榆神供水工程隧洞建设方案探析

纪红梅

（神木市水利工作队,陕西 神木 719300）

榆神工业区万镇引水工程取水水源为黄河漫滩水和黄河干流地表水,供水对象为榆神工业区清水工业园煤化工生产和园内居民生活用水及园区生态用水[1]。工程穿越黄河、阴会沟、秃尾河之间的黄土梁峁沟壑区,这就需对供水工程隧洞建设方案进行探讨。

1 概况

榆神供水工程计划在黄河右岸神木县万镇上下游西豆峪至界牌19.36 km范围内修建22眼黄河漫滩水水源井抽取地下水,在黄河右岸神木县万镇上游大约2.3 km的位置修建地表水源泵站提取黄河干流地表水[2],两部分来水汇集到一级泵站前池,经一级泵站提升后经过隧洞和5级泵站提升,输送至榆神工业区清水工业园内的清水沟水库。其中一级泵站至三级泵站之间需采用隧洞输水方式进行建设。

2 输水隧洞工程地质条件

2.1 地形、地质条件

区域地质稳定,基岩缓倾角单斜构造。隧洞穿越区域沟谷纵横,地面侵蚀剧烈,地形极其破碎[3]。隧洞沿线地下水由降水补给,有黄土裂隙水及基岩裂隙水两种形式。黄土裂隙水级分布于侧向排泄条件较差的梁峁中部。基岩裂隙水分布于第四系下伏的砂岩风化裂隙,一般含水层厚度10 m～30 m,河谷最深可达50 m。

2.2 隧洞布置的边界条件

根据工程总体方位,引水隧洞从位于黄河右岸岸坡的一级泵站出水池开始,穿越黄河、阴会沟、秃尾河之间的黄土梁峁沟壑区,沿东南—西北方向输水至位于秃尾河谷地的三级泵站进水池。因为二期工程增加引用黄河地表水,需要在阴会沟内设置沉沙库,进口一级泵站选址、阴会沟沉沙库选址、出口三级泵站选址是隧洞布置的控制节点,隧洞在平面上需平顺衔接。

3 隧洞方案分析

隧洞线路起点为万镇一级泵站,经过阴会沟二级泵站,目的地为位于秃尾河谷的三级泵站。由于该段隧洞穿越秃尾河左岸的一系列冲沟,其布置需综合考虑多种因素,为此拟定2个比选方案。

方案一：隧洞以万镇一级泵站为起点,到石窑沟三级泵站,总长29.78 km,分两个部分。其中,第一部分从万镇一级泵站至阴会沟二级泵站,共4.23 km,为1#隧洞。1#隧洞洞底高程为841.8 m,以使洞身上覆基岩厚度,延伸约1 km后,随埋深增加,洞线向西北方向稍作偏折,以便在阴会沟左岸出洞,并与二级泵站衔接。第二部分从阴会沟二级泵站至石窑沟三级泵站,共25.55 km,分为4段,为2#～5#隧洞。第二部分隧洞从二级泵站出水池开始,基本沿直线与石窑沟三级泵站连接,仅在桃柳沟作较小转折,以渡槽跨越桃柳沟、大柳沟。沿线设渡槽2座、长200 m,倒虹1座,长192 m,引水暗涵1座,长370.87 m。

方案二：隧洞以万镇一级泵站为起点,到凉水井三级泵站,总长20.37 km,分两部分。其中第一部分与方案一一致,长4.23 km,为1#隧洞；第二部分隧洞起点为阴会沟二级泵站出水口,终点为凉水井三级泵站,该段隧洞长约16.14 km,分为3段,为2#～4#隧洞。沿线设倒虹1座,长83 m；渡槽1座,长110 m。

从利用隧洞引水能力增加引用黄河地表水的需要考虑,采用较长的隧洞输水在总体上有利,为此选择自一级泵站开始采用引水隧洞至秃尾河左岸的石窑沟口出洞（石窑沟后地面渐高无出洞条件）,洞后设泵站,泵站后敷设压力管道。如此形成第一布置方案。该方案属于长隧洞短管道方案,并且输水线路基本为直线,属于距离最短方案。虽然方案一较方案二总长较长,但是引水量和引水安全性要比方案二好,综合建设条件,建议选择方案一隧洞建设方案。

4 隧洞设计

隧洞为引水线路上关键建筑物,建筑物级别为3级。

4.1 隧洞断面型式

隧洞穿越区域地质构造简单,围岩基本稳定,地下水补给微弱,采取排水措施后地下水作用水头较小,隧洞断面主要受施工控制,尺寸规模较小,隧洞断面型式拟定在保证结构合理的前提下,应尽可能方便施工。参照类似工程经验,拟定城门洞型和平底马蹄型两种断面进行比较。

4.2 断面尺寸

本工程一期设计流量是2.3 m3/s,按一般隧洞设计流速1.5 m/s～2.0 m/s判断,过水断面面积仅需1.1 m2～1.5 m2,显然隧洞断面尺寸主要受施工要求控制；二期工程实施后设计流量是6.8 m3/s,加大流量是8.0 m3/s,所需过水断面面积为4 m2～5.3 m2,隧洞断面与施工控制断面接近。确定隧洞断面尺寸,需对施工布置及远期增加过水能力进行权衡。

4.2.1 考虑施工布置的断面尺寸

根据隧洞布置结果,各段隧洞长度见表1,利用天然出露条件适当设置支洞,可使每个掘进工作面的最大距离控制在2km以内。隧洞穿越岩层主要为砂岩、泥岩,构造裂隙不发育,隧洞开挖后围岩基本稳定,适合钻爆法施工。

表1 方案一隧洞长度统计表

按照钻爆法施工方式,对两种型式的隧洞施工断面布置,拟定断面尺寸。施工布置考虑的主要因素有：为节省断面尺寸并降低通风要求,施工运输采用600轨道矿车,采用500 mm直径软风管,矿车与侧面设备和风管的净距分别取30 cm和20 cm。

满足施工布置要求的有两种断面,其断面轮廓尺寸为：城门洞型断面2.64 m×2.64 m；平底马蹄形,宽2.7 m,高2.7 m,该尺寸是满足施工运输需要的隧洞净尺寸。考虑隧洞断面较小,围岩在采取锚喷措施后可满足施工期稳定要求,以喷层厚度10 cm考虑。两种断面型式的施工布置见图1,控制断面面积特征见表2。

图1 施工布置图

表2 施工控制断面与衬砌隧洞断面比较 单位：m2

隧洞断面得到充分利用,过水面积占85%时,城门洞型断面水力要素为：湿周5.68 m,水力半径0.6725,取糙率为0.014,C=1/n·R1/6=66.86,（α=111°,净空高70 cm,马蹄形与之接近）。隧洞比降1∶1000时,最大过水能力为6.62 m3/s,小于二期8.0 m3/s。

4.2.2 考虑二期过水要求的断面尺寸

要满足二期通过8.0 m3/s流量,经试算在比降为1∶750～1∶2000时,衬砌隧洞净断面需扩大为2.4 m×2.4 m～2.9 m×2.9 m,（隧洞比降1∶1500,衬砌隧洞净断面为2.7m×2.7 m,开挖断面3.5 m×3.5 m）。

4.2.3 断面形式比较

对两种断面比较见表2。

马蹄形断面的开挖、支护及衬砌工程量均较小,且与城门洞断面比较,爆破成型及受力条件相对更好,推荐采用平底马蹄形断面。

4.3 比降选择

隧洞比降不同,将引起隧洞断面尺寸、泵站扬程及工程运行费用的变化。为此针对不同比降下的隧洞断面结构尺寸、工程量及运行费变化情况进行分析,见表3。

表3 不同尺寸隧洞比较表

当比降为1∶750时,过水流量8.0 m3/s的断面接近施工控制断面,所以1∶750为比较的最陡比降。

方案一隧洞总长度29784 m,比降从1∶750减缓到1∶2000引起泵站净扬程的变化量分别为10.23 m、10.23 m和5.12 m,按泵站综合效率74%,每米扬程变化引起的单方水用电量变化为0.0037 kW·h。经综合比较工程投资及运行费变化情况,本阶段推荐采用比降1∶1500。

4.4 隧洞水力计算

按比降i=1∶1500,糙率n=0.014,对平底马蹄形断面,计算出不同流量下的隧洞水深见表4。

表4 不同流量下隧洞水深情况表

4.5 隧洞结构设计

根据隧洞线路布置情况,包含支洞在内的隧洞施工分段长度不大于4.5 km,适合采用钻爆法施工。按洞线布置结果,绝大多数洞段置于基岩内,洞顶以上基岩厚度大于4倍洞径。在穿刘鲁则沟处,隧洞埋深小于2倍洞径,设置1段过沟暗涵。

4.5.1 正常埋深洞段

（1）支护设计

考虑隧洞断面较小,对大部分围岩基本稳定的Ⅲ类围岩洞段,采用长2 m的Φ16钢筋锚杆,间距1 m。喷混凝土厚度10 cm。对位于Ⅳ、Ⅴ类围岩隧洞进出口段、位于黄土中的洞段,采取注浆管棚进行超前支护,管棚支护范围为洞顶180°拱顶部,超前钢管间距30 cm；喷C20混凝土10 cm,锚杆用长2 m、间距1 m、Φ16砂浆钢筋锚杆；采取钢架支撑,钢架用工16型钢制作,钢架脚部设2根锁脚锚杆。

（2）二次衬砌

为降低糙率满足过水要求,对全断面进行混凝土衬砌,Ⅲ类围岩洞段衬砌厚度30 cm。进出口段及Ⅳ、Ⅴ类围岩洞段,衬砌厚40 cm。综合考虑强度及耐久性要求,选用衬砌混凝土标号为C25F200W6,工程所在地属寒冷地区,洞口段200 m范围内抗冻标号采用F300。

工程区地下水补给量少,围岩隔水性好,不存在洞水外渗问题。隧洞衬砌按允许裂缝设计。隧洞衬砌仅配置构造筋。输水工程线路通过的秃尾河支沟、冲沟地表水及地下水水质良好,大部分对混凝土结构无腐蚀性,在干湿交替作用的环境条件下,对钢筋混凝土中钢筋具弱腐蚀性,对钢结构具弱腐蚀性。

4.5.2 浅埋明涵段

刘鲁则沟有两处位置,洞顶高程略低于沟底,采用明洞过沟方案。为便于衔接,明洞断面内轮廓与隧洞相同,洞身采用40 cm厚现浇钢筋混凝土。明洞基槽开挖至弱风化岩层,然后用素混凝土回填至洞底以下40 cm。基槽开挖宽度较洞壁外侧扩大1 m,覆盖层开挖边坡1∶1,基岩开挖边坡1∶0.75。开挖坑槽回填至洞顶,洞顶以上采用M7.5浆砌石防护。明洞段两端延伸至完整基岩稳定岸坡处直接与正常段隧洞衔接,不设明口。

5 结语

引水隧洞线路选择要根据地质、施工条件,优先保障引水量和引水安全。经过分析探讨,榆神供水隧洞要考虑二期引水工程,进口一级泵站和出口三级泵站比降平顺衔接。经综合分析,供水线路选择方案一,断面采用平底马蹄形断面,隧洞比降选择1∶1500,施工采用钻爆法。围岩洞段采用长2 m的Φ16钢筋锚杆,黄土洞段采取注浆管棚进行超前支护,对全断面进行混凝土衬砌,可为为工程建设实施提供科学依据。