穿黄隧洞工程布置与结构型式研究

符志远

长江水利委员会 长江勘测规划设计研究院，武汉 430010

张传健

长江水利委员会 长江勘测规划设计研究院，武汉 430010

邓家林

长江水利委员会 长江勘测规划设计研究院，武汉 430010

基金项目:“十一五”国家科技支撑计划项目“复杂地质条件下穿黄隧洞工程关键技术研究”（2006BAB04A11）。

1 工程地质条件

1.1 区域地质

穿黄工程区300km范围内主要有河北平原地震带、汾渭地震带、许昌—淮南地震带和陕南地震带，场址区地震基本烈度为Ⅶ度，经国家地震局测定，50年超越概率10%和5%对应的基岩面加速度峰值分别为0.119g和0.158g。

1.2 地形地貌

工程范围内黄河河槽宽浅散乱，枯水期水位一般在100～102m。黄河河槽以北的滩面高程为101.5～104.5m，南岸为邙山黄土丘陵，高程一般在140～181m，邙山以南为宽广平缓的冲积平原，地面高程131～140m。

1.3 地层岩性

工程区广布第四系，其中下更新统缺失。下伏基岩为上第三系，两者呈不整合接触。全新统（al4）主要为砂层，分布于黄河河床、漫滩和冲积平原；全新统及上更新统（alQ3）砂层分布于北岸漫滩，上更新统（alQ3）黄土、黄土状粉质壤土层和砂层分布于南岸邙山和北岸青风岭至S点一带；中更新统（al-plQ2）为粉质壤土，在河床、南岸漫滩埋藏于全新统及上更新统之下，在南岸邙山被上更新统黄土覆盖，出露于邙山北坡。下伏基岩为上第三系黏土岩、粉砂岩、砂岩、砂砾岩。

第四系砂层含水层、邙山黄土及黄土状壤土孔隙弱含水层和上第三系砂岩、砂砾岩孔隙、裂隙含水层中，地下水和黄河水对混凝土均不具腐蚀性。

1.4 邙山段工程地质条件及评价

对于深埋隧洞方案，南岸明渠直达河边，以放坡开挖通过邙山，将形成高约80m的大型黄土边坡，坡体内分布有软黄土状粉质壤土，地下水位108.84～138.29m，河边出渗面高程为101～103m。应综合考虑各种不利因素的影响，采取适当的边坡形态，以保证其长期的稳定性。

对于盾构隧洞方案，邙山隧洞长约800m，进口底板高程106.00m，洞口段长约164m，围土为Q3黄土状粉质壤土，其后为Q2粉质壤土夹古土壤层，含大量的钙质结核，夹有钙质结核富集层。采用矿山法施工的隧洞进口段长35m，围土由Q3黄土状粉质壤土组成，夹有⑨-2黄土状粉质壤土软层，强度较低（其静力触探锥尖阻力1.8MPa，侧壁摩阻力0.04MPa）；地下水位高出洞底板31m左右，洞室成洞条件差。施工时应采取降水和超前支护措施。

1.5 穿黄隧洞段地质条件及评价

（1）隧洞围土组成。过黄河隧洞穿越的主要地层为Q2粉质壤土、砂层和砂砾（泥砾）石层。根据隧洞围土组成的不同，可划分为以下3种类型：①单一砂土结构。隧洞围土为中砂层，局部为粗砂层，砂层中零星分布砂砾石透镜体，长约875m。②上砂下土结构。隧洞围土上部为砂层，下部为Q2粉质壤土层，共长1390m。③单一黏土结构。隧洞围土为Q2粉质壤土层，共长1185m。

（2）应注意的地质问题。在上述地层中，砂层为深灰色细砂、中砂，石英颗粒含量高达40%～70%、夹砂砾石和泥砾石透镜体，并沉积有古树与孤石；Q2粉质壤土层多呈硬塑—坚硬状，夹6～7层古土壤，含钙质结核，古土壤层以下钙质结核常富集成层；上述地层在剖面上表现为壤土、黏土（古土壤层）与钙质结核层依次相间分布的三元结构。钙质结核粒径一般为5～8cm，个别较大；Q3黄土状粉质壤土含饱和水，自稳性差。穿黄隧洞地质条件复杂，须间隔穿越不同地层结构，施工过程中应适时调整盾构机运行参数，加强检查保养，及时维修，以确保工程安全顺利进行。盾构隧洞方案地质纵剖面如图1所示。

2 工程布置研究

2.1 建筑物型式

多年来，就隧洞与渡槽两类过河建筑物型式进行了长时间的比较。最后认为：隧洞方案对黄河冲淤变化、河势影响、生态与环境影响较小，且为该河段开发留有较大余地；施工及运行风险亦相对较小，因此推荐穿黄工程采用隧洞型式过河。

2.2 方案研究

2.2.1 盾构隧洞与深埋隧洞方案比较

对于隧洞方案，曾研究过深埋于基岩中的深埋隧洞方案和在覆盖层中穿越的盾构隧洞方案。

深埋隧洞方案深埋于河床下方第三系黏土岩、粉砂岩中，补充的钻孔资料表明，黏土岩、粉砂岩岩性软弱，特别是与上方覆盖层相接触的基岩顶面破碎，达不到预期的防渗条件，部分隧洞开挖过程仍要解决防水问题，难以用常规方法施工，工程总体投资较大。

盾构隧洞最小埋深23m，位于河床最低冲刷线（冲刷深度为水面以下20m）和砂土震动液化界限（河床下方深度16m）以下，无冲刷和砂土震动液化问题；隧洞主要穿过中更新统Q2粉质壤土，北段部分穿过全新统中、细砂层，采用盾构穿越，工程安全、工程质量均有保证；工程投资亦较小。

经对盾构隧洞方案与深埋隧洞方案比较后，从工程可靠、节省投资考虑，推荐采用盾构隧洞方案。

2.2.2 盾构隧洞布置方案优化

（1）总体布置。对盾构隧洞方案进一步的研究表明，过河隧洞进、出口采用一斜一竖的布置方案，既可保证隧洞有良好的运行与检修条件，同时工程投资亦较节省。根据地形、地质、工程规划、工程运用和检修条件，总体布置主要研究了3个方案：①方案1，隧洞南岸斜井进、北岸竖井出，退水设施在南岸，退水经退水洞入黄河。②方案2，隧洞布置同方案1，退水设施在北岸，退水经新蟒河入黄河。③方案3，隧洞南岸竖井进、北岸斜井出，退水设施在南岸，退水经退水洞入黄河。

上述3个方案中，技术上均属可行，其中方案3因南岸有临河高边坡和护岸工程，北岸斜井段需施工防护，技术复杂，工程投资大，故首先放弃；方案2因退水闸设于北岸，一旦隧洞进口关闭，无法为南岸渠道退水，运行条件不如方案1；方案1工程投资居中，布置合理，运行条件好，故推荐采用。

（2）单洞与双洞布置方案比较。在选定的总体布置方案中，对隧洞过河建筑物布置，研究了单洞方案和双洞方案。研究认为，无论双洞方案或单洞方案，均能满足总干渠的运用要求，均是技术可靠，施工可行的方案。在投资上单洞方案可节省约3.86亿元，但考虑到双洞方案隧洞规模相对较小，施工技术难度较低、施工风险较小，如期完建更有保证；投入运用后，运用灵活，自身输水保证率高。为了确保中线工程按时通水，并考虑到穿黄工程是中线工程中的关键性工程，应有更高的运用灵活性，推荐采用双洞方案。

3 结构型式研究

3.1 设计标准与设计条件

3.1.1 设计标准

（1）设计洪水按黄河300年一遇洪水设计，千年一遇洪水校核。

（2）抗震设计按50年超越概率5%对应的基岩面加速度峰值0.158g设计。

（3）结构承载能力和正常使用控制标准按相关规范执行。

3.1.2 主要设计条件

（1）设计流量与衔接水位见表1。

（2）设计洪水。穿黄工程黄河设计洪水频率为300年一遇，洪峰流量为14970m3/s，相应现状洪水位104.27m；千年一遇校核洪峰流量为17530m3/s，相应现状洪水位104.47m；全年20年一遇施工洪水洪峰流量为11210m3/s，相应现状洪水位103.93m。

（3）主河床最大冲刷深度为水面以下20m。

（4）隧洞过流表面糙率n=0.013 5。

（5）隧洞覆土大于2倍隧洞直径，上覆土压力按卸载拱计算。

（6）运行期最低水温2℃，当地年平均温度为14.1℃。

（7）材料特性。管片采用C50混凝土，重度为26kN/m3，弹性模量为35GPa，线膨胀系数为10-5；内衬采用C40混凝土，重度为25kN/m3，弹性模量为33GPa，线膨胀系数为10-5；预应力钢绞线采用φj15.2（1860级），其标准强度为1860MPa，弹性模量为180GPa，钢绞线与钢质波纹管之间摩擦系数按规范取值为0.25。

（8）隧洞地基按弹簧模型模拟，弹性抗力系数为40MPa/m。

3.2 结构型式研究的提出

经过与深埋隧洞方案比较后，推荐以双线盾构隧洞穿越河床覆盖层的过河方案，其中过河隧洞自南岸进口建筑物起，以斜洞通过邙山，再在河床覆盖层中穿越黄河到达北岸，以竖井与出口建筑物相连，其纵向剖面图见1。

穿黄隧洞为有压水工隧洞，初步设计阶段推荐采用双层衬砌，即在盾构法隧洞内设置预应力钢筋混凝土衬砌（以下简称预应力内衬方案），用以承受内部水压力。其后，按建设单位要求，进一步研究盾构法隧洞内布置钢板防渗的结构型式（以下简称钢板内衬方案），并要求与预应力内衬方案进行比较。

3.3 预应力内衬隧洞设计

3.3.1 隧洞主要布置参数

（1）隧洞为圆形断面，根据单洞输水量160m3/s（加大流量）确定直径为7m，另为方便行车进洞检修，设有宽3.1m的车道平台。

（2）两隧洞间距为28m。

（3）隧洞按南高北低布置，南端和北端中心高程分别为72.45m和67.00m，最小埋深约23m，既避开砂土震动液化带和河床冲淤变化区，也方便排水和施工。

3.3.2 衬砌结构

（1）结构断面。隧洞按双层衬砌，盾构施工过程所形成的外衬为普通钢筋混凝土拼装式结构，顺流向环宽1.6m，每环含7块管片，管片厚40cm，同环各块管片由4根φ30螺栓连接，各环之间由28根φ30螺栓连接，主要承受外围水、土压力；内衬为预应力结构，按40cm间距布设1束12×φj15.2的预应力锚索，主要承担内水压力，并满足裂缝控制要求。衬砌结构断面见图2。

（2）内、外衬之间设置防排水垫层。

3.3.3 隧洞横向结构计算

（1）典型断面。选取李村线隧洞北漫滩桩号8+741.13剖面为典型断面，该剖面地层条件及隧洞埋深等要素见图3。

（2）计算方法。按常规采用平面杆系有限元法进行衬砌结构计算。管片接头模拟采用接头分析模型；地层约束以不抗拉弹性链杆模拟；内、外衬间垫层，按可传递压力、不能传递剪力和拉力模拟。采用通用有限元软件计算，对计算得出的内力（轴力、弯矩）按规范方法进行结构设计。

（3）荷载及荷载组合。根据穿黄隧洞的施工过程及运行条件，拟定分期荷载组合见表2。

（4）主要计算成果。①外衬管片在第1期荷载组合下，轴力全部为压应力，弯矩以拱顶和腰部较大。管片内外侧应力均为压应力，管片各断面满足抗裂要求，其后各期内力无明显变化。②内衬各断面在第2期、第3期1、第3期2工况均全截面受压，其中第3期1工况内侧压应力从173.56t/m2（拱顶）到649.69t/m2（左侧锚具槽），外侧压应力从65.49t/m2（左侧锚具槽）到833.89t/m2（拱底）。第3期2工况其内侧压应力从137.88t/m2（拱顶）到710.93t/m2（左侧锚具槽），外侧压应力从4.26t/m2（左侧锚具槽）到866.6t/m2（拱底）。③隧洞变形较小。第1、3期叠加后，拱底与拱顶竖向相对变形为-6.57mm，左右两侧水平向相对变形为2.86mm，均满足变形控制指标要求。④外衬管片接缝螺栓最大拉力为24.4t（4根螺栓之和），衬垫均呈受压状态，最小压力为82.94t，各接缝始终处于闭合状态。

总之，采用两层衬砌独立工作的结构方案，受力条件明确，工作可靠，内、外衬均可满足抗裂要求，结构性能较好。

3.4 钢板内衬方案

3.4.1 基本方案

在盾构法隧洞内，采用钢板防渗的结构型式有两类。第1类方案为钢管与外衬分离，采用支墩将钢管支承在外衬上，钢管外侧可布置检修、巡查通道，简称为内置明钢管方案。第2类方案为内衬采用钢板防渗的钢筋混凝土结构，简称钢板钢筋混凝土方案。经综合比较认为，钢板钢筋混凝土结构若分段布置，钢板只对混凝土表面起封闭作用，且因外侧无检修、巡查通道，防渗功能与预应力内衬无明显不同；若长距离不分段，又难以适应因黄河冲淤变化引起的纵向变形，故推荐内置明钢管方案为基本方案。

3.4.2 内置明钢管方案布置捱

3.4.2.1 横向布置

（1）横向断面。隧洞水力计算中，预应力内衬糙率采用0.0135，由于钢管糙率较小，为0.012，因此，在水头损失相同的情况下，明钢管直径可以采用6.6m，而外衬内表面直径为7.9m，钢管需居中对称布置，以避免引起外衬管片环转动，因此检修、巡查通道净宽仅0.56m，较狭窄。

（2）管壁厚度。曾比较过不设加劲环的光面管方案，根据《水电站压力钢管设计规范》（SL 281—2003）（以下简称《钢管规范》），按抵御外压0.05MPa要求，管壁厚度需41.68mm，工程量过大，因此钢管仍按常规设置加劲肋。结构计算表明，钢管管壁计算厚度为20mm，考虑锈蚀、磨损及钢板的负偏差，管壁设计厚度比计算厚度增加2mm，为22mm。

（3）加劲环布置。曾就外压0.05MPa，对影响加劲环布置的3个因素（管壁厚度、加劲环间距和加劲环截面）的多种组合进行了抗外压的分析计算。结果表明：当加劲环截面厚度为20mm、高度170mm、间距3.2m时，工程量较小。

3.4.2.2 纵向布置

（1）钢管支墩。支墩置于管片环上，其间距应为管片环宽度1.6m的整数倍。经对多个支墩间距的比较，最后以支墩间距为6.4m时，加劲环适当加大，可兼具支承环作用，工程量较省。

（2）伸缩节。根据洞内温度条件，按《钢管规范》（SL 281—2003）要求，镇墩间距应不超过200m，并要求中部加设伸缩节，按分段式明钢管设计。

3.4.3 明钢管结构计算

（1）计算依据。按《钢管规范》（SL 281—2003）有关规定进行结构计算。

（2）计算荷载及计算工况。明钢管计算荷载及计算工况按表3确定。

（3）计算条件。钢管采用16MnR，屈服强度325MPa，允许应力见表4。

钢管应力按弹性工作状态计算，所得应力应满足表4允许应力要求。当按平面问题计算时，各计算点应力应满足下式要求：

式中：σx、σθ、σr为钢管轴向、环向、径向正应力，MPa，以拉为正；τxθ、τθr、τxr为剪应力，MPa；φ为焊缝系数；［σ］为相应计算工况的允许应力，MPa，按表4查用。

具体计算条件为：①设计水头。输送小流量时，隧洞末端钢管最大中心水头为51.00m；②钢管设计内、外压差为0.05MPa；③镇墩间距，最大为192m，伸缩节型式为波纹管式伸缩节，摩擦系数为0.30。

（4）计算结果。管壁、加劲环、支承环处控制点应力计算结果见表5。

纵向沉降引起钢管附加应力。由于河床冲淤作用，隧洞上覆荷重变化，使隧洞外衬发生纵向沉降，据计算，当支墩间距为6.4m时，钢管跨中弯矩最大为1 644.4t·m，钢管边缘处应力为σ=23.96MPa；支座弯矩最大为4280.34t·m；钢管边缘处应力为σ=62.376

等效应力按式（1）计算，计算结果为：跨中应力σ=125.0MPa；支承环旁膜应力区边缘应力σ=163.1MPa；加劲环及其旁管壁应力σ=162.8MPa。均满足要求。

3.4.4 外衬结构计算

（1）典型断面、计算方法与预应力内衬方案相同。

（2）各期荷载组合见表6。

（3）支墩间距6.4m方案，外衬管片内力与预应力内衬方案无明显不同，支墩管座拉应力最大值为0.66MPa，均满足抗裂要求。

3.4.5 外衬与钢管纵向结构计算

钢管支墩坐落在管片环上，钢管按镇墩间距分节，钢管荷载除自重、水重外，还需考虑由于河床冲淤变化引起支墩的不均匀沉降。

（1）河床冲淤作用下隧洞纵向变形。研究表明，河床冲淤变化以运行期黄河主流整槽摆动为最不利。对于整槽摆动工况，曾取两条典型曲线段进行了研究，一条靠近南岸竖井，简称为计算曲线（一），另一条取冲淤衔接段，简称为计算曲线（二）。研究表明，以计算曲线（二）为不利，参见图4。

（2）钢管纵向结构计算。计算模型为：①将镇墩之间的钢管段模拟为连续梁，将支墩模拟为一根不抗拉的支承链杆。②结构自重由程序模拟，钢管内水重作为荷载直接加在连续梁上。③冲淤沉降按已知位移施加在支墩对应的节点上。

计算方法为：①按平面问题，采用SAP84和ANSYS程序计算。②对于计算中确认受拉的支承链杆，该支承链杆以及该节点的已知沉降位移一并撤除。

（3）钢管内力成果。钢管弯矩分布见图5。其中正弯矩最大为16444kN·m，钢管边缘应力σ=23.96MPa；钢管负弯矩最大（绝对值）为-42 803kN·m，钢管边缘应力σ=62.37MPa。

3.5 研究结论

3.5.1 方案比较

预应力内衬方案与内置明钢管方案优点和缺点比较见表7。

3.5.2 研究结论

（1）内置明钢管方案运行条件能满足安全运行要求，但施工条件困难，工程投资大，工期较长，并存在索赔问题。

（2）预应力内衬方案经过多次、多方审查，满足工程安全运行要求；施工技术成熟，工程质量与工期有保证，投资较省。可以认为采用盾构隧洞预应力内衬方案是合适的。

4 结论

为了使南水北调中线穿黄隧洞工程更具科学性、经济性和施工的可操作性，对工程布置和结构型式进行了深入比较研究。

（1）在工程布置方面，研究了深埋于基岩中的深埋隧洞方案和在覆盖层中穿越的盾构隧洞方案，经两方案分析比较后，从工程可靠、节省投资考虑，推荐采用盾构隧洞方案，经进一步分析比较后，最终的布置型式为进出口采用一斜一竖的双洞方案。

（2）在结构型式方面，比较研究了预应力内衬方案和钢板内衬方案，两方案经反复研究后，从满足工程安全运行要求，施工技术成熟，工程质量与工期有保证，投资较省等方面考虑，最终采用预应力内衬方案。