彭宗兵，鄧 剛，余立偉

（重慶市渝西水利電力勘測設(shè)計院有限公司，重慶 402160）

1 工程概況

洪塘水庫壩址位于南川區(qū)大有鎮(zhèn)大堡村1社處，工程所在河流為芙蓉江二級支流三江一級支流石礫河上。水庫是一座具有城鎮(zhèn)供水、農(nóng)業(yè)灌溉和農(nóng)村人畜飲水等綜合利用的中型水利工程，總庫容1111萬m3。工程由水庫樞紐工程、輸水工程及灌區(qū)工程三部分組成。輸水隧洞位于洪塘水庫的NW側(cè)，由隧洞、明渠、渡槽和出水渠組成。隧洞進口位于田家溝引水壩右岸，洞口接田家溝引水壩引水渠，隧洞終點位于魚枧水庫庫尾，隧洞在水翠河位置出露，由前后兩段組成，隧洞總長13km。輸水隧洞級別為3級，設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為30a一遇(P=3.33%)，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為100a一遇(P=1%)，隧洞合理使用年限為50a。工程區(qū)場地地震動峰值加速度為0.05g，對應(yīng)地震基本烈度為Ⅵ度，地震反應(yīng)譜特征周期為0.35s[1]。

2 輸水隧洞布置

設(shè)計利用隧洞進出口之間區(qū)域高程與隧洞高程相近的溝谷出露，增加施工作業(yè)面，輸水隧洞長13km，由前后兩段組成，前段長6.4km，后段長6.6km，隧洞在水翠河位置通過明渠和渡槽連接。在滿足隧洞設(shè)計最大輸水流量7m3/s以及采用懸臂式掘進機開挖施工的要求下，隧洞斷面選取城門洞形斷面型式，隧洞襯砌后斷面為2.7m×2.58m（寬×高），開挖斷面為3.7m×3.48m（寬×高）。

3 隧洞地質(zhì)條件

主洞進、出口地表均為基巖，沿線地質(zhì)條件較好，隧洞沿線地表高程697.35～1440m，隧洞埋深10～724m，在樁號2+480處穿過德隆背斜，其余無大的斷層切割，地表裂隙不發(fā)育；隧洞段洞身圍巖除有200m為奧陶系下統(tǒng)湄潭組（O1m）夾灰?guī)r外，其余均為奧陶系下統(tǒng)湄潭組（O1m）頁巖夾灰?guī)r，巖層傾角平緩，隧洞沿線巖層傾角3°～6°，隧洞洞身頁巖圍巖以Ⅳ類為主，局部節(jié)理裂隙發(fā)育段為Ⅴ類，其中Ⅲ類圍巖200m，Ⅳ類圍巖11920m，Ⅴ類圍巖880m。

4 隧洞開挖及襯砌設(shè)計

本工程隧洞穿頁巖夾灰?guī)r段隧洞長度占整個隧洞場地的98.46%，穿夾層灰?guī)r段隧洞長度占整個隧洞場地的1.54%。頁巖夾灰?guī)r天然單軸抗壓強度42MPa,懸臂式掘進機可以滿足開挖要求，同時工程隧洞后段在樁號SDHD2+629～SDHD6+600段下穿金佛山自然保護區(qū)試驗區(qū)范圍，采用掘進機開挖可避免爆破對生態(tài)環(huán)境的破壞，因此頁巖夾灰?guī)r段隧洞推薦采用全斷面懸臂式掘進機開挖。隧洞穿越夾層灰?guī)r段長約200m，灰?guī)r天然單軸抗壓強度60MPa，懸臂式掘進機開挖開挖效率較低，機械磨損嚴(yán)重，故灰?guī)r段隧洞采用鉆爆法施工。

Ⅲ類圍巖隧洞開挖后及時支護，采用噴砼掛網(wǎng)，噴射C20混凝土厚度100mm，掛鋼筋網(wǎng)設(shè)Φ22系統(tǒng)錨桿，錨桿縱橫間距為1m，長度2.0m；底板采用0.3m厚C25混凝土襯砌，砼防滲等級W4，在隧洞墻頂拱90°～120°范圍內(nèi)進行回填灌漿。

Ⅳ類圍巖隧洞開挖后及時支護，采用噴砼掛網(wǎng)，噴射C20混凝土厚度100mm，掛鋼筋網(wǎng)設(shè)Φ22系統(tǒng)錨桿，錨桿縱橫間距為1m，長度2.0m；邊墻及頂拱、底板均采用0.4m厚C25鋼筋混凝土襯砌，砼防滲等級W4，在隧洞頂拱90°～120°之間進行回填灌漿。

Ⅴ類圍巖巖體較破碎，軟巖流變顯著，可能產(chǎn)生較大的變形破壞，隧洞開挖后及時支護，采用I18型鋼一次性永久支護，并噴混凝土掛網(wǎng)設(shè)Φ22系統(tǒng)錨桿，錨桿縱橫間距為0.7m，長度2.0m；邊墻及頂拱、底板均采用0.4m厚C25鋼筋混凝土襯砌，砼防滲等級W4，隧洞頂拱90°～120°范圍內(nèi)進行回填灌漿。

5 隧洞結(jié)構(gòu)計算

工程按限值裂縫寬度設(shè)計，裂縫寬度短期組合≤0.3mm，長期組合≤0.25mm。隧洞襯砌采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計算。隧洞結(jié)構(gòu)計算軟件采用理正巖土隧洞襯砌計算軟件[2]。

5.1 計算工況

基本組合：

1）工況1：正常運行期（襯砌自重+圍巖壓力+彈性抗力+設(shè)計內(nèi)水壓力+外水壓力）。

2）工況2：檢修期（襯砌自重+圍巖壓力+彈性抗力+外水壓力）。

特殊組合：

3）工況3：施工期（襯砌自重+圍巖壓力+彈性抗力+外水壓力或灌漿壓力）。

4）工況4：校核工況（襯砌自重+圍巖壓力+彈性抗力+校核內(nèi)水壓力+外水壓力）。

5.2 荷載計算

5.2.1 圍巖壓力

1）Ⅲ類圍巖自穩(wěn)條件好并采取了有效的支護，不考慮圍巖壓力。

2）Ⅳ類圍巖采取了有效的支護，圍巖壓力按《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》公式計算：

輸水隧洞垂直均布圍巖壓力qv=0.2×rb×B=0.2×27.3×3.7=20.20KN/m2

輸水隧洞水平均布圍巖壓力qh=0.05×rb×H=0.0 5×27.3×3.48=4.75KN/m2

輸水隧洞避車道垂直均布圍巖壓力qv=0.2×rb×B=0.2×27.3×7.46=40.73KN/m2

輸水隧洞避車道水平均布圍巖壓力qv=0.2×rb×H=0.2×27.3×4.68=25.55KN/m2

3）Ⅴ類圍巖自穩(wěn)能力較差，采取了有效的支護后能自穩(wěn)，圍巖壓力按《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》公式計算：

輸水隧洞垂直均布圍巖壓力qv=0.2×rb×B=0.2×27.3×3.7=20.20KN/m2

輸水隧洞水平均布圍巖壓力qh=0.05×rb×H=0.0 5×27.3×3.48=4.75KN/m2

輸水隧洞避車道垂直均布圍巖壓力qv=0.2×rb×B=0.2×27.3×7.46=40.73KN/m2

輸水隧洞避車道水平均布圍巖壓力qv=0.2×rb×H=0.2×27.3×4.68=25.55KN/m2

5.2.2 彈性抗力

根據(jù)地勘建議物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)值計算采用計算值，隧洞工程堅固系數(shù)和單位彈性抗力系數(shù)建議值表，見表1。

表1 隧洞工程堅固系數(shù)和單位彈性抗力系數(shù)建議值表

5.2.3 內(nèi)水壓力

由于本隧洞為無壓隧洞，內(nèi)水壓力為隧洞內(nèi)設(shè)計水深。本次按設(shè)計最大輸水流量時隧洞內(nèi)水深計算，隧洞Ⅳ、Ⅴ類圍巖均為2.0m。

5.2.4 外水壓力作用在襯砌結(jié)構(gòu)上的外水壓力根據(jù)《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》進行估算，計算公式為：

根據(jù)不同的地下水活動情況按《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》對外水壓力進行折減。當(dāng)有內(nèi)水組合時，βe取小值，無內(nèi)水組合時，βe取大值。

根據(jù)地質(zhì)建議，本工程隧洞洞身圍巖為奧陶系下統(tǒng)湄潭組第三段（O1m）頁巖夾灰?guī)r，洞頂上部有厚達上百米的頁巖隔水層，地表水下滲至洞頂?shù)目赡苄孕?。因此，隧洞周圍無穩(wěn)定地下水位，但在溶隙、裂隙發(fā)育或局部破碎帶可能存在滲水或透水可能。本次設(shè)計結(jié)合國內(nèi)深埋水工隧洞工程經(jīng)驗，最大外水水頭按25m計算，考慮溶洞連通效應(yīng)及排水措施， 外水壓力折減系數(shù)(β)取0.3。

5.2.5 動水壓力

由于本隧洞為無壓隧洞，本次設(shè)計未考慮隧洞內(nèi)的動水壓力。

5.2.6 灌漿壓力

根據(jù)《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》，Ⅳ、Ⅴ類圍巖段回填灌漿壓力采用0.2MPa。根據(jù)《水工設(shè)計手冊-水電站建筑物》，灌漿壓力與外水壓力不疊加。灌漿壓力大于外水壓力時，頂部只計灌漿壓力，其余為外水壓力；灌漿壓力小于外水壓力時，可不計灌漿壓力[3]。

輸水隧洞不同工況荷載取值情況表，見表2。

表2 輸水隧洞不同工況荷載取值情況表

5.3 計算結(jié)果

輸水隧洞Ⅳ類圍巖段計算成果（底版），見表3；輸水隧洞Ⅳ類圍巖段計算成果（頂拱），見表4；輸水隧洞Ⅳ類圍巖段計算成果表（側(cè)墻），見表5。

表3 輸水隧洞Ⅳ類圍巖段計算成果表（底板）

表4 輸水隧洞Ⅳ類圍巖段計算成果表（頂拱）

表5 輸水隧洞Ⅳ類圍巖段計算成果表（側(cè)墻）

輸水隧洞Ⅴ類圍巖段計算成果表（底版），見表6；輸水隧洞Ⅴ類圍巖段計算成果表（頂拱），見表7；輸水隧洞Ⅴ類圍巖段計算成果表（側(cè)墻），見表8。

表6 輸水隧洞Ⅴ類圍巖段計算成果表（底板）

表7 輸水隧洞Ⅴ類圍巖段計算成果表（頂拱）

表8 輸水隧洞Ⅴ類圍巖段計算成果表（側(cè)墻）

經(jīng)計算輸水隧洞在各種運用條件中，襯砌厚度采用0.4m 時能滿足抗剪要求，裂縫寬度滿足規(guī)范要求。

6 結(jié) 語

長距離隧洞工程應(yīng)結(jié)合地形條件、地質(zhì)構(gòu)造、工程布置、圍巖巖性、產(chǎn)狀及地下水情況以及施工工藝、交通、占地、工程投資等條件進行充分的方案比較論證，選擇合理、安全和經(jīng)濟的線路和走向，隧洞軸線盡量避開不良地質(zhì)條件的影響，同時根據(jù)圍巖地質(zhì)條件采取合理的支護方式，選取合理的計算參數(shù)取值進行結(jié)構(gòu)復(fù)核，確保工程設(shè)計措施的安全性與可靠性。