引汉济渭二期工程黄午隧洞断面选型分析

雒少江，雷升云

（陕西省引汉济渭工程建设有限公司，陕西 西安710100）

我国水资源总量丰富，但时空分布极不均匀，区域性缺水严重，水资源短缺已经成为制约区域经济发展的重要因素，引调水工程是解决水资源分布不平衡、实现优化配置的有效途径，输水隧洞作为引调水工程中最重要的水工建筑物，其优化设计对工程建设具有重要意义。在输水隧洞的设计过程中，合理选择隧洞断面形式，对保证结构围岩稳定和长期安全运行均有举足轻重的作用。原先凡等［1］基于数值模拟分析研究了隧洞断面尺寸对深、浅埋隧洞围岩稳定性的影响。霍香丽等［2］以引黄入洛工程为背景，从工程适宜性和优缺点方面出发确定了隧洞断面形式。黄康鑫等［3］通过对滇中引水工程不同隧洞断面形式的结构受力计算，研究了高地应力条件下隧洞断面形式的合理选择。张传健等［4］通过对南水北调中线工程穿黄隧洞的研究总结，从受力条件的角度介绍了隧洞结构形式比选的相关成果。赵鹏博［5］从水力参数设计、施工方法、工程量及工程投资等方面对某在建输水隧洞城门洞形和马蹄形两种不同设计断面进行了综合分析比选。

本文以引汉济渭二期工程黄午隧洞为背景，结合数值计算方法从结构受力、过流能力及工程施工条件等方面对3种断面形式综合比选，分析了各断面形式的结构受力特性，最终确定了符合工程实际的合理断面形式。

1 工程概况

陕西省引汉济渭工程是陕西省境内一项跨流域调水工程，也是关系陕西未来经济社会发展的战略性工程。该工程从陕南汉江流域调水至关中渭河流域，向关中渭河沿岸的重要城市、县城、工业园区供水，缓解关中地区严重缺水问题，替代超采的地下水、逐步退还挤占的农业与生态用水，改善渭河流域的生态环境状况，促进区域经济社会可持续发展。引汉济渭二期工程是连接水源与用水户的桥梁和纽带，通过修建黄池沟配水枢纽、输水南干线、北干线及配水支线工程，实现将引汉济渭工程调入黄池沟的水量输送到关中地区渭河沿岸各受水点。

黄午隧洞是南干线骨干工程，全长69.2 km，其中桩号0+000—65+900段位于秦岭北麓中低山区，末端65+900—69+200段位于山前洪积扇区。沿线通过地层主要为第四系冲洪积黏质黄土、砂卵石层、云母片岩、云母石英片岩、绿片岩、片麻岩、大理岩及花岗岩等。施工范围内洞室通过约44 km的片岩地段，局部为绿片岩、炭质片岩、绢云母片岩夹大理岩夹层，规律性差，岩质较为软弱，施工中可能产生较大坍塌及软岩塑性大变形；洞室通过约21 km的花岗岩段，岩质坚硬，完整性较好，洞室埋深较大部位多干燥贫水，施工中可能发生岩爆。

黄午隧洞范围内:Ⅱ类围岩段长3 300 m，约占4.77%；Ⅲ类围岩段长33 150 m，约占47.90%；Ⅳ类围岩段长22 600 m，约占32.66%；Ⅴ类围岩段长1 015 m，约占14.67%。发育有21条断层，其中有1条区域性大断层及20条次一级断层，个别断层破碎带较宽，其间夹有断层泥砾带，施工中可能产生围岩失稳、软岩塑性大变形及突涌水。

因此，在这样复杂地质条件下选择合理的断面形式尤为重要。

2 断面拟定

黄午隧洞为明流洞，主洞埋深16～650 m，辅助坑道设置较为容易，设计中推荐采用钻爆法施工。钻爆法可供选择的断面形式主要有圆拱直墙形、马蹄形和圆形。圆形断面受力条件好，但圆形断面对施工运输影响较大，施工困难，在该隧洞为无压明流的情况下不考虑采用；圆拱直墙形缺点是受力条件较差，优点是施工条件较好，我国已建引大入秦工程26＃隧洞以及湖南省临澧县青山水轮泵站灌区总干渠冉铺湾隧洞等均采用了圆拱直墙形断面［6-7］；马蹄形断面受力条件及过流条件较好，但弧形仰拱对施工运输有一定影响，目前在建秦岭特长输水隧洞在设计中采用了马蹄形断面［8］。

根据引汉济渭二期工程沿线分水口总体布局，桩号0+33.1—41+487段设计流量为47 m3/s，桩号41+487—69+200段设计流量为30 m3/s，本文主要针对桩号0+33.1—41+487段进行断面比选。设计过水流量为47 m3/s情况下，拟定的圆拱直墙形断面内轮廓尺寸为5.05 m×6.2 m（宽×高），拟定的马蹄形断面内轮廓尺寸为5.8 m×5.8 m（宽×高，不同断面内轮廓圆弧的半径为8.70 m），拟定的平底马蹄形断面内轮廓尺寸为5.96 m×5.58 m（宽×高，不同断面内轮廓圆弧的半径为8.94 m），见图1。

图1 断面尺寸（单位:cm）

3 断面比选

针对拟定的3种断面，分别从过流条件、结构安全、施工条件等方面进行比较。

3.1 过流能力

从国内规范、工程类比和引汉济渭一期工程设计情况多方面综合分析，确定二期工程黄午隧洞段设计净空比不小于20%。根据《水力计算手册》［9］，由水力学计算公式求得黄午隧洞底坡为缓坡，水流流态为缓流，洞身水流为均匀流，因此按明渠均匀流计算拟定断面的过流能力，拟定的圆拱直墙形、马蹄形、平底马蹄形断面水力计算结果见表1。

表1 各断面水力计算结果

可以看出，3种断面满足设计流量时，净空比均大于20%，其中平底马蹄形断面的净空比最大，其过流能力较优，马蹄形断面次之，圆拱直墙形断面较差，但总体而言，3种断面净空比相近，且均满足规范要求，可以保证隧洞明流过流。

3.2 结构受力

3.2.1 有限元计算

对3种断面采用Midas GTS NX有限元分析软件进行计算比较，本计算采用荷载-结构模型，衬砌结构采用梁单元来模拟，各断面按一致的单元数划分网格，各单元号从拱顶开始按顺时针一次排列；荷载按最不利的检修期工况来计算，选取典型Ⅳ级围岩的衬砌结构进行计算，Ⅳ级围岩地层参数见表2。衬砌采用C30混凝土，厚度为40 cm，重度24 kN/m3，弹性模量30 GPa，泊松比0.167。

表2 Ⅳ级围岩地层参数

3.2.2 荷载计算

黄午隧洞埋深较大，其围岩压力按深埋隧洞计算，根据《水工隧洞设计规范》［10］，其作用在衬砌上的围岩压力计算式为

水平方向围岩压力为

式中:qv、qh分别为垂直方向、水平方向的围岩压力，Pa；γR为岩体重度，kN/m3；b为隧洞开挖宽度，m；h为隧洞开挖高度，m。

外水压力是影响结构安全的重要因素，但外水压力受围岩的渗透系数、岩层结构、地质构造、渗流类型、衬砌形式、补给水源、排水或出水点等因素影响，很难准确确定。目前，衬砌外水压力的确定方法主要有折减系数法、理论计算法和数值分析法。黄午隧洞位于地下水位以下，水文地质条件复杂，边界条件不易确定，且黄午隧洞设计中采用了排堵结合的措施，在隧洞拱顶设置排水孔，在隧洞壁后有注浆圈堵水，因此主要结合引汉济渭一期工程秦岭隧洞的设计及施工经验，利用工程类比的方法确定作用于衬砌上的最大外水压力按7 m水头计算。

3.2.3 结果分析

计算中采用相同的材料及地层参数和相同的荷载计算方法，以确定在同一条件下3种断面结构受力的优劣。各断面计算所得轴力、弯矩及变形结果见图2，轴力方向受拉为正、受压为负，弯矩内侧受拉为正。

图2 3种断面内力云图

可以看出，3种断面轴力最大处均位于拱角位置，最小轴力均发生于拱顶位置，且圆拱直墙形断面的最大轴力最大，平底马蹄形次之，马蹄形断面最小；对于3种断面的最大弯矩，圆拱直墙形最大弯矩位于拱角处，平底马蹄形和马蹄形断面的位于底板中心，且圆拱直墙形断面的最大弯矩最大，平底马蹄形次之，马蹄形断面最小；从变形来看，圆拱直墙形断面一般发生于拱腰处，而马蹄形断面和平底马蹄形断面均发生于底板处。

为直观比较3种断面的受力特性，根据《铁路隧道设计规范》中安全验算相关规定［11］，素混凝土和砌体矩形截面中心及偏析受压构件的抗压强度满足:

式中:K为安全系数，查表取施工阶段强度检算控制值，抗拉控制值Kt为2.7，抗压控制值Kc为1.8；N为轴力，MN；Ra为混凝土抗压极限强度；b为截面的宽度；h为截面厚度；φ为构件的纵向弯曲系数，对于隧道衬砌、明洞拱圈及墙背紧密回填的边墙，其取1；α为轴向力的偏心影响系数。

针对上述3种断面的内力计算结果，提取断面各单元的轴力和弯矩数据，对素混凝土衬砌的安全系数进行检算，以各断面梁单元的单元号为横坐标，得到3种断面的安全系数（见图3）。

图3 3种断面安全系数比较

可以看出，马蹄形断面受力条件最佳，其安全系数明显大于圆拱直墙形断面和平底马蹄形断面，而圆拱直墙形断面和平底马蹄形断面的安全系数范围非常接近。同时可以看出，3种断面在拱底和拱脚处的受力均不佳，安全系数均较小，圆拱直墙形断面除拱底和拱脚受力较差外，拱腰处的受力也较差，因此其安全系数处于低值区的占比较高。总体来说，从结构受力条件上比较分析，马蹄形断面最优，平底马蹄形断面和圆拱直墙形断面相对稍差。

3.3 施工条件

从施工条件分析，马蹄形断面弧形底面不便于施工运输，而平底马蹄形断面改进了底面形式，与圆拱直墙形断面的底板一样，均为水平，便于施工运输，有利于缩短工期。从变形分析，圆拱直墙形断面变形发生于拱腰处，而马蹄形断面和平底马蹄形断面均发生于底板处，而底板变形不利于施工运输。

黄午隧洞采用钻爆法开挖，隧洞衬砌都采用钢模台车，洞内用混凝土泵入仓浇筑，3种断面在施工工艺上基本相同。断面轮廓开挖及衬砌混凝土浇筑时，圆拱直墙形断面最方便，平底马蹄形断面次之，马蹄形断面受底拱影响最为复杂；施工运输方面，底板水平的圆拱直墙形与平底马蹄形断面区别不大，均优于马蹄形断面。总体而言，圆拱直墙形断面施工条件最优，施工进度相对较快。此外，《水工隧洞设计规范》也指出，无压隧洞推荐采用圆拱直墙形断面，引大入秦工程采用圆拱直墙形断面取得了良好效果，这些相关规范和成功的工程实例均可为该工程的设计提供参考和借鉴。

4 结 论

本文以引汉济渭二期工程引水隧洞为背景，针对黄午隧洞拟定3种断面进行综合比选分析，通过水力计算得出3种断面均满足过流要求，求得同一流量条件下3种断面净空比相差不大。通过数值计算对3种断面的衬砌结构进行受力计算，绘制出每个断面的单元安全系数图，表明马蹄形断面的受力条件最佳，圆拱直墙形断面和平底马蹄形断面的受力条件相差不大且都较马蹄形断面差。通过施工条件方面的综合分析表明，圆拱直墙形断面施工条件最好，施工进度最快，从方便施工和控制工期角度分析，充分考虑施工的便捷性的同时其过流能力和结构受力均满足工程要求。综上，圆拱直墙形断面在施工条件方面具有独特的优势，且在结构受力和过流能力方面虽不是最优，但其效果与另外两种断面颇为相近，因此推荐选用圆拱直墙形断面。