阿克塔格山输四水隧洞工程设计.doc

阿克塔格山输水隧洞工程设计陈晓东，龙伟（甘肃省水利水电勘测设计研究院，甘肃 兰州730000）    摘  要：阿克塔格山输水隧洞是库尔勒市城市供水工程的关键与控制性分项工程，全长7 170 m，近期日供水量为20万m3，远期日供水量为40万m3，按远期规模一次设计与施工完成。根据供水要求，隧洞为长年不间断供水。为便于运行期的维护检修，在设计中采取在其底板中央设置中隔墙，将横断面一分为二，可以分部通水、分部停水维护检修的方案，工程完工后取得了良好的效果。隧洞横断面尺寸主要由施工及运行要求确定，支护衬砌型式为复合式，按照新奥法（NATM）的基本原则进行设计与施工。    关键词：阿克塔格山输水隧洞；工程地质；总体布置；横断面；支护衬砌；施工1前言    阿克塔格山输水隧洞是新疆维吾尔族自治区巴音郭楞蒙古族自治州首府库尔勒市城市供水工程的关键与控制性分项工程，全长7 170 m，近期日供水量20万m3，远期日供水总量为40万 m3，按远期规模一次设计与施工完成。由于本市再无其它备用水源，因此，要求本隧洞长年不能停水，需连续不间断运行，这与常规的水利水电输水隧洞在运行方式上有所不同。根据这一重要特性，对其横断面按照施工以及运行期的维护与检修要求进行了具有独特性的创意设计，取得了良好效果。2工程地质与水文地质2.1工程区地质概况    隧洞进出口段为阿克塔格山南北两侧山前洪积扇，地形平坦。洞身段阿克塔格山在地貌单元上属天山支脉库鲁克塔格山的余脉，山体呈NW300°320°方向展布，山势北高南低，北段为中低山区，沟谷切割较深，山形陡峻；南段为低山丘陵区；沟道洪积物较不发育。区内无滑坡、崩塌等不良物理地质现象分布，但受大陆性极端气候影响，岩石物理风化剧烈。区内出露的地层有元古界扬吉布拉克组（Pty）变质岩，呈单斜陡倾状，岩层产状为NW300°320°SW 65°75°，局部产生明显挠曲，其中层间错断、层间断裂较为发育，断层带宽一般为35 m，规模均较小，多为压性及压扭性断裂；（4）华里西期花岗侵入岩，主要呈岩墙、岩锥状沿层面和节理裂隙面侵入变质岩中；上第三系葡萄园组泥岩、砂岩及第四系（Q）堆积物，上第三系岩体岩层产状为NE25°30° SE 5°8°。本区地处塔里木地台和天山地槽两个构造单元的复合地段，组成南天山向斜褶皱带的压性结构面均为北西向，区内冲断层、褶皱轴向、岩体长轴方向均呈北西向展布。由于受多期岩浆活动影响，区内褶皱多遭破坏，仅见少量短轴褶皱。工程区地震基本烈度为7度。2.2工程地质条件    隧洞进出口明洞段及连接段表层为厚820 m（plQ3-4）洪积砾砂层，最大砾径5080 mm，一般0.55 mm，级配不良，且稍湿，无胶结，中夹厚0.81.5 m粉土、砂土层。砾砂层天然密度1.851.90g/ cm3，变形模量2025 MPa，允许承载力0.250.35 MPa，天然内摩擦角38°40°；其下伏上第三系粉砂质泥岩，变形模量5090 MPa，允许承载力0.601.20 MPa。隧洞进出口地形平坦，山体稳定，进洞与出洞位置均位于岩石地段，洞外覆盖层可按11.2511.50边坡开挖，并进行防护，可保持稳定。洞身段围岩分类按照国标锚杆喷射混凝土支护设计规范（GBJ8685）围岩分类之原则进行，可分为类：类围岩总长1 505 m，占隧洞总长的24.5%，岩性为(4)华里西期花岗侵入岩；类围岩总长2 380 m，占隧洞总长的38.7%，岩性为（Pty）元古界黑云母斜长片麻岩、花岗片麻岩、条带状混合岩、石英闪长岩等，中夹有白云质大理岩，岩层层间裂隙、层间错断较为发育，局部产生挠曲；类围岩总长485 m，占隧洞总长的7.9 %，岩性以上第三系砖红色巨厚层中砂岩夹粗砂岩为主，包括断层影响带、花岗岩与围岩接触带及部分隧洞浅埋段等；类围岩总长1 780 m，占隧洞总长的28.9%，类围岩段主要为断层破碎带、粉砂质泥岩浅埋段和（Pty）片麻岩全风化层。由此，隧洞洞身硬岩段（类围岩）总长3 885 m，占63.2%；软岩段（类围岩）总长2 265m，占36.8%，洞身段围岩主要以硬岩为主，洞身段各类围岩物理力学参数见表1。2.3水文地质条件    工程区属干旱戈壁气候，大气降水稀少，阿克塔格山基岩裂隙水埋藏较深，山区及隧洞进出口两侧洪积扇均无地下水出露。仅在隧洞进口明洞段与连接段有少量第四系孔隙潜水分布，地下水埋深512 m，水量较小，渗透系数约为50 mL/d，第四纪上层滞水矿化度5 790 mg/L，CO2含量小于15 mg/L，为半咸水，SO4含量3662 170 mg/L，对普通水泥混凝土具有结晶类硫酸盐型弱强腐蚀，上第三系砂质泥岩为隔水层。由于工程区内干旱少雨，大气降水极少，而基岩裂隙水主要补给来源为大气降水，因此，水量较小且埋藏较深，仅在深埋段基岩裂隙密集区可能有少量基岩裂隙水存在。3总体布置    阿克塔格山输水隧洞分项工程主要由洞身段、进出口明洞段与连接段等组成，其中连接段为阀井、进出水池、闸室等单项控制及连接建筑物。分项工程前后均与输水管线相接，其起点桩号40+130 m，终点桩号47+300 m，线路总长7 170 m，其中隧洞长6 150.00 m；进出口明洞段长973.10 m；连接段长46.90 m。在明洞进出口处左右两侧各布置运行期的维护与检修下渠巡检通道，采用斜交布置方式，其中心线与明洞轴线交角为45°，横断面为圆拱直墙型式，净尺寸B×H=2.0 m×2.0 m。为方便运行期洞内的维护与检修行车与错车，在洞身段每隔约1 km，设置双侧错车道，共计5处，采用斜交平洞方式，洞深10 m，成洞断面B×H=1.8 m×1.8 m。4工程设计4.1设计标准及参数     依据工程规模与供水保证率要求等，经综合分析确定阿克塔格山输水隧洞工程级别为 等，属中等工程，其主要建筑物为3级，次要建筑物为4级。输水流量按远期考虑，结合近期，远期设计流量为5.093 m3/s(最大)；近期设计流量2.546 m3/s；最小设计流量1.273 m3/s，依次按一半减小；工程检修时降压供水，其设计流量按近期供水流量的70%考虑，为1.782 m3/s。供水保证率为70%。4.2横断面型式确定    阿克塔格山山体两侧地表为缓坡地形，对此浅埋覆盖层将采用明洞方式穿越。纵断面主要以缩短洞长，降低投资，以及考虑进出口输水管线的高程与连接需要等为主要原则确定设计纵坡为i=1/1 000。国内外隧洞工程实践表明，在类围岩中隧洞采用曲墙断面型式，可以从结构上改善支护衬砌承受外荷载的能力。另外，考虑到在类围岩中，断续不规则的分布有破碎岩体、软弱夹层以及其它局部地质不良地段（局部类），为避免频繁改变二次衬砌断面型式，延长工期，给施工造成困难，隧洞全洞长横断面型式均采用带反拱的三心圆拱曲墙式（马蹄形）。隧洞进出口明洞段洞顶需回填处理，以及考虑两侧高边坡滑塌等影响，使结构承受的上部及两侧松散体所形成的荷载也较大，并考虑施工方便和进度等因素，其横断面型式采用与洞身相同。    隧洞与明洞段长度较大，水流流态为均匀流，其水力学计算方法按常规的均匀流理论与公式进行。经计算在最大输水流量时横断面尺寸为B×H=2.30 m×2.30 m，断面过小，无法满足施工期洞内掘进和支护衬砌的机械设备布置要求，也不能满足运行期的洞内正常维护检修需要，因此，横断面最小尺寸将由施工与运行期的维护检修最小要求尺寸控制。本隧洞为总长6 km以上的长隧洞,施工时必须采用凿岩、装岩以及模注混凝土等机械化作业和轻轨运输，方能满足施工工期要求，其主要凿岩方式为钻爆法，为此，必须架设较大直径的通风除尘风管。另外，考虑到本隧洞为城市生活和工业供水工程，必须具备长年不间断供水的能力，而输水隧洞作为地下工程，在长期运行中，维护与检修是必要的。根据供水要求，当隧洞洞内出现意外事故时，仅允许降压供水，但不能停水。为便于维护检修工作的顺利进行，在完成支护衬砌后的隧洞底板中部位置增设中隔墙，将隧洞横断面一分为二，分部通水，分部停水维护与检修，而从维护检修要求考虑，分部半断面净宽不宜小于1.50 m，中隔墙厚度按结构要求采用200 mm。 综上所述，隧洞支护衬砌后横断面净高主要由施工要求控制。而净宽主要由运行要求控制。为减少洞挖与支护衬砌工程量，并进而降低工程造价，横断面净尺寸取满足施工与运行要求的下限值，据此，经分析论证，可同时满足上述要求的横断面支护衬砌后最小净尺寸为：B×H=3.30 m×3.00 m。其水力计算成果见表2。4.3支护衬砌设计    输水隧洞采用新奥法的原则设计和施工，支护衬砌型式与设计参数依据工程地质勘察成果，并结合已建地下工程，运用工程类比法确定。采用一次支护的喷、锚、网、钢拱架、管棚等联合和二次衬砌模注钢筋混凝土 (或混凝土)的复合式。适用于围岩较差地段的型衬砌中所用钢拱架采用24 kg级轻轨加工制作，为封闭式结构，相邻两榀用小钢管或钢筋连接，使之形成整体，增强其刚度，布置间距为0.81.2 m；钢筋网为6钢筋，网格尺寸200 mm×200 mm。在隧洞进出口段，因洞身埋深浅，围岩较为破碎，裂隙发育，且在进洞与出洞锁口段位置附近，洞身在砾砂与砂质泥岩中穿过。为使掘进能够顺利进行，减少塌方，拟采用管棚法施工。管棚法是在架设钢拱架的基础上快速地通过软岩，以及极软岩洞段和较大断层破碎带的极为有效的施工方法。管棚钢管架设于钢拱架钢轨腹板中部预先设置的孔上，以外倾角7°10°打入围岩，管棚钢管长3 m，直径42 mm，每榀钢拱架设置1720根。根据洞身围岩的实际情况，未设系统锚杆，仅在局部断层破碎带以及其它地质较差地段，设置局部（随机）锚杆，杆体为22螺纹钢筋，型式为长2 m的全长粘结型砂浆锚杆。在地下水出露地段，若地下水对普通混凝土有腐蚀性，将在一次支护和二次衬砌混凝土中使用高抗硫酸盐水泥。按照通常的地下工程结构计算方法普氏理论进行支护衬砌结构的受力分析，在型支护衬砌受力分析中，考虑一次支护措施将承担永久荷载的15%30%，按照此原则，经结构计算，明洞环向布置1422级螺纹受力筋，型二次衬砌仅布置构造筋。对于进口明洞段部分粉细砂地层，采取换填碎石，以干密度2.15 g/cm3控制震动碾压标准。隧洞与明洞横断面型式及支护衬砌设计见图1，技术参数见表3。5施工简况    阿克塔格山隧洞总长约7.1 km (包括明洞)，设计工期26个月，线路长，工期较紧，施工采用招标承包制，从隧洞中部43+730 m处分为进口和出口两个标段进行招标施工。承包商在中标后，根据其施工组织设计，分别增加两个施工辅助斜井，共增加工作面8个，各斜井技术参数见表4。除进口标段1号斜井洞身围岩为软岩（砂岩、砂质泥岩），采用架设钢拱架、喷锚支护外，其余斜井洞身均为硬岩，无支护。隧洞洞身段均按照新奥法（NATM）的基本原则进行施工，开挖掘进采用钻爆法，实施光面爆破，移动式扒渣机（或轮式装渣机）装渣，有轨梭式矿车出渣；一次支护紧跟掌子面；二次衬砌在相近两个工作面之间洞段贯通后进行，采取先拱墙后底板（包括中隔墙）顺序施工，钢模板浇注钢筋混凝土（或混凝土）。6结语    阿克塔格山隧洞为城市供水输水隧洞，需长年不间断通水，为便于运行期的维护检修，在设计中采取在其底板中央设置中隔墙，将横断面一分为二，分部通水，分部停水维护检修的方案。支护衬砌型式根据洞身围岩条件，按照新奥法（NATM），采用一次支护为喷、锚、网、钢拱架、管棚等相结合的联合支护型式，以及二次衬砌模注钢筋混凝土（或混凝土）的复合式。根据运行初期的全洞通水与分部停水运行实践以及进洞检查与试验结果，证明其设计方案完善可靠，效果良好。