景孟旗，马国梁

(陕西省水工程勘察规划研究院，陕西 西安 710003)

0 引言

随着我国水利、交通建设的蓬勃发展，建设过程中会遇到大量隧洞，隧洞施工过程中会遇到各种不同的地质问题，其中岩溶及地下水是经常的问题，一般的小型溶洞通常采用回填处理的方式，但是对于地下暗河顶部发育的溶洞，回填会影响地下暗河的过流能力，且溶洞发育较大时，回填量巨大，因此本文结合工程实例，提出一种局部处理后，采用洞身作为受力结构跨越溶洞的处理方式。

1 隧洞工程概况

本文所述隧洞为贵州一大型水利工程总干渠中的隧洞，为减少水头损失，采用无压流。隧洞穿越乌蒙山脉，全长15 760 m，大部分洞段地下水位在洞线以上100～180 m位置，最大埋深超过300 m，属深埋长隧洞，为增强隧洞的抗外水压力能力，采用圆形断面。设计输水流量35 m3/s，选用C25钢筋混凝土衬砌，按照围岩类别不同采用不同的衬砌厚度，Ⅲ、Ⅳ类围岩段衬砌厚400 mm，Ⅴ类围岩段衬砌厚500 mm，隧洞坡降1/3 000，最大外水压力水头180 m，隧洞内设计水深3.9 m，设计流速1.8 m/s。

隧洞初期支护根据围岩类别不同采用不同的支护型式：

Ⅲ类围岩洞段采用随机锚杆作临时支护，Φ25随机锚杆长3 m，上部180°范围内喷C20混凝土，厚度6 cm。

对Ⅳ类围岩洞段采用系统锚杆挂网喷C20混凝土作临时支护，喷C20混凝土厚6 cm，Φ25系统锚杆间排距1.5 m，根长3.0 m，挂网钢筋Φ8@250。

对Ⅴ类围岩洞段采用钢支撑加系统锚杆挂网喷C20混凝土作临时支护，钢支撑间距0.5 m，喷C20混凝土厚10 cm，Φ25系统锚杆间排距1.5 m，根长3.0 m，挂网钢筋Φ8@250。

隧洞施工过程中遇到的不良地质情况主要有：(1)涌水；(2)涌泥；(3)断层破碎带；(4)岩爆；(5)瓦斯洞段。隧洞在地质条件明显变化处(如断层、破碎带等部位)及衬砌形式变化处等位置设置伸缩缝，缝内设铜片止水带；其它地质条件单一处根据施工设备的不同，每10～12 m设一条施工缝，缝中设BW-Ⅱ止水条。

隧洞共设6条施工支洞，加上进出口，一共14个工作面。

隧洞2#施工支洞下游开挖至桩号6+110附近时遇到溶洞，溶洞为裂隙性溶洞，走向与隧洞走向近直交，溶洞最大宽度13 m左右，最窄处3 m左右。洞内钟乳石较发育，无充填，溶洞中部发育一平台，左侧底部有水流，水量约为200 L/s，为暗河系统。

溶洞沿洞轴线方向跨度约13 m，施工中在6+110～6+122段隧洞左侧扩挖后作为临时施工通道，临时渡过该溶洞区域。

图1 隧洞平面走向及溶洞发育情况示意图

后续处理过程中，该段隧洞衬砌断面与原设计断面相同，采用圆形断面，内半径2.7 m，采用C25钢筋混凝土衬砌，溶洞段围岩类别为Ⅴ类围岩，衬砌厚度500 mm。溶洞发育情况及其与隧洞关系详见示意图(图1～图3)。

图2 隧洞横断面及溶洞发育情况示意图

图3 隧洞纵剖面及溶洞发育情况示意图

2 隧洞结构设计

2.1 横断面设计计算

2.1.1 洞身所受荷载类型

隧洞衬砌结构设计计算中考虑的荷载有：(1)山岩压力；(2)衬砌自重；(3)围岩弹性抗力；(4)外水压力；(5)内水压力；(6)回填灌浆压力。

计算工况分运行期、施工期或检修期。

运行期所受荷载：(1)山岩压力+(2)衬砌自重+(3)围岩弹性抗力+(4)外水压力+(5)内水压力。

施工期或检修期所受荷载：①山岩压力+②衬砌自重+③围岩弹性抗力+④可能的最大外水压力(⑥回填灌浆压力)两者中取大值；

2.1.2 荷载计算公式

(1) 山岩压力：(薄层状及碎裂散体结构)

①垂直山岩压力(标准值)：

qvk=(0.2～0.3)γRB

(1)

②侧向山岩压力：

qhk=(0.05～0.1)γRH

(2)

式中：B为隧洞开挖宽度，m；H为隧洞开挖高度，m；γR为围岩容重，kN/m3；qvk为垂直山岩压力，kPa；qhk为侧向山岩压力，kPa；

(2) 衬砌自重

衬砌自重，可按初步确定的衬砌断面积，乘上衬砌长度1 m，求得衬砌的体积，再乘以衬砌材料的容重，就得到衬砌的自重。

(3) 围岩弹性抗力

弹性抗力系数K=100 K0/r，单位MN/m3，其中K0为单位弹性抗力系数，单位MPa/cm，r为开挖洞径，单位cm。

(4)内、外水压力

本工程中隧洞为无压隧洞，内水压力按最大水深计。

外水压力(地下水压力)是地下水头引起的，规范规定：外水压力是作用在衬砌外表的边界力。

(5)灌浆压力

初拟回填灌浆压力 0.3 MPa，根据《水工隧洞的设计理论和计算》一书，灌浆压力大小可按灌浆时压力计读数的1～1/3倍折减。

2.1.3 计算结果

根据上文不同工况的荷载组合以及计算公式，计算所得的荷载结果见表1。

表1 不同工况荷载组合表

采用上述不同工况下的荷载组合，用理正软件进行计算，算得的隧洞横断面所需钢筋面积为1 364 mm2，横断面钢筋型式选用C20@200。

2.2 纵断面设计计算

2.2.1 洞身所受荷载及计算跨度

纵向设计计算时，洞身所受荷载与横断面配筋计算相同。

跨溶洞段纵向按简支模型计算，计算跨度取1.05倍净跨以及净跨与支座宽度之和中的较小者。

2.2.2 配筋计算公式

本工程中纵向配筋计算简化为简支梁结构计算内力，按照环形截面受弯构件进行正截面承载力计算。计算公式如下：

αfcA+(α-αt)fyAs=0

(3)

(4)

αl=1-1.5α

式中：M为截面弯矩设计值；A为环形截面面积，mm2；As为全部纵向钢筋截面面积，mm2；r1、r2为环形截面内、外半径，mm；rs为纵向钢筋所在圆周半径，mm；a为受压区面积与全截面面积的比值；at为纵向受拉钢筋截面面积与全部纵向钢筋截面面积的比值，当a>2/3时，取at=0。

根据以上公式，环形截面受弯构件正截面承载力计算过程为(试算法)：首先，假定截面纵向钢筋截面面积As(即假定所配纵向钢筋直径d、间距s)，然后由公式(3)求解a值，再带入公式5，得出at值，最后再根据公式4计算出纵向钢筋截面面积As，与假定值相比，如果两者相差较多，则重复以上计算，直到求出的As与假定As接近为止。

2.2.3 计算结果

按照上文计算公式及过程，进行纵向钢筋试算，试算结果见表2。经试算，假定的纵向钢筋面积为37 200 mm2时，计算结果接近假设面积，实际采用不小于37 200 mm2，纵向钢筋型式选用C25@200。

结合横向及纵向配筋计算结果，横向钢筋型式选用C20@200，纵向钢筋型式选用C25@200。

表2 纵向钢筋试算结果

3 结语

(1)我国的基础建设仍在如火如荼的发展，建设过程中会不断遇到各种新的挑战，只有不断总结经验，才能为今后的工程建设提供借鉴。

(2)本文所述的这种结构兼有常规渡槽和隧洞的特点，既承受较大横向荷载，又承受较大的纵向荷载，该结构在之前的工程中并不常见，可为今后同类工程提供借鉴，对于跨越较大溶洞的隧洞可避免大规模回填，对于跨越地下河流的隧洞则可避免回填阻碍地下水流流通。同时，本结构也可供受力情况类似的结构参考。