浅谈恩甲引水隧洞工程设计
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摘要:恩甲引水隧洞是清水海引水工程(一期)的关键性和控制性工程，全长4759m，无施工支洞，单工作面长度较长，隧洞断面尺寸由施工及运行要求，并结合经济断面的水力计算成果共同确定，恩甲引水隧洞的断面型式采用方圆型，净断面3.5×3.51m。隧洞衬砌计算按照《水工隧洞设计规范》（SL279-2002）的基本原则进行设计。
关键词:工程地质；工程布置；横断面；支护衬砌；恩甲引水隧洞
工程概况
昆明市清水海供水及水源环境管理项目位于云南省昆明市境内。整个工程项目由引水工程和净配水工程两部分组成。清水海引水工程是昆明市清水海供水及水源环境管理项目中的引水工程部分，它是一项从小江流域引水至牛栏江流域、滇池流域的跨流域调水工程；工程任务是解决空港经济区、昆明市东城区的工业及生活用水。
引水线路中实际过流量变化大，并且变化频繁，从运行安全及经济性比较，引水线路引水方式采用重力引水。
恩甲引水隧洞是清水海引水工程（一期）中埋深最大，路线最长的隧洞，全长4759m，无支洞，单工作面长度长，也是工程地质条件相对复杂，施工难度大的隧洞。故整个引水工程（一期）的工期受恩甲引水隧洞施工期控制，因此恩甲引水隧洞是整个工程的关键性和控制性工程。
隧洞基本地质条件
恩甲引水隧洞全长4759m，隧洞流态为无压明流，方圆型，进口底板高程2187.89m，出口底板高程2183.13m。断面尺寸（宽×高）为3.5×3.51m，底坡i为1/1000。恩甲隧洞由进口段、无压洞身段、出口段组成，其进口段连接恩甲渡槽，出口段连接海当渡槽。
恩甲引水隧洞是穿板桥河与新田河一条隧洞，隧洞最大埋深为496m。线路所处较大河流板桥河、新田河发育于清水海北西，岭谷山川呈相间平行分布，属深切割高中山及中切割中山陡坡，两岸地形坡度在30°～50°之间，沟谷溪流较为发育。隧洞沿线地质构造复杂，存在多构造体系交汇。恩甲引水隧洞处于新华夏构造体系中的马街－柯渡街断褶带与嵩明、沧溪入字型构造带叠加部位，主要发育北东向褶皱群―新田复式向斜，断裂少见，其赋水构造属新田复式向斜赋水构造。
0+000～3+240m隧洞通过地段分布的岩层主要为上二叠统峨嵋山组玄武岩(P2β)，隧洞通过地段岩体受构造影响中等，在0+800m有Ⅲ级断层F2，断层破碎带宽5～10m左右，两盘的影响带宽100～120m，对隧洞开挖及围岩稳定较为不利；地下水位在0+080～3+240m洞段高于隧洞底板高程0～364m，在隧洞施工时，会有淋雨状滴水或点滴状滴水。在断层通过洞段，会存在突发涌水。
3+240～3+780m隧洞通过地段分布的岩层为下统阳新组（P1y）灰岩，在3+630m有Ⅲ级断层F3，断层破碎带宽5～10m左右，两盘的影响带宽50～80m，破碎带及影响带较宽，对隧洞开挖及围岩稳定不利；地下水位高于隧洞底板高程86～116m，不会出现岩溶水集中渗漏情况；在F3断层破碎带及影响带内地下水会通过断层向洞内涌水，从而引起洞内大面塌方和掉块。
3+780～3+877m隧洞通过地段分布的岩层有：下统梁山组（P1l）：铝土岩、页岩、粉砂岩夹煤层。发育的主要节理组有3组，其中第1组与第3组裂隙组合，易产生洞顶掉块及小规模塌方；地下水位高于隧洞底板高程77～90m，在隧洞施工时，会有淋雨状滴水或点滴状滴水。
3+877～4+365m隧洞通过地段分布的岩层有：3+877.79～3+996.96m洞段：石炭系下统摆佐组（C1b）：灰岩、角砾状夹白云岩；3+996.96～4+365.19m洞段：泥盆系上统宰格组下段（D3zg1）：白云质灰岩、泥灰岩含砾状灰岩及灰绿色页岩。发育的主要节理组有3组，其中第1组与第3组裂隙组合，易产生洞顶掉块及小规模塌方；地下水位高于隧洞底板高程13～62m。隧洞施工时，一般不会出现岩溶水集中渗漏情况。
4+365～4+759m隧洞通过地段分布的岩层为泥盆系中统海口组（D2h）石英砂岩夹粉砂岩、砂质页岩、白云岩。发育的主要节理组有3组，其中第1组与第3组裂隙组合，易产生洞顶掉块及小规模塌方；地下水位高于隧洞底板高程77～90m。在隧洞施工时，会有滴水或点滴状滴水。
表1恩甲隧洞围岩类别统计表
隧洞 总长度（m） 各类围岩长度（m）
Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ
合计 4759 680.4 2639.8 906.7 532.1
14.3% 55.5% 19.0% 11.2%
隧洞设计
断面设计
恩甲隧洞选用低流速无压隧洞。考虑长期运行影响，混凝土糙率系数略为提高，取n＝0.015。为缩短洞长，降低投资，考虑整个输水线路的水头损失要求，经比较分析，确定隧洞设计纵坡i=1/1000。
根据隧洞围岩分类情况、水力学特性、施工要求、工程投资等因素对隧洞断面形式进行了确定。恩甲隧洞Ⅱ、Ⅲ类围岩所占比例较大，在这类隧洞地段采用各种断面形式结构安全相差不大，而采用方圆型断面，有利于施工，如在Ⅴ类围岩地段采用圆形断面，其衬砌结构受力条件好，但为避免频繁改变后期支护衬砌断面形式，增加水头损失，延长施工工期，给施工造成困难，增大隧洞工程投资，整条隧洞均采用方圆型断面。
针对隧洞过水断面实际过流量变化大的特点，根据不同常遇过流量组合，分别对过水流量为10m3/s、12m3/s、15m3/s进行最佳水力要素及经济实用断面的分析计算，直墙高度根据最大过流量18m3/s确定，并结合施工要求确定隧洞断面尺寸为为3.5×3.51m。
荷载及荷载组合
由于恩甲引水隧洞具有“埋深大、隧洞长、地下水位高”的特点，而隧洞衬砌结构所受荷载中如衬砌自重、内水压力等简单、明确，故设计中对控制性荷载外水压力进行了分析。
（1）外水压力是作用于衬砌上的渗流体积力，隧洞从开挖到衬砌的过程中，衬砌后如采用可靠的排水设施后，不改变衬砌前岩体的渗流场，作用于衬砌上的外水压力是衬砌施工前后由于衬砌的阻水作用造成稳定渗流场力变化的增量值。同时，从结构力学法分析，外水压力作为边界力，其折减系数的大小是与围岩渗透系数和衬砌渗透系数的比值有关，即比值越大，外水压力的折减系数越大，比值越小，外水压力的折减系数越小。因此，外水压力折减系数应根据围岩的地质条件及地下水活动情况、衬砌形式及排水设施的有效性采用工程类比的方法进行确定。
（2）折减系数的确定：根据围岩类别及地下水活动情况、隧洞衬砌形式及排水设施的可靠性以及地质提供的分析成果，恩甲引水隧洞的外水折减系数根据下式确定：
综合折减系数＝β0 α1 α2
其中，β0―规范规定根据围岩的地下水活动情况确定的折减系数；
α1―对开挖前洞轴线所处地表及水文地质条件的分析和通过工程类比确定的修正系数1；
α2―沿隧洞周边钻排水孔时，通过工程类比确定的修正系数2；
表2外水压力折减系数（β0）取值表
隧洞围岩地下水活动状态 建议的β0值(水工隧洞设计规范SL279―2002)
洞壁干燥或潮湿 0～0.2
结构面有渗水或滴水 0.1～0.4
沿裂隙或软弱面有大量滴水、线状流水或喷水 0.25～0.6
严重股状流水，沿软弱面有小量涌水 0.4～0.8
严重滴水或流水，断层等软弱带有大量渗水 0.65～1.00
表3 开挖前洞轴线外水压力修正系数（α1）取值表
隧洞地表及水文地质条件 α1经验值
隧道平行于河谷，另一侧为雄厚山体 0.7―1.0
山脊下的隧道或横穿山体 0.5―0.8
穿孤立山体或半岛形山体隧道 0.3―0.6
岩溶发育山体隧道 0.1―0.5
穿沟谷底或有
承压水地层 穿河谷或沟谷底部时 ＞1（1.0―1.1）
河床下有缓倾角或岸坡较陡时 1.05―1.25
穿有承压水地层时 ＞1外水压力实测
表4沿隧道周边钻排水孔时修正系数（α2）取值表 （D为隧洞直径）
沿洞轴线孔距 D/3 D 2D
沿顶拱布置1排孔 0.3―0.5 0.5―0.7 0.7―0.9
沿洞周布置4排孔 0.15―0.25 0.25―0.35 0.35―0.45
表5 恩甲引水隧洞外水压力综合折减系数成果表
地下水活动情况 Ⅲ类 Ⅳ类 Ⅴ类 劣Ⅴ类
洞壁干燥或潮湿 0～0.04 / / /
结构面有渗水或滴水 0.06 0.1 / /
沿裂隙或软弱面有大量滴水、线状流水或喷水 0.08 0.15～0.18 0.25 /
严重股状流水，沿软弱面有小量涌水 / 0.20 0.3 0.35
严重滴水或流水，断层等软弱带有大量渗水 / / / 0.45
支护衬砌设计
恩甲引水隧洞为无压方圆洞，根据围岩抗渗能力和围岩稳定情况，在衬砌计算中选取不同的设计原则。在引水隧洞Ⅲ类、Ⅳ1类围岩的地段，根据隧洞的裂缝规律，当围岩的渗透性不强时，不存在内水外渗或内水外渗不影响围岩稳定的情况下，对隧洞的衬砌结构计算进行了优化，采用开裂但不限制裂缝宽度的设计方法。计算结果表明，采用非限裂设计在Ⅲ类围岩每米洞段钢筋工程量平均减少20％，在Ⅳ类围岩每米洞段配筋工程量平均减少18％。
在隧洞的Ⅴ类围岩地段，采用了喷锚、管棚等初期支护形式，以维持围岩稳定。为限制围岩长期流变变形，恩甲隧洞的后期支护采用了钢筋混凝土衬砌形式。按照隧洞结构计算方法（破坏拱理论）进行衬砌结构的受力分析，在Ⅴ类围岩的衬砌受力计算中，考虑初期支护措施将承担永久荷载的15％～30％，据此原则进行钢筋砼的衬砌计算，Ⅴ类围岩每米洞段配筋工程量平均减少15％。
隧洞支护衬砌型式见下表：
表3 隧洞支护衬砌型式参数表
围岩类别 初期支护 后期支护
喷C20砼
（mm） 钢筋网 钢拱架 管棚 顶拱、边墙
C20砼（mm） 底板
C20砼（mm）
Ⅱ类围岩 / / / / 边墙250 250
Ⅲ类围岩 50 / / / 350 350
Ⅳ类围岩 80 √ / / 400 400
Ⅴ类围岩 160 √ √ √ 500 700
结语
（1）当外水压力成为隧洞衬砌计算的控制性荷载时，合理选取外水压力折减系数是一项重要的设计工作。
（2）应根据围岩抗渗能力和围岩稳定情况，“因地制宜，区别对待”的选择设计原则，这样的设计成果是合理、经济的。
（3）在地质条件差的围岩洞段，应在衬砌计算受力分析中考虑初期支护承担永久荷载的作用。
作者简介：
戴宏宇：1976年2月，四川省射洪县人，水工工程师，从事水工建筑物设计工作。
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