鄂北水資源配置工程2016年11標鳳凰寨隧洞施工支洞設計

趙東亮 魏鉑佳 任鑫龍 暴艷利

1 工程概況

湖北省鄂北水資源配置工程主要建筑物由取水建筑物（新建取水豎井前）、明渠、暗涵、隧洞、倒虹吸、渡槽和節制閘、分水閘、檢修閘、退水閘、放空閘閥、排洪建筑及王家沖擴建水庫等組成，工程規模為Ⅱ等大（2）型，主要建筑物級別為2級或3級，次要建筑物為3級或4級。

鳳凰寨隧洞全長10.13km，隧洞進口位于廣水市王家灣村以北，接余店河（朝陽村）明渠；出口位于廣水市郝店鎮西北側，出口接回龍寺暗涵。隧洞開挖的最大斷面為城門洞型，寬×高為4.6m×5.19m，襯砌后仍為城門洞型，寬×高為3.5m×4.14m，底板寬度為3.5m，側墻高度為3.13m，頂拱半徑為2.02m。

隧洞線路走向總體從西北向東南，沿線共設3條施工支洞，采用鉆爆法施工。由于施工支洞要承擔鳳凰寨隧洞的施工運輸任務，因此，施工支洞的合理設計對輸水隧洞的的順利貫通及整個11標工程的按期完工起著重要作用。

2 施工支洞設計原則

根據類似工程施工經驗以及鳳凰寨隧洞工程的特點，施工支洞的規劃設計原則如下。

（1）根據施工進度安排，結合鳳凰寨隧洞布置，減少施工支洞工程量，節約投資。

（2）滿足各工作面承擔的任務基本相等，為工作面施工平行作業創造條件。為此，支洞的布置盡量避免施工干擾，保證工程施工均衡、有序地進行。

（3）支洞線路應最短，且沿洞線地質條件較好，盡量避免斷層、破碎帶的影響。

（4）考慮隧洞的施工期通風要求，結合周圍地形及地質條件，本工程每3km左右間距設置1條施工支洞。

（5）3條支洞進口均在周邊溝谷內設置，選擇洞口位置時應盡量選擇深溝及河谷來降低進洞口高程，減小支洞縱坡，但洞口高程要滿足施工期的防洪要求。

（6）支洞洞線宜與主洞正交，必須斜交時其交角不應小于45°。

（7）施工支洞的設置應滿足開挖出渣、混凝土澆筑，鋼材運輸及安裝的需要；斷面尺寸、縱坡等必須與施工機械設備的外型尺寸、工作范圍相適應；施工支洞的斷面設計需有利于施工供風、供水、供電、排水、通風及照明等臨時設施的布置，提高施工支洞的通行能力。

（8）支洞口一般具備施工場地或臨建設施布置的條件；支洞口一般在規定防洪高程以上，避免汛期無法使用。

3 施工支洞規劃布置及斷面設計

3.1 施工支洞洞線布置

鳳凰寨隧洞施工支洞設計時充分考慮了上述原則，3條施工支洞洞線布置時盡量短而直，平面樁號長度均在500m左右；洞線沿線大多數為Ⅲ類、Ⅳ類圍巖，工程地質條件較好；與主洞的平面夾角均為正交；洞口位置布置在現有交通道路附近，以便施工材料、設備運輸。洞口修建臨時施工道路和最近的道路相連接，同時考慮與永久交通道路相結合。除此之外，洞口還充分考慮了周邊山溝、河道的洪水問題，在設計支洞進口底高程及洞口周邊臨時施工場地時，盡可能使其高于山溝、河道的設計洪水位，滿足防洪要求。施工支洞特性見表1。

表1 施工支洞特性表

3.2 施工支洞設計

根據施工支洞設計原則及施工支洞洞線布置要求，鳳凰寨隧洞3條施工支洞從洞臉形式、縱坡、洞型及支護襯砌、與主洞連接方式等方面進行了詳細的設計。

3.2.1 洞臉設計

在布設好合適的洞線，確定好支洞的進口位置之后，首先要對洞口和洞臉進行詳細的設計，確保施工支洞早日進洞。鳳凰寨隧洞所布設的3條施工支洞，根據洞口的地形地貌，施工支洞洞臉的形式均采用貼坡式洞臉，其中2#支洞洞口采用引出部分明洞段的型式。兩種洞臉形式分別如圖1、2所示。

圖1 1#及3#施工支洞洞臉剖面圖

圖2 2#施工支洞洞臉剖面圖

兩種洞臉形式均可以適用于巖質洞口和土質洞口。其中1#與3#支洞洞口上方的覆蓋層比較厚，成洞條件比較好，直接采用貼坡式洞臉型式，此種洞臉型式可以減少洞口開挖工程量，有利于充分利用原地形，減少對原地形的擾動并可以提前進洞。土質邊坡按坡比1∶1進行開挖，同時在洞口開挖范圍掛Φ8@200鋼筋網，噴C25混凝土80mm厚，以確保洞口穩定。巖質洞口按坡比1∶0.75進行開挖，在洞口開挖范圍掛鋼筋網，噴混凝土外，并布設Φ25mm系統錨桿，長2.0m，間排距3.0m，呈梅花形布置。2#支洞洞口上方的覆蓋層比較薄，成洞條件不好，原地面線坡度較緩，因此，采用接出部分明洞的貼坡式洞臉。2#與3#支洞相比，減少了洞口開挖工程量，有利于洞口穩定，但需要接出一部分明洞，并對表面進行回填。此外，還需要做好各支洞口坡面排水系統，包括截水溝和排水孔等措施，其中截水溝應襯砌；排水孔內采用PVC花管，外裹150g/m2土工布。

3.2.2 縱坡設計

鳳凰寨輸水隧洞埋深較大，主洞及3條施工支洞均采用鉆爆法施工。施工支洞設置時充分利用有利地形，減緩支洞縱坡，3條支洞坡度分別為10%、11.22%和5.4%，均滿足無軌運輸條件，出渣方便。

3.2.3 橫斷面設計

本工程施工支洞采用城門洞型。施工支洞斷面尺寸一般根據以下幾條原則來確定：（1）通過施工期擔負的運輸任務及高峰運輸強度決定其底板寬度采用“單車道”還是“雙車道”；（2）根據運輸器械的尺寸初步確定施工支洞斷面尺寸；（3）根據通風、供水、排水所需空間最終確定其斷面尺寸。根據以上原則，本工程施工支洞橫斷面尺寸為4.0m×4.5m（寬×高），直墻高3.35m，頂拱圓心角120°。施工支洞斷面布置如圖3所示。

圖3 施工支洞斷面圖布置圖

3.2.4 支護設計

參考以上原則及鳳凰寨3條施工支洞均采用自卸汽車出渣運輸方式，根據自卸汽車的型號及通風供水照明等要求，確定施工支洞Ⅲ類圍巖斷面尺寸為4.2m×4.8m（寬×高），頂拱圓心角為120.9°；Ⅳ類圍巖斷面尺寸為5.1×5.45m（寬×高），頂拱圓心角為129.4°；Ⅴ類圍巖斷面尺寸為5.3m×5.6m（寬×高），頂拱圓心角為126.8°。

為確保施工支洞的穩定，開挖過后應及時進行支護襯砌，經過對典型斷面最不利工況組合計算，最終確定鳳凰寨隧洞施工支洞支護襯砌形式。其中Ⅲ類圍巖采用掛網錨噴支護，邊墻及頂拱噴C25混凝土厚度10cm，底板澆筑厚度20cmC25混凝土找平，設置Φ22mm系統錨桿，長度2m，間排距1.0m，梅花型布置，鋼筋網采用Φ8mm鋼筋，間距200mm×200mm。

Ⅳ類采用掛網錨噴支護，邊墻及頂拱噴C25混凝土厚度15cm；設置Φ22mm系統錨桿，長度2.5m，間排距1.0m，梅花形布置，鋼筋網采用Φ8mm鋼筋，間距200mm×200mm，現澆40cm厚C25混凝土襯砌。

Ⅴ類圍巖采用掛網錨噴支護，邊墻及頂拱噴C25混凝土厚度20cm；設置Φ22mm系統錨桿，長度2.5m，間排距1.0m，梅花型布置，鋼筋網采用Φ8mm鋼筋，間距200mm×200mm，現澆 45 cm厚C25混凝土襯砌。特殊地質段支護應根據隧洞地質情況的復雜程度，依次選用鋼支撐、管棚支護等支護措施，以確保施工支洞開挖安全穩定。Ⅴ類圍巖洞身段支護設計如圖4所示。

圖4 洞身段支護設計圖

3.2.5 主支洞交叉口設計

為保證施工支洞與鳳凰寨隧洞的平順連接，保障施工支洞運輸的需要，施工支洞與主洞連接部位設置平洞段。結合主支洞交叉點的布置和交通運輸需要，斜井起坡點距主洞最近邊線為20m，連接位置設置為雙向平弧段，此段采用單車道運輸形式，并滿足運輸最小轉彎要求。

4 結語

鳳凰寨輸水隧洞是整個鄂北地區水資源配置工程的重要組成部分，全長10.13km。隧洞采用鉆爆法施工，沿線共設3條施工支洞并對施工支洞洞臉形式、縱坡、斷面及支護形式、與主洞的連接方式等方面進行了詳細的設計。隨著施工支洞的全面開工，施工進程不斷深入，還應根據施工現場的實際情況及各種特殊地質條件，對原設計進行修改調整，以確保所有施工支洞、主洞乃至整個鄂北地區水資源配置工程順利實施。