南水北调中线吴庄隧洞工程设计要点

阎 忠

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

1 概述

吴庄隧洞位于河北省保定市满城县境内，是南水北调中线工程中的一座大型建筑物，设计流量125m3/s，加大流量150m3/s，设计水头0.448m。隧洞主体建筑工程及进出口连接段按I级建筑物设计。

吴庄隧洞地处太行山东部边缘低山丘陵区，隧洞斜穿石牛山主峰西侧，主峰山脉走向NW348°，最高峰高程411.6m，隧洞轴线最高点高程370m，山体坡度 30°～40°。 隧洞进口山前坡地高程 71.0～86.0m，出口山前坡地高程69.0～101.0m，均为坎状梯田。隧洞穿越的地层岩性较为单一，岩体主要为蓟县系雾迷山组第三段（Jxw3）含燧石条带白云岩，主要分布在石牛山下部，隧洞轴线以上岩层厚度大于160m；覆盖层均为第四系松散岩系，主要分布在隧洞进出口。

隧洞全长2373m，其中进口段长70.5m，出口段长95.5m，洞身段长2207m。隧洞为无压圆拱直墙型断面，采用双洞线布置，两洞轴线间距离为28.4m。断面结构根据沿线地质情况采用钢筋混凝土全断面衬砌和锚喷支护与底板加边墙的减糙混凝土组合衬砌两种型式。全断面衬砌分为“A”型和“D”型两种，设在洞口段或Ⅳ类围岩段，“A”型断面混凝土衬砌厚度为70cm，“D”型断面混凝土衬砌厚度为80cm。减糙混凝土衬砌设在Ⅱ类围岩或Ⅲ类围岩洞段，即“B”型和“C”型两种开挖断面，其衬砌厚度均为25cm。混凝土衬砌底板部位均设有50cm×50cm的“八”字型抹角。根据实际洞身的开挖情况，全断面衬砌主要在两条洞的洞口段，长度为50m，其余均为减糙混凝土衬砌。洞内混凝土衬砌强度等级为C25W4F100。全断面衬砌内设双层钢筋网，减糙混凝土内设单层钢筋网。

2 工程设计要点

2.1 洞型断面选择

吴庄隧洞是一条地质条件相对较好的隧洞，洞内水流流态为无压流。根据工程类比和经济比较分析，过水断面主要比较了圆拱直墙型和马蹄型两种方案。圆拱直墙型优点是水力条件好，相同水力条件下断面尺寸比马蹄型略小，且施工简便；缺点是结构受力条件不太好。马蹄型的优缺点与圆拱直墙型相反。圆拱直墙型适用于地质条件较好的隧洞，马蹄型多用地质条件较差的隧洞。吴庄隧洞地质条件较好，如果采用马蹄型断面，虽然其受力条件好，但Ⅱ、Ⅲ类围岩段也必须减糙衬砌，并没有发挥马蹄型受力好的优点，并且施工困难故确定吴庄隧洞洞型为圆拱直墙型断面。

2.2 隧洞进出口位置的确定

吴庄隧洞进口山前坡地高程为71.0～86.0m，出口山前坡地高程为69.0～101.0m，为坎状梯田。山前坡地上部为第四系复盖层，其下部为含燧石条带白云岩，岩性单一，基岩面较陡。根据地质条件分析，选定隧洞进口位置处地面高程84m，岩面高程78m，隧洞洞底高程62.075m，隧洞洞身为弱风化岩，岩体较好，成洞条件优越，另有规模较小、陡倾角的节理带，但影响范围较小，施工采用“新奥法”进洞是完全可行的。隧洞出口选定位置处地面高程为94m，岩面高程为83m，隧洞洞底高程61.697m，隧洞洞身位于弱风化岩上部，岩层产状平缓，没有明显的节理和破碎带，成洞条件较好。

在实际开挖过程中，进口洞身为弱风化岩，岩体较好，洞口只进行了锁口支护，采取锚喷支护即顺利进洞；出口处岩石为强风化条带白云岩，进洞采取了超前注浆小导管、格栅钢架预支护和锚喷支护联合运用的方式，保证了安全进洞。因此选定的洞口位置是比较理想合适的。

2.3 隧洞进口底高程的确定

隧洞的断面规模取决于上下游渠道的水力要素，输水流量，分配水头和洞底高程的纵向布置。洞底高程的纵向布置一般采用上下游渠底高程连线。

南水北调总干渠水深浅、纵坡缓、给定建筑物设计水头小，洞底直接布置在相应的上下游渠底高程连线上，造成其断面呈扁平状，结构受力条件较差。

通过设计研究和水工模型试验验证，设计采用降低隧洞纵向底高程0.7m方案，增加了洞内水深，减少了隧洞宽度，提高了隧洞断面的利用率，降低值在一定程度内对隧洞洞内和进出口的水流流态及过流能力影响不大，因此这一措施切实可行。隧洞底高程降低后，洞径减小了，相应的隧洞间距减小了，进出口连接段工程量减少了，同时改善了隧洞的受力状态，因而提高了工程的安全度。

2.4 隧洞洞身结构尺寸确定

隧洞的断面规模取决于上下游渠道的水力要素、输水流量、分配水头和隧洞的纵向布置。为了确定合理的设计过水断面，选取了不同的洞内水深、底宽及纵坡进行水力计算。计算方法以设计流量下长洞洞内产生均匀流为基础，联解进出口各断面能量方程，通过试算，计算出不同底宽时相应的洞内水深和纵坡。通过计算分析确定吴庄隧洞设计纵坡为 1/5870，过水断面尺寸为 7.8m×8.15m（宽×高）。

2.5 进出口分流角、汇流角的确定

吴庄隧洞采用双洞线方案，上游总干渠水流必须经分流墩使其分流进入隧洞，而出口水流亦必须经汇流墩使其汇流进入总干渠。

根据工程实践，隧洞进口分流角度和出口汇流角度一般为25°～60°，根据水流流速大小而定。角度较大时，相应渐变段长度减小，水头损失增大，当角度较小时，则渐变段长度相应增大，水头损失减小。考虑本工程分配水头较小，隧洞较长的情况，进口分流角度采用30°，出口汇流角度采用25°。从水工模型试验看，此种布置水流平顺，说明角度选择合适。

2.6 洞间岩体厚度的确定

确定隧洞两洞之间岩体厚度，根据工程地质条件，参照已建工程的实践经验，综合分析确定。

SL279—2002《水工隧洞设计规范》规定：相邻两条隧洞间岩体的厚度，应根据布置的需要、地质条件、围岩承受的内水压力、围岩的应力和变形、隧洞横断面尺寸和形状、施工方法和运行情况等因素综合分析决定，一般不宜小于二倍开挖洞径（或洞宽）。岩体较好时，该值可适当减小，但不应小于一倍开挖洞径（或洞宽）。

吴庄隧洞进出口部位的围岩节理裂隙较发育，属稳定性较差的岩石，为确保隧洞进出口的安全，隧洞之间的岩体厚度采用2.0倍的开挖洞径，即岩体厚度为19m。

通过以相邻两隧洞的破坏拱互不重叠为条件计算洞间岩体厚度，并采用《典型类比分析法围岩稳定分析软件包BMP2000》程序有限元分析洞室间相互影响，确定两洞岩柱厚度采用19m，整个洞室是稳定的。

2.7 洞身支护与衬砌结构设计

隧洞支护结构按新奥法进行设计，以工程类比为主，并通过现场监控量测进行工程实践检验、确认和修正，必要时辅以理论计算验算确定支护参数，进行隧洞支护设计。

2.7.1 一般地质洞段

根据工程地质、水文地质、结构断面大小、施工方法等，通过工程类比，选定洞身的支护型式。Ⅱ、Ⅲ类围岩采用锚杆、喷射混凝土支护作为永久支护，并配以减糙混凝土衬砌。锚杆、喷射混凝土层主要用于加固围岩，并与围岩形成整体拱圈，承担因开挖围岩松驰变形引起的荷载。局部混凝土衬砌主要是减小过水断面洞壁的糙率，混凝土衬砌厚度为25cm。Ⅳ类围岩采用初期支护和二次衬砌。初期支护采用锚杆、钢筋网喷射混凝土支护，外侧采用全断面混凝土衬砌，厚度为70cm。

2.7.2 不良地质洞段

对于受地质构造影响严重的洞段，开挖临空后的数小时内可能剥落或局部坍塌，进行预支护、初期支护和二次衬砌。初期支护采用格栅钢架、锚杆和钢筋网喷射混凝土支护结构。预支护采用超前锚杆和注浆小导管两种方式，施工时结合实际地质情况和现场监测情况确定最终参数。二次衬砌采用全断面混凝土衬砌，厚度为80cm。

2.7.3 锚杆、喷射混凝土联合支护设计

锚喷支护的原则是：锚杆、喷射混凝土、钢筋网或其他类型的支护联合共同作用，由它们分别提供抗力，维持围岩的稳定。锚喷支护参数根据GB50086—2001《锚杆喷射混凝土支护规范》及水利、铁路、公路等已建工程进行类比，并结合本工程岩石倾角较缓的特点综合选用。

具有一定密度的系统锚杆可以向洞壁施加一定支护力，从而提高围岩的稳定性，系统锚杆应穿过塑性区，进入弹性区应有一定的深度，通过计算并综合分析确定锚杆参数。锚喷支护参数确定从设计到施工是系统工程，必须在施工开挖过程中通过现场围岩变形监测和信息反馈不断予以修正，使工程达到安全、经济、合理。

2.7.4 钢筋混凝土全断面衬砌结构设计

对于Ⅳ类围岩区和断层破碎带洞段全断面，钢筋混凝土衬砌均进行了基本和特殊组合共计7种工况的计算。计算荷载考虑了垂直、水平山岩压力，内、外水压力，灌浆压力等。结构内力计算采用“隧洞衬砌计算通用程序”。

顶拱、侧墙、底板除个别工况、个别部位为大偏心受拉构件外，其余均为偏心受压构件。通过结构计算和限裂计算，衬砌段各构件裂缝开展宽度控制在0.25mm之内，满足要求。

3 结语

吴庄隧洞作为南水北调中线工程的一座控制性建筑物，集大流量、低水头、大断面，地质条件复杂等特点。总结了吴庄隧洞洞身断面的选择，隧洞进出口位置、进口底高程、洞身结构尺寸、进出口分流角和汇流角确定的原则和方法，以及洞身支护参数的选择与衬砌结构计算的方法，可供类似输水隧洞设计借鉴。

［1］SL279—2002，水工隧洞设计规范［S］.

［2］武汉水利电力学院水力学教研室编.水力计算手册［K］.北京：水利电力出版社，1980.

［3］段乐斋.水利水电工程地下建筑物设计手册［K］.重庆：四川科学技术出版，1993.

［4］总参参工程兵第四设计研究院.围岩稳定分析软件包BMP2000程序［R］.2000.

［5］DL5007—2002，水工建筑物荷载设计规范［S］.

［6］岩土工程手册编委会.岩土工程手册［K］.北京：中国建筑工业出版社，1994.

［7］SL191—2008，水工混凝土结构设计规范［S］.

［8］GB50086—2001，锚杆喷射混凝土支护技术规范［S］.