樊有鋒，姬春利

(陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001)

1 工程簡(jiǎn)介

榆林黃河?xùn)|線馬鎮(zhèn)引水工程主要是解決神木市窟野河河谷區(qū)、榆神工業(yè)區(qū)錦界工業(yè)園、榆神工業(yè)區(qū)清水溝工業(yè)園、榆陽(yáng)區(qū)榆溪河以東工業(yè)園共四大片區(qū)的工業(yè)用水需求，設(shè)計(jì)水平年2025年引黃河水量2.9億 m3。該項(xiàng)目為榆林市重大水利基礎(chǔ)設(shè)施，也是陜西省重點(diǎn)建設(shè)的水利工程，工程設(shè)計(jì)從黃河右岸馬鎮(zhèn)葛富村取水，經(jīng)兩級(jí)泵站提水，往西至神木市以南的黃石溝沉沙調(diào)蓄庫(kù)入庫(kù)，經(jīng)水庫(kù)沉沙、調(diào)蓄；出庫(kù)干線經(jīng)壓力輸水穿窟野河至三級(jí)泵站，經(jīng)三級(jí)泵站提水至禿尾河，再穿禿尾河向西南方向，經(jīng)過(guò)四級(jí)、五級(jí)泵站提水加壓至榆陽(yáng)區(qū)的石峁水庫(kù)。

出庫(kù)干線中最長(zhǎng)的隧洞為12#無(wú)壓隧洞，位于三級(jí)泵站和四級(jí)泵站之間，洞長(zhǎng)31.27 km，進(jìn)口洞底高程997.15 m，出口洞底高程984.64 m，比降1/2 500，設(shè)計(jì)流量9.61 m3/s，隧洞采用馬蹄形斷面型式，洞身斷面尺寸3.3×3.3 m。

2 隧洞斷面型式確定

根據(jù)《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL279-2016)，隧洞斷面形狀與隧洞用途、地質(zhì)條件、施工方法、襯砌結(jié)構(gòu)的工作條件等因素相關(guān)。本工程隧洞為無(wú)壓隧洞，隧洞可供選擇的斷面型式主要有圓拱直墻形、馬蹄形、圓形。

2.1 地質(zhì)條件

12#無(wú)壓隧洞圍巖主要為Ⅲ類砂巖，最大洞頂埋深275 m，平均埋深約120 m，洞頂最大外水壓力為174 m，平均外水壓力約100 m，地質(zhì)條件相對(duì)較好。但由于外水壓力較大，對(duì)結(jié)構(gòu)的影響較大。

2.2 水力條件

根據(jù)規(guī)范要求，從水力條件、結(jié)構(gòu)要求分析，在凈空比20%的條件下，計(jì)算得出圓拱直墻形、馬蹄形、圓形隧洞各種過(guò)水?dāng)嗝?。無(wú)壓隧洞過(guò)流能力計(jì)算采用明渠均勻流公式：

2.3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

根據(jù)SL279—2016《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦邊值的計(jì)算方法，采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法進(jìn)行洞身襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算。計(jì)算程序采用" 水工隧洞鋼筋混凝土襯砌計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng) SDCAD 4.0 "(水利版)，其中Ⅲ類圍巖圍巖壓力采用系數(shù)法計(jì)算，Ⅳ、Ⅴ類圍巖圍巖壓力采用普氏計(jì)算。

1)外水壓力折減系數(shù)確定

根據(jù)工程地質(zhì)報(bào)告可知，隧洞開(kāi)挖時(shí)結(jié)構(gòu)面會(huì)出現(xiàn)滴水～線狀流水，不會(huì)有大的涌水，12#無(wú)壓隧洞建議外水壓力折減系數(shù)為0.15～0.35。結(jié)合《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL279—2016)外水壓力計(jì)算方法及折減系數(shù)的取值標(biāo)準(zhǔn)，12#隧洞在設(shè)置排水孔的情況下，Ⅲ類圍巖外水折減系數(shù)取0.15，Ⅳ、Ⅴ類圍巖外水折減系數(shù)取0.35(表1)。

表1 12#隧洞不同斷面水力計(jì)算結(jié)果

2)計(jì)算工況及荷載組合：

運(yùn)行期：外水壓力+圍巖壓力+襯砌自重+內(nèi)水壓力等

檢修期：外水壓力+圍巖壓力+襯砌自重等

施工期：外水壓力+圍巖壓力+襯砌自重+灌漿壓力等

2.4 襯砌設(shè)計(jì)

12#隧洞總長(zhǎng)31 274.12 m，Ⅴ類圍巖總長(zhǎng)度約為153.78 m，占整個(gè)明流隧洞的0.5%，Ⅳ類圍巖總長(zhǎng)度約為11 264.46 m，占整個(gè)明流隧洞的36.02%，Ⅲ類圍巖總長(zhǎng)度約為19 855.88 m，占整個(gè)明流隧洞的63.48%；根據(jù)地質(zhì)勘查成果，并結(jié)合工程類比，對(duì)Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類圍巖分段采用不同一次支護(hù)及二次襯砌(見(jiàn)表2)。

表2 12#隧洞分段襯砌表

1)一次支護(hù)

Ⅲ類圍巖：采用Φ22隨機(jī)錨桿+C20混凝土噴護(hù)，混凝土噴護(hù)厚度8 cm；

Ⅳ類圍巖：Φ22系統(tǒng)錨桿+C20混凝土掛網(wǎng)掛噴護(hù)，錨桿單根長(zhǎng)2 m，間排距1 m，交錯(cuò)布置，掛φ6.5鋼筋，間距150×150 mm，混凝土噴護(hù)厚度10 cm；

Ⅴ類圍巖：Φ22系統(tǒng)錨桿+鋼拱架+ C20混凝土掛網(wǎng)掛噴護(hù)，錨桿單根長(zhǎng)2 m，間排距1 m，交錯(cuò)布置，掛φ6.5鋼筋，間距150×150 mm，鋼拱架間距0.8 m，混凝土噴護(hù)厚度15 cm。

2)二次支護(hù)

依據(jù)《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL279—2016)規(guī)定，雙層鋼筋混凝土襯砌厚度不宜小于0.4 m，結(jié)合結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)構(gòu)及工程類比，12#無(wú)壓隧洞二次襯砌采用C30鋼筋混凝土，襯砌厚度為400 mm。

2.5 隧洞灌漿設(shè)計(jì)

隧洞灌漿設(shè)計(jì)包括回填灌漿和固結(jié)灌漿，根據(jù)規(guī)范要求，回填灌漿的范圍為頂部或頂拱中心角90°～120°，圍巖固結(jié)灌漿應(yīng)根據(jù)隧洞工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、襯砌型式、施工對(duì)圍巖的影響程度以及運(yùn)行要求，通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定。

12#無(wú)壓隧洞回填灌漿布置隧洞拱頂范圍120°范圍內(nèi)，灌漿孔間排距2 m，交錯(cuò)布置。根據(jù)地勘資料及工程類比，12#無(wú)壓隧洞按圍巖類別分段進(jìn)行固結(jié)灌漿，其中，Ⅲ類圍巖不進(jìn)行固結(jié)灌漿，Ⅳ圍巖頂拱120°范圍進(jìn)行固結(jié)灌漿，Ⅴ類圍巖采用全斷面固結(jié)灌漿，間排距2 m，交錯(cuò)布置。

2.6 不良地質(zhì)洞段處理

隧洞在穿越斷層破碎帶、過(guò)溝淺埋段及斷層破碎帶等不良地質(zhì)洞段時(shí)，采用超前固結(jié)灌漿對(duì)進(jìn)行地層預(yù)注漿加固。超前固結(jié)灌漿采用φ100鋼管，單根長(zhǎng)2 m，環(huán)向間距50 cm，外插角45°，管身設(shè)6～8 mm的注漿孔，孔間距15 cm，交錯(cuò)布置。

3 不同隧洞斷面優(yōu)缺點(diǎn)比選

(1)從過(guò)流能力來(lái)看，相同條件下，圓形斷面水力條件好，隧洞斷面尺寸最小，馬蹄形斷面水力條件較好，隧洞斷面尺寸較小，圓拱直墻形斷面水力條件最差，隧洞斷面尺寸最大。

(2)從隧洞結(jié)構(gòu)受力條件來(lái)看，12#隧洞襯砌厚度取決于外水壓力的大小，隧洞最大外水壓力177 m，平均外水壓力約100 m；相同條件下，圓形斷面、馬蹄形斷面受力條件好，襯砌厚度??；圓拱直墻形斷面受力條件差，襯砌配筋大。

(3)從運(yùn)行管理?xiàng)l件來(lái)看，圓形斷面隧洞底拱半徑為1.65 m，后期檢修時(shí)，車輛通行比較困難，隧洞檢修清淤難度大；馬蹄形斷面隧洞底拱半徑為3.30 m，后期檢修時(shí)，車輛通行相對(duì)容易，隧洞檢修清淤難度較?。粓A拱直墻形斷面隧洞底寬2.80 m，洞高3.81 m，檢修、清淤條件最好。

(4)從施工條件來(lái)看，圓拱直墻形斷面大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工方便；圓形隧洞和馬蹄形隧洞隧洞較小，施工相對(duì)困難。

(5)從工程直接費(fèi)來(lái)看，圓拱直墻形斷面工程直接費(fèi)最大，為83 510.12萬(wàn)元；圓形斷面次之，為79 572.02萬(wàn)元；馬蹄形斷面最小，為76 744.39萬(wàn)元。馬蹄形直接費(fèi)投資比圓形節(jié)省2 827.63萬(wàn)元，比圓拱直墻形直接費(fèi)投資節(jié)省6 765.73萬(wàn)元(表3)。

表3 12#隧洞不同斷面工程量及投資比較表

根據(jù)以上對(duì)比可知，圓拱直墻形斷面隧洞尺寸最大，施工、檢修條件最好，但受力條件稍差、工程直接費(fèi)最高；圓形斷面隧洞尺寸工程直接費(fèi)居中，但施工、檢修條件最差；馬蹄形斷面隧洞尺寸、工程直接費(fèi)最小，施工、檢修條件相對(duì)較好。為了保證工程的順利實(shí)施，同時(shí)節(jié)約工程投資，榆林黃河?xùn)|線馬鎮(zhèn)引水工程12#無(wú)壓隧洞斷面采用馬蹄形斷面，縱坡比降1/2 500，尺寸為寬度3.30×高度3.30 m(見(jiàn)圖1～圖3)。

圖1 圓拱直墻形斷面設(shè)計(jì)圖

圖2 馬蹄形斷面設(shè)計(jì)圖

圖3 圓形斷面設(shè)計(jì)圖

4 結(jié)語(yǔ)

榆林黃河?xùn)|線馬鎮(zhèn)引水工程是榆林市重大水利基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，工程的實(shí)施將為榆林能源化工基地的建設(shè)和運(yùn)行提供可持續(xù)的水資源保障。出庫(kù)干線中12#隧洞全長(zhǎng)31.27 km，是項(xiàng)目施工過(guò)程起控制工期的工程，合理的選擇隧洞設(shè)計(jì)斷面型式，不僅可以縮短工期，更能節(jié)省工程投資。本文根據(jù)工程區(qū)地形、地貌、地質(zhì)條件、水力條件，合理選擇參數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，確定出隧洞一次支護(hù)和二次支護(hù)方式，不同的圍巖采取不同的灌漿設(shè)計(jì)，對(duì)不良地質(zhì)洞段采取特殊處理措施；通過(guò)對(duì)圓拱直墻形、馬蹄形、圓形三種斷面型式的隧洞工程量及投資比較，結(jié)合各種斷面型式隧洞的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、水力條件、結(jié)構(gòu)受力條件、施工難易程度、后期運(yùn)行管理過(guò)程中檢修和清淤情況，綜合考慮最終確定本工程12#無(wú)壓隧洞設(shè)計(jì)斷面采用馬蹄形斷面。