榆神供水工程隧洞建設方案探析

紀紅梅

（神木市水利工作隊,陜西 神木 719300）

榆神工業區萬鎮引水工程取水水源為黃河漫灘水和黃河干流地表水,供水對象為榆神工業區清水工業園煤化工生產和園內居民生活用水及園區生態用水[1]。工程穿越黃河、陰會溝、禿尾河之間的黃土梁峁溝壑區,這就需對供水工程隧洞建設方案進行探討。

1 概況

榆神供水工程計劃在黃河右岸神木縣萬鎮上下游西豆峪至界牌19.36 km范圍內修建22眼黃河漫灘水水源井抽取地下水,在黃河右岸神木縣萬鎮上游大約2.3 km的位置修建地表水源泵站提取黃河干流地表水[2],兩部分來水匯集到一級泵站前池,經一級泵站提升后經過隧洞和5級泵站提升,輸送至榆神工業區清水工業園內的清水溝水庫。其中一級泵站至三級泵站之間需采用隧洞輸水方式進行建設。

2 輸水隧洞工程地質條件

2.1 地形、地質條件

區域地質穩定,基巖緩傾角單斜構造。隧洞穿越區域溝谷縱橫,地面侵蝕劇烈,地形極其破碎[3]。隧洞沿線地下水由降水補給,有黃土裂隙水及基巖裂隙水兩種形式。黃土裂隙水級分布于側向排泄條件較差的梁峁中部?；鶐r裂隙水分布于第四系下伏的砂巖風化裂隙,一般含水層厚度10 m～30 m,河谷最深可達50 m。

2.2 隧洞布置的邊界條件

根據工程總體方位,引水隧洞從位于黃河右岸岸坡的一級泵站出水池開始,穿越黃河、陰會溝、禿尾河之間的黃土梁峁溝壑區,沿東南—西北方向輸水至位于禿尾河谷地的三級泵站進水池。因為二期工程增加引用黃河地表水,需要在陰會溝內設置沉沙庫,進口一級泵站選址、陰會溝沉沙庫選址、出口三級泵站選址是隧洞布置的控制節點,隧洞在平面上需平順銜接。

3 隧洞方案分析

隧洞線路起點為萬鎮一級泵站,經過陰會溝二級泵站,目的地為位于禿尾河谷的三級泵站。由于該段隧洞穿越禿尾河左岸的一系列沖溝,其布置需綜合考慮多種因素,為此擬定2個比選方案。

方案一：隧洞以萬鎮一級泵站為起點,到石窯溝三級泵站,總長29.78 km,分兩個部分。其中,第一部分從萬鎮一級泵站至陰會溝二級泵站,共4.23 km,為1#隧洞。1#隧洞洞底高程為841.8 m,以使洞身上覆基巖厚度,延伸約1 km后,隨埋深增加,洞線向西北方向稍作偏折,以便在陰會溝左岸出洞,并與二級泵站銜接。第二部分從陰會溝二級泵站至石窯溝三級泵站,共25.55 km,分為4段,為2#～5#隧洞。第二部分隧洞從二級泵站出水池開始,基本沿直線與石窯溝三級泵站連接,僅在桃柳溝作較小轉折,以渡槽跨越桃柳溝、大柳溝。沿線設渡槽2座、長200 m,倒虹1座,長192 m,引水暗涵1座,長370.87 m。

方案二：隧洞以萬鎮一級泵站為起點,到涼水井三級泵站,總長20.37 km,分兩部分。其中第一部分與方案一一致,長4.23 km,為1#隧洞；第二部分隧洞起點為陰會溝二級泵站出水口,終點為涼水井三級泵站,該段隧洞長約16.14 km,分為3段,為2#～4#隧洞。沿線設倒虹1座,長83 m；渡槽1座,長110 m。

從利用隧洞引水能力增加引用黃河地表水的需要考慮,采用較長的隧洞輸水在總體上有利,為此選擇自一級泵站開始采用引水隧洞至禿尾河左岸的石窯溝口出洞（石窯溝后地面漸高無出洞條件）,洞后設泵站,泵站后敷設壓力管道。如此形成第一布置方案。該方案屬于長隧洞短管道方案,并且輸水線路基本為直線,屬于距離最短方案。雖然方案一較方案二總長較長,但是引水量和引水安全性要比方案二好,綜合建設條件,建議選擇方案一隧洞建設方案。

4 隧洞設計

隧洞為引水線路上關鍵建筑物,建筑物級別為3級。

4.1 隧洞斷面型式

隧洞穿越區域地質構造簡單,圍巖基本穩定,地下水補給微弱,采取排水措施后地下水作用水頭較小,隧洞斷面主要受施工控制,尺寸規模較小,隧洞斷面型式擬定在保證結構合理的前提下,應盡可能方便施工。參照類似工程經驗,擬定城門洞型和平底馬蹄型兩種斷面進行比較。

4.2 斷面尺寸

本工程一期設計流量是2.3 m3/s,按一般隧洞設計流速1.5 m/s～2.0 m/s判斷,過水斷面面積僅需1.1 m2～1.5 m2,顯然隧洞斷面尺寸主要受施工要求控制；二期工程實施后設計流量是6.8 m3/s,加大流量是8.0 m3/s,所需過水斷面面積為4 m2～5.3 m2,隧洞斷面與施工控制斷面接近。確定隧洞斷面尺寸,需對施工布置及遠期增加過水能力進行權衡。

4.2.1 考慮施工布置的斷面尺寸

根據隧洞布置結果,各段隧洞長度見表1,利用天然出露條件適當設置支洞,可使每個掘進工作面的最大距離控制在2km以內。隧洞穿越巖層主要為砂巖、泥巖,構造裂隙不發育,隧洞開挖后圍巖基本穩定,適合鉆爆法施工。

表1 方案一隧洞長度統計表

按照鉆爆法施工方式,對兩種型式的隧洞施工斷面布置,擬定斷面尺寸。施工布置考慮的主要因素有：為節省斷面尺寸并降低通風要求,施工運輸采用600軌道礦車,采用500 mm直徑軟風管,礦車與側面設備和風管的凈距分別取30 cm和20 cm。

滿足施工布置要求的有兩種斷面,其斷面輪廓尺寸為：城門洞型斷面2.64 m×2.64 m；平底馬蹄形,寬2.7 m,高2.7 m,該尺寸是滿足施工運輸需要的隧洞凈尺寸?？紤]隧洞斷面較小,圍巖在采取錨噴措施后可滿足施工期穩定要求,以噴層厚度10 cm考慮。兩種斷面型式的施工布置見圖1,控制斷面面積特征見表2。

圖1 施工布置圖

表2 施工控制斷面與襯砌隧洞斷面比較 單位：m2

隧洞斷面得到充分利用,過水面積占85%時,城門洞型斷面水力要素為：濕周5.68 m,水力半徑0.6725,取糙率為0.014,C=1/n·R1/6=66.86,（α=111°,凈空高70 cm,馬蹄形與之接近）。隧洞比降1∶1000時,最大過水能力為6.62 m3/s,小于二期8.0 m3/s。

4.2.2 考慮二期過水要求的斷面尺寸

要滿足二期通過8.0 m3/s流量,經試算在比降為1∶750～1∶2000時,襯砌隧洞凈斷面需擴大為2.4 m×2.4 m～2.9 m×2.9 m,（隧洞比降1∶1500,襯砌隧洞凈斷面為2.7m×2.7 m,開挖斷面3.5 m×3.5 m）。

4.2.3 斷面形式比較

對兩種斷面比較見表2。

馬蹄形斷面的開挖、支護及襯砌工程量均較小,且與城門洞斷面比較,爆破成型及受力條件相對更好,推薦采用平底馬蹄形斷面。

4.3 比降選擇

隧洞比降不同,將引起隧洞斷面尺寸、泵站揚程及工程運行費用的變化。為此針對不同比降下的隧洞斷面結構尺寸、工程量及運行費變化情況進行分析,見表3。

表3 不同尺寸隧洞比較表

當比降為1∶750時,過水流量8.0 m3/s的斷面接近施工控制斷面,所以1∶750為比較的最陡比降。

方案一隧洞總長度29784 m,比降從1∶750減緩到1∶2000引起泵站凈揚程的變化量分別為10.23 m、10.23 m和5.12 m,按泵站綜合效率74%,每米揚程變化引起的單方水用電量變化為0.0037 kW·h。經綜合比較工程投資及運行費變化情況,本階段推薦采用比降1∶1500。

4.4 隧洞水力計算

按比降i=1∶1500,糙率n=0.014,對平底馬蹄形斷面,計算出不同流量下的隧洞水深見表4。

表4 不同流量下隧洞水深情況表

4.5 隧洞結構設計

根據隧洞線路布置情況,包含支洞在內的隧洞施工分段長度不大于4.5 km,適合采用鉆爆法施工。按洞線布置結果,絕大多數洞段置于基巖內,洞頂以上基巖厚度大于4倍洞徑。在穿劉魯則溝處,隧洞埋深小于2倍洞徑,設置1段過溝暗涵。

4.5.1 正常埋深洞段

（1）支護設計

考慮隧洞斷面較小,對大部分圍巖基本穩定的Ⅲ類圍巖洞段,采用長2 m的Φ16鋼筋錨桿,間距1 m。噴混凝土厚度10 cm。對位于Ⅳ、Ⅴ類圍巖隧洞進出口段、位于黃土中的洞段,采取注漿管棚進行超前支護,管棚支護范圍為洞頂180°拱頂部,超前鋼管間距30 cm；噴C20混凝土10 cm,錨桿用長2 m、間距1 m、Φ16砂漿鋼筋錨桿；采取鋼架支撐,鋼架用工16型鋼制作,鋼架腳部設2根鎖腳錨桿。

（2）二次襯砌

為降低糙率滿足過水要求,對全斷面進行混凝土襯砌,Ⅲ類圍巖洞段襯砌厚度30 cm。進出口段及Ⅳ、Ⅴ類圍巖洞段,襯砌厚40 cm。綜合考慮強度及耐久性要求,選用襯砌混凝土標號為C25F200W6,工程所在地屬寒冷地區,洞口段200 m范圍內抗凍標號采用F300。

工程區地下水補給量少,圍巖隔水性好,不存在洞水外滲問題。隧洞襯砌按允許裂縫設計。隧洞襯砌僅配置構造筋。輸水工程線路通過的禿尾河支溝、沖溝地表水及地下水水質良好,大部分對混凝土結構無腐蝕性,在干濕交替作用的環境條件下,對鋼筋混凝土中鋼筋具弱腐蝕性,對鋼結構具弱腐蝕性。

4.5.2 淺埋明涵段

劉魯則溝有兩處位置,洞頂高程略低于溝底,采用明洞過溝方案。為便于銜接,明洞斷面內輪廓與隧洞相同,洞身采用40 cm厚現澆鋼筋混凝土。明洞基槽開挖至弱風化巖層,然后用素混凝土回填至洞底以下40 cm?；坶_挖寬度較洞壁外側擴大1 m,覆蓋層開挖邊坡1∶1,基巖開挖邊坡1∶0.75。開挖坑槽回填至洞頂,洞頂以上采用M7.5漿砌石防護。明洞段兩端延伸至完整基巖穩定岸坡處直接與正常段隧洞銜接,不設明口。

5 結語

引水隧洞線路選擇要根據地質、施工條件,優先保障引水量和引水安全。經過分析探討,榆神供水隧洞要考慮二期引水工程,進口一級泵站和出口三級泵站比降平順銜接。經綜合分析,供水線路選擇方案一,斷面采用平底馬蹄形斷面,隧洞比降選擇1∶1500,施工采用鉆爆法。圍巖洞段采用長2 m的Φ16鋼筋錨桿,黃土洞段采取注漿管棚進行超前支護,對全斷面進行混凝土襯砌,可為為工程建設實施提供科學依據。