛網(wǎng)噴混凝土予以支護(hù)，噴護(hù)厚度10 cm；對(duì)于Ⅳ、Ⅴ類圍巖采用系統(tǒng)錨桿+鋼筋混凝土襯砌予以支護(hù)，襯砌厚度30 cm，引水隧洞斷面體型見(jiàn)圖1。在引水隧洞軸線樁號(hào)引3+992.80處設(shè)一施工豎井，根據(jù)施工開(kāi)挖和出渣需要，豎井開(kāi)挖半徑R=1.80 m，采用臨時(shí)支護(hù)措施。

圖1 引水隧洞斷面體型圖（以Ⅳ類圍巖為例）

考慮豎井頂部羽嶺村居民出行的需要及豎井施工期運(yùn)輸?shù)男枰谥衿亨l(xiāng)至豎井頂部改建現(xiàn)有通往羊場(chǎng)的一條交通道路（298鄉(xiāng)道），該段道路長(zhǎng)度約19.0 km，現(xiàn)狀為山間小路，有現(xiàn)狀水泥路面，寬度約3 m，蜿蜒曲折，但道路擴(kuò)建的基礎(chǔ)條件較好。根據(jù)施工期交通需要，將該道路進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄U(kuò)寬，對(duì)于損毀狹窄，彎道不符合運(yùn)輸要求段進(jìn)行局部的修正，同時(shí)進(jìn)行必要的開(kāi)挖削坡支護(hù)，在雨季還需做好路面及邊坡的維護(hù)、防護(hù)工作，交通道路改造示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 交通道路改造示意圖

2.2 方案二

在引水隧洞軸線樁號(hào)引0+000.00～引3+992.8 m段全長(zhǎng)3992.8 m與方案一結(jié)構(gòu)及支護(hù)形式相同。引3+992.80段～引6+746.80為城門(mén)洞型，全長(zhǎng)2754 m，考慮遠(yuǎn)期交通的需求，對(duì)該段隧洞進(jìn)行擴(kuò)挖，確保凈過(guò)車斷面不小于2.4 m。隧洞開(kāi)挖凈斷面尺寸5.3 m×3.9 m（寬×高），城門(mén)洞型，其中直墻高2.63 m，拱高1.27 m，頂拱圓心角102°，頂拱半徑R=3.40 m。支護(hù)形式同上段引水隧洞。

樁號(hào)引3+992.80～引6+746.80采用明管輸水，引水鋼管位于隧洞左側(cè)，為確保引水能夠自流至供水水廠（高程：165 m，距離引水隧洞出口約6.5 km）需控制壓力鋼管的水頭損失，采用引水鋼管管徑1.4 m，控制流速1.1 m3/s，該段2.8 km長(zhǎng)壓力鋼管的水頭損失約為2.0 m，管材選用Q235-C，壁厚t=12 mm。支墩高60 cm，間距6 m布置，下游交通隧洞斷面體型見(jiàn)圖3。

圖3 方案二下游交通隧洞斷面體型圖（以Ⅳ類圍巖為例）

樁號(hào)引3+992.80處設(shè)一交通兼施工豎井，根據(jù)交通的功能需要，豎井開(kāi)挖半徑R=4.80 m，全斷面襯砌，混凝土襯砌厚度40 cm。豎井中設(shè)計(jì)兩部電梯，其中一部客梯（額定載重1050 kg，額定速度3 m/s，井道尺寸2110 mm×2220 mm，轎廂尺寸1600 mm×1500 mm）、一部客貨兩用電梯（額定載重1350 kg，額定速度3 m/s，井道尺寸2540 mm×2220 mm，轎廂尺寸2000 mm×1500 mm），并設(shè)計(jì)一套疏散樓梯（疏散單寬1.3 m）。豎井?dāng)嗝娼Y(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖4。

圖4 豎井?dāng)嗝娼Y(jié)構(gòu)示意圖

2.3 方案三

在引水隧洞軸線樁號(hào)引0+000.00～引3+992.8 m段全長(zhǎng)3992.8 m與方案一結(jié)構(gòu)及支護(hù)形式相同。引3+992.80段～引6+746.80采用埋管供水，隧洞開(kāi)挖斷面為復(fù)式斷面，隧洞下部尺寸2.6 m×2 m（寬×高），上部開(kāi)挖斷面尺寸同引水隧洞軸線樁號(hào)引0+000.00～引3+992.80 m段。支護(hù)形式同上段引水隧洞。

預(yù)埋鋼管位于隧洞正下方，為確保引水能夠自流至供水水廠（高程：165 m，距離引水隧洞出口約6.5 km）需控制壓力鋼管的水頭損失，采用引水鋼管管徑1.4 m，控制流速1.1 m3/s，該段2.8 km長(zhǎng)壓力鋼管的水頭損失約為2.0 m，管材選用Q235-C，壁厚t=12 mm，加勁環(huán)間距2 m。方案三下游交通隧洞斷面體型見(jiàn)圖5。

圖5 方案三下游交通隧洞斷面體型圖（以Ⅳ類圍巖為例）

在引水隧洞軸線樁號(hào)引3+992.80處設(shè)計(jì)與方案一相同的交通兼施工豎井。

2.4 方案四

在引水隧洞軸線樁號(hào)引0+000.00至引3+992.8 m段全長(zhǎng)3992.8 m與方案一結(jié)構(gòu)及支護(hù)形式相同。引3+992.80段～引6+746.80采用有壓封閉混凝土涵洞引水。為確保引水能夠自流至供水水廠（高程：165 m，距離引水隧洞出口約6.5 km）需控制有壓封閉混凝土涵洞的水頭損失，涵洞凈尺寸2.8 m×0.8 m（寬×高），控制流速0.8 m3/s，該段2.8 km長(zhǎng)有壓封閉混凝土涵洞的水頭損失約為1.8 m。隧洞開(kāi)挖斷面尺寸3.6 m×4.9 m（寬×高），其中直墻高3.86 m，拱高1.04 m，頂拱圓心角120°，頂拱半徑R=2.08 m。方案四下游交通隧洞斷面體型見(jiàn)圖6。

在引水隧洞軸線樁號(hào)引3+992.80處設(shè)計(jì)與方案一相同的交通兼施工豎井。

圖6 方案四下游交通隧洞斷面體型圖（以Ⅳ類圍巖為例）

3 方案對(duì)比分析

通過(guò)以上四個(gè)方案的體形設(shè)計(jì)，計(jì)算了各個(gè)方案的引水隧洞洞身主體工程投資和工期見(jiàn)表1，同時(shí)梳理四個(gè)方案下施工工藝及難易程度見(jiàn)表2。

表1 各方案主體工程投資與工期對(duì)比表

從投資和工期角度看：方案一可比部分投資約為5260.04萬(wàn)元，施工工期約20個(gè)月，投資、工期均小于其他3個(gè)方案；方案三可比部分投資約為6130.62萬(wàn)元，施工工期約為34個(gè)月，投資、工期均大于其他3個(gè)方案。

從施工及使用角度來(lái)看：

（1）方案二～方案四將引水隧洞和當(dāng)?shù)亟煌ㄏ嘟Y(jié)合，后期若交通規(guī)劃方案調(diào)整，豎井結(jié)構(gòu)難以適應(yīng)交通規(guī)劃方案的變化，使用功能有待商榷。

（2）方案二施工簡(jiǎn)單，但鋼管位置位于觀光隧洞一側(cè)，管線、鎮(zhèn)墩、支墩、伸縮節(jié)等侵占觀光隧道空間，不利于觀光隧洞景觀效果，同時(shí)由于鋼管明置，需對(duì)其定期進(jìn)行防腐保養(yǎng)。

（3）方案三埋管方案位于觀光隧道下方，無(wú)支墩、鎮(zhèn)墩、伸縮節(jié)等，同時(shí)管道設(shè)置不影響交通隧道，但需要二次開(kāi)挖，增加了工程量，且施工最為復(fù)雜。

（4）方案四混凝土有壓涵洞輸水方案，首先箱涵結(jié)構(gòu)不利于承受較大的內(nèi)壓，當(dāng)輸水量小于設(shè)計(jì)流量時(shí)，由于斷面尺寸不變，沿程損失變小，需調(diào)控富裕水頭。調(diào)控富裕水頭時(shí)會(huì)使箱涵結(jié)構(gòu)內(nèi)水壓力增加，當(dāng)操作不當(dāng)時(shí)，產(chǎn)生的過(guò)大水壓力會(huì)使本不能承受較大內(nèi)水壓力的箱涵結(jié)構(gòu)造成危害，同時(shí)本方案由于受到尺寸限制，日后無(wú)法進(jìn)行檢修。

（5）方案一從使用功能上來(lái)講，將引水隧洞和當(dāng)?shù)亟煌üδ芊珠_(kāi)，引水隧洞后期運(yùn)行檢修方便，且交通道路可根據(jù)當(dāng)?shù)卣w規(guī)劃的確定而分期分步實(shí)施，使用效率高，施工簡(jiǎn)單，因此可作為本項(xiàng)目的首選方案。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)本工程施工特點(diǎn)及業(yè)主提出的交通要求，對(duì)擬定的四個(gè)方案在工程投資、工期以及施工工藝等方面進(jìn)行了綜合考慮。鑒于方案一投資省、工期短、施工工藝簡(jiǎn)單，后期運(yùn)行中引水隧洞檢修方便，且將引水隧洞和交通分開(kāi)，使用靈活，安全系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，推薦其為實(shí)施方案。