施工因素在小断面水工隧洞设计中的应用研究

摘 要：本文主要介绍奉节县草坪河水库输水工程中输水隧洞横断面的确定方法，除了考虑传统的设计过流能力外，还需考虑了施工条件对隧洞断面尺寸的影响；综合分析后，合理选择了隧洞断面尺寸，为后期隧洞安全、快速施工创造条件。对类似小断面水工隧洞设计提供参考。

关键词：施工因素；小断面；水工隧洞设计；应用研究

中图分类号：TV554 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）24-0132-02

引 言

目前，隧洞工程为水利、交通、矿洞工程和其它相关工程的组成部分，发挥着重要的作用[1]。传统的水工隧洞设计对隧洞横断面尺寸的选取主要考虑设计过流能力的要求，当引水流量较小时，一般选取最小设计断面，对施工因素的考虑较少，对后期施工不利。奉节县草坪河水库工程输水隧洞在设计过程中不仅考虑了设计过流能力对隧洞横断面的要求，还对施工因素进行了综合考虑，为隧洞安全、快速施工创造条件。

1 工程概况

草坪河水库位于重庆市奉节县竹园镇草坪村草坪河中游的铁厂沟河段。地理坐标为东经109°15′～109°30′，北纬31°15′～31°25′。水库总库容1113万m3；设计灌溉面积7.4769万亩，草坪河水库承担灌溉面积5.2295万亩，其中分担青莲溪水库灌区灌面4.5263万亩、新增草坪河水库灌区0.7032万亩。工程规模为中型，水库工程等别属Ⅲ等，混凝土挡水坝、溢流坝及取水塔为3级，坝后电站、草坪河底拦栅坝、碓房沟底拦栅坝、碓房沟箱涵、无压引水隧洞为4级；临时建筑物为5级。

无压引水隧洞线路总长8400m，进口底板高程682.50m，出口底板高程665.70m，比降1/500，设计引水流量为4.41～6.08m3/s。输水工程引水隧洞（草坪河-碓房沟）段长950.00m，采用拱涵穿越碓房沟，长20.0m；（碓房沟-竹园河-青莲溪水库）段长7430m，后接8m长渠道流入青莲溪水库。

2 隧洞横断面初定

无压水工引水隧洞设计主要通过水力计算考虑设计过流能力对横断面大小的需求。

隧洞水力学计算首先应进行长短洞的判别，根据相关规范规定，当0

无压引水隧洞断面尺寸从施工运输、通风排气角度考虑，调查类比同类工程确定，分别为1.8m×2.2m、1.9m×2.3m（宽×高），水力计算成果见表1。

3 隧洞施工方法简介

无压引水隧洞总长8400m，其中II类围岩长960.0m，Ⅲ类围岩长2659.0m，Ⅳ类围岩长3193.50m，Ⅴ类围岩长1567.50m。对于Ⅱ、Ⅲ类围岩首先采用喷C20混凝土（厚100）进行支护，对于Ⅲ类围局部不良段采用随机锚杆[M30？准25砂浆（L=2）]支护；衬砌采用整体式结构。顶拱、边墙及底板为C15混凝土，衬砌厚度0.25m，对顶拱120°范围内进行回填灌漿处理；对于Ⅳ类围岩围岩首先采用挂网（？准8@200）喷护（喷10cmC20混凝土）进行支护，同时采用M30砂浆系统锚杆？准25（L=2，间排拒为1.0m）支护；衬砌采用整体式结构。顶拱、边墙及底板为C20钢筋混凝土，衬砌厚度0.25m，对顶拱120°范围内进行回填灌浆处理。对于Ⅴ类围岩及隧洞进出口段首先采用16#工字钢支护，同时采用M30砂浆系统锚杆？准25（L=2，间排拒为1.0m）支护；衬砌采用整体式结构，衬砌材料为C20钢筋混凝土，衬砌厚度0.3m。对顶拱120°范围内进行回填灌浆处理，对突水、松散煤层等采用固结灌浆处理，入岩深2m，间排距2m，梅花型布置。

隧洞掘进采用钻爆法施工，因隧洞断面较小，推荐采用光面爆破，全断面开挖。开挖采用YT28型风动凿岩机钻孔，人工装药爆破。洞挖石渣均采用扒渣机装渣，1t机动翻斗车运至相应弃渣场。引水隧洞断面较小，采用全断面开挖施工，周边光面爆破。爆破后采用压入式通风方式，风管出口距工作面40m。按爆破后20min内将工作面的有害气体排出或冲淡至允许浓度计算，每千克炸药爆破时所产生的有害气体折合成40L一氧化碳。本工程单个工作面一次性爆破药量不多于50kg。由于爆破后作业产生的尘量大，浓度高，在距掌子面20m设置一道水幕，水幕降尘器设置在边顶拱上，爆破前10min打开水幕开关。由于水雾密度大，影响洞内视线，因而，在水幕附近加强照明。隧洞顺坡工作面一般采用自流排水，倒坡工作面随掘进进度开挖积水坑，小型水泵抽水排出。采用HP-30型喷射机喷射混凝土，人工操作。边顶拱混凝土由1t机动翻斗车转运至工作面，采用HB60型混凝土泵泵送入仓，立组合钢模板；底板混凝土由1t机动翻斗车运输至工作面直接入仓。附壁式振捣器配合插入式振捣振实。在洞外布置固定空压站，用风管连接至洞口并沿隧洞顶部向前延伸工作面。在供风管上每100m或200m焊接安装闸阀，作为临时用风接口，能满足施工供风需求。施工供水采用在进洞口高处布置蓄水池。用钢管沿隧洞右边墙顶部洞内施工工作面延伸，并每100m安装闸阀接口1个，解决开挖及喷护的用水需求。施工供电采用洞内洞外独立供电方式，用185mm？供电线路向洞外空压房供电，用120mm2动力供电线路向洞内施工的水泵、喷护机具设备供电，照明采用16mm2照明线路供电，进洞线路布置于边墙左侧拱脚部位，其布置高度均超过相关规范要求。照明线路上每20m安装防爆式节能灯1个，解决沿途基本照明，而施工作业照明则采用防爆矿用充电灯照明。

4 隧洞施工因素考虑

根据相关规范规定及隧洞施工方法可按以下方式考虑施工因素。

4.1 风管管径计算

（1）按洞内同时工作的最多人数，每人供给不少于0.05m3/s新鲜空气计算。考虑洞内单个工作面最大工作人数6人。

（2）按爆破后20min内将工作面的有害气体排出或冲淡至允许浓度计算，每千克炸药爆破时所产生的有害气体折合成40L一氧化碳。本工程单个工作面一次性爆破药量不多于50kg。

（3）洞内使用材油机械时，按每千瓦供风量0.068m3/s计算，并与同时工作人员所需风量相加。本工程计划采用功率不大于14kW的耙渣机1台、功率不大于14kW的机动翻斗车4台（其中两台满载，两台空载）、每台机械配置两名工作人员。

（4）计算通风量时，根据通风方式和长度考虑漏风增加值，漏风系数取1.2～1.5。本工程综合考虑取1.3。

（5）单端掘进长度不长于2308m，采用功率不大于14kW机动翻斗车除渣，同时在洞中空载运行不多于2台，满载运行不多于2台，功率不大于14kW的内燃机1台，手风钻钻孔，一次性爆破药量少不多于50kg。

（6）隧洞处于高海拔1000m以上时计算出的通风量应乘以高程修正系数。本工程的隧洞均在海拔1000m以内。

（7）计算的通风量按最大最小允许风速和相应的洞室温度所需的风速进行校核。本工程洞室温度为15～20℃。

经计算，本工程总需风量最小值为245.29m3/min。经比较选取700mm风管，需系统风压值2491Pa。

4.2 考虑开挖、运输及除渣机械占用隧洞面积

本隧洞开挖时，最小净宽2.3m，高2.7m（最小开挖断面减除初期支护后的断面）。本工程出渣选用FC15小型翻斗车，斗容0.75方，外形尺寸（长×宽×高）：2720×1600×1420mm。装渣选用SWY-55小型扒渣机，外形尺寸（长×宽×高）：5050×1350×1500mm。一个工作面配备一台耙渣机4台翻斗车。满足设计开挖运输强度要求。施工过程中洞内设施布置见图2。经复核，现有设计洞径是合适的，能够适应施工要求。

5 结 语

本文以奉节县草坪河水库输水工程中输水隧洞横断面的确定过程为例，在隧洞横断面选择中首先考虑了过流能力需求，还考虑了隧洞施工条件对隧洞横断面尺寸的影响。总结提炼了一套小断面水工隧洞设计中施工因素复核的方法，对类似小断面水工隧洞的设计有一定参考价值。

参考文献

[1]王继飞.隧道围岩破坏模式的人工智能预测[D].华东交通大学，2007.

[2]王晓琴.锦屏二级水电站引水隧洞涌水治理方案研究[D].重庆交通大学专业，2009.

[3]《水工隧洞设计规范》（SL279-2016）[S].

[4]《水利水电工程施工组织设计规范》（SL303-2016）[S].

[5]《灌溉與排水工程设计规范附录P》（GB50288-99）[S].

收稿日期：2018-7-21

作者简介：张耀屹（1986-），男，工程师，硕士研究生，港口海岸及近海工程专业，主要从事水工结构及施工组织设计研究。