秦嶺特長隧洞下穿椒溪河設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)

李凌志

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安710043)

秦嶺特長隧洞下穿椒溪河設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)

李凌志

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安710043)

秦嶺隧洞下穿椒溪河段為工程的重難點(diǎn)之一。設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了埋深淺、高外水壓的特點(diǎn)，采用ANSYS有限元軟件對二次襯砌結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算。施工中運(yùn)用多種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，結(jié)合超前水平鉆孔，較準(zhǔn)確地預(yù)測了掌子面前方圍巖地質(zhì)狀況及富水性，并根據(jù)預(yù)測結(jié)果制定應(yīng)對措施。鑒于涌水通道與洞頂椒溪河的連通性，采取修筑簡易擋水圍堰和防滲墻，有效地減小了洞內(nèi)涌水量。面對三次大的涌水，及時(shí)配置抽水設(shè)施，靈活采取多種形式的注漿措施，使該段順利通過。實(shí)踐證明，設(shè)計(jì)與施工方案切實(shí)可行，對類似工程具有借鑒意義。

隧洞 下穿河流 設(shè)計(jì) 施工 超前預(yù)報(bào)

1 工程概況

陜西省引漢濟(jì)渭工程是一項(xiàng)解決關(guān)中地區(qū)城市群缺水和生態(tài)缺水的跨流域調(diào)水工程，地跨長江、黃河兩大流域，穿越秦嶺山脈，工程浩大，意義深遠(yuǎn)。秦嶺隧洞越嶺段全長81.779 km，為引漢濟(jì)渭調(diào)水項(xiàng)目的控制性關(guān)鍵工程。隧洞于K2+840附近下穿漢江二級支流椒溪河，其最小埋深僅20 m(上層9 m鵝卵石層+下層11 m大理巖、石英片巖)。且隧洞上方為三河口水庫蓄水區(qū)，最大蓄水深度為78 m?？梢姡麓┙废佣问┕るy度大、風(fēng)險(xiǎn)高，對設(shè)計(jì)和施工均有極高要求。

隧洞下穿椒溪河段工程范圍內(nèi)主要巖性為志留系中統(tǒng)大理巖夾石英片巖。同時(shí)，該段發(fā)育一條逆斷層，斷層帶內(nèi)主要為斷層角礫及斷層泥，斷層帶寬度5～15 m。該段地質(zhì)縱斷面詳見圖1。

圖1 隧洞下穿椒溪河段縱斷面

椒溪河流域地處秦嶺南坡，為漢江二級支流，水量較大，主要受大氣降水補(bǔ)給，隨季節(jié)性變化較大。其中，12～3月總降水量為85 mm，僅占全年降水量的9.2%。地下水為基巖裂隙水及巖溶水，水量較豐富，受大氣降水補(bǔ)給，屬于中等富水區(qū)(Ⅱ)。

2 設(shè)計(jì)參數(shù)及方案

結(jié)合地質(zhì)縱斷面和現(xiàn)場地形情況，并考慮運(yùn)營期三河口水庫影響，對下穿椒溪河長370 m段(里程K2 +710—K3+080)進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)。采用復(fù)合式襯砌，其中初期支護(hù)采用噴、錨、網(wǎng)支護(hù)，Ⅳ，Ⅴ類圍巖設(shè)置I16型鋼鋼架，同時(shí)拱部120°范圍設(shè)φ42超前小導(dǎo)管預(yù)注漿加固地層;二次襯砌采用C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，考慮后期高外水壓力，襯砌厚度為100 cm;襯砌背后全斷面設(shè)防水板，且不設(shè)排水孔。具體支護(hù)參數(shù)見表1。

表1 隧洞下穿椒溪河段支護(hù)參數(shù)

由于本段巖體較破碎，節(jié)理裂隙貫通性較好，導(dǎo)水性強(qiáng)，施工時(shí)易出現(xiàn)突水、涌泥，因此設(shè)計(jì)中明確要求施工前進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，并將其納入正常施工工序，采用多種超前預(yù)報(bào)方法相互印證，達(dá)到超前預(yù)警的作用，同時(shí)制定完善的處理措施及應(yīng)急預(yù)案，做好超前支護(hù)和監(jiān)控量測，確保施工安全。

3 二次襯砌數(shù)值模擬計(jì)算

本段隧洞結(jié)構(gòu)后期運(yùn)營時(shí)需承受78 m水頭的外水壓力，對二次襯砌強(qiáng)度要求較高，設(shè)計(jì)中進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度檢算分析。

本次數(shù)值分析通過采用ANSYS有限元軟件建立荷載—結(jié)構(gòu)模型，對復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，意在使襯砌結(jié)構(gòu)滿足各階段的承載能力和正常使用要求。荷載—結(jié)構(gòu)模型是我國隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中推薦采用的一種方法。該理論認(rèn)為地層對結(jié)構(gòu)的作用只是產(chǎn)生作用在地下建筑結(jié)構(gòu)上的荷載(包括主動(dòng)地層壓力和被動(dòng)地層抗力)，襯砌在荷載的作用下產(chǎn)生內(nèi)力和變形。

計(jì)算模型如圖2所示。二次襯砌內(nèi)力及變形如圖3所示。

二次襯砌內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見表2。

圖2 計(jì)算模型示意

圖3 二次襯砌內(nèi)力及變形

表2 二次襯砌內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)圖3和表2，再結(jié)合工程造價(jià)和工程類比，考慮全水頭外水壓力，隧洞下穿椒溪河段選取厚度為100 cm、每延米配5φ32受力鋼筋的混凝土襯砌結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)亦能滿足抗裂要求。

4 隧道涌水處理措施

4.1 施工準(zhǔn)備

施工前需做好突涌水應(yīng)急預(yù)案，配置相應(yīng)抽水設(shè)備，同時(shí)采取多種方法，對掌子面前方圍巖進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。綜合TSP、地質(zhì)雷達(dá)、紅外探測等多種手段的預(yù)報(bào)結(jié)果，并配合超前水平鉆孔，力爭對前方地質(zhì)情況尤其是巖體富水性做出較準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，提前采取局部注漿等措施，保證施工順利進(jìn)行。

4.2 涌水處理過程

4.2.1 第一次涌水及處理

2013年2月20日，隧洞開挖至里程K2+692.5處(距原設(shè)計(jì)下穿椒溪河段約17.5 m)，爆破后掌子面中上部突然發(fā)生較大涌水，實(shí)測初期涌水量約11 000 m3/d，隨后衰減至4 800 m3/d，后由于受大氣降水補(bǔ)給影響及巖石節(jié)理裂隙中的充填物被涌水疏排，正常涌水量增至約9 600 m3/d。現(xiàn)場采用2臺WQ200-40-37型和2臺WQ150-50-37型潛水泵及2條φ300 mm水管進(jìn)行抽排水，至3月11日將積水排完。

為順利通過涌水段，對該段落進(jìn)行周邊帷幕注漿處理。于里程K2+688.5處設(shè)止?jié){墻，止?jié){墻上布置4環(huán)28個(gè)注漿孔(第1環(huán)注漿孔3個(gè)，第2環(huán)注漿孔12個(gè)，第3環(huán)注漿孔10個(gè)，第4環(huán)注漿孔3個(gè))，5個(gè)超前探孔，超前探孔必要時(shí)可做為注漿孔，檢查孔4個(gè)。具體布置詳見圖4。

根據(jù)現(xiàn)場施工情況和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果，將原設(shè)計(jì)下穿椒溪河段自K2+710提前至K2+685，采用加強(qiáng)襯砌斷面。

4.2.2 第二次涌水及處理

2013年6月15日，隧洞開挖至K2+706.9處，爆破后并無涌水現(xiàn)象。在出渣過程中，掌子面底部及左側(cè)邊墻底部突然涌水，實(shí)測初期涌水量約9 800 m3/d，隨后有一定衰減，后由于受大氣降水補(bǔ)給影響及巖石節(jié)理裂隙中的充填物被涌水疏排，涌水量最大增至23 600 m3/d?，F(xiàn)場采用2臺KQSN300-M6/486型離心泵、2臺WQ200-40-37型潛水泵、2臺WQ150-50-37型潛水泵和2條φ300 mm水管、2條φ200 mm水管抽排水。

在抽排水期間，由于雨季汛期來臨，隧洞內(nèi)涌水隨椒溪河水位突漲，說明洞內(nèi)涌水與椒溪河流水有一定水力聯(lián)系。結(jié)合現(xiàn)場出水點(diǎn)特征本次采用局部注漿方案，并于止?jié){墻內(nèi)側(cè)預(yù)留部分虛渣以防止清渣導(dǎo)致涌水進(jìn)一步加大。止?jié){墻侵入圍巖不小于1 m，渣體內(nèi)部預(yù)埋3根4 m長DN300排水管排水，并安裝DN300閘閥。待關(guān)閉閘閥后周邊無滲水時(shí)，對涌水部位注雙液漿進(jìn)行處理。具體布置如圖5所示。

圖4 第一次注漿孔布置

圖5 第二次注漿孔布置(單位:m)

為進(jìn)一步探明前方圍巖富水性情況，自里程K2+ 715起，每開挖20 m施作9個(gè)水平探孔(孔深25 m)，并對探孔進(jìn)行注漿。

4.2.3 第三次涌水及處理

2013年9月16日，隧洞K2+735處施作的9個(gè)水平探孔中有5個(gè)孔存在不同程度的出水，其中3個(gè)為有壓力的涌水孔(噴射平距2.5 m)，現(xiàn)場按要求提前注漿。在檢查孔無出水的情況下，繼續(xù)開挖至K2+ 738處。此時(shí)，左側(cè)邊墻上部由少量滲水變?yōu)楣蔂钣克⒅饾u增大，隨著沖刷范圍擴(kuò)大形成涌水通道，涌水量最大增至24 000 m3/d?，F(xiàn)場采用既有的第二次涌水抽排設(shè)備。

本次涌水量大小隨河水水位變化明顯，可以確定涌水通道與河道連通，為了減小洞內(nèi)抽排水壓力，對河床疑似連通通道口周邊進(jìn)行開挖，回填黃土修筑簡易防滲墻，并在防滲墻前修筑擋水圍堰，減小洞內(nèi)涌水量。同時(shí)，對涌水點(diǎn)部位布孔注漿堵水。注漿孔布置如圖6所示。

圖6 第三次注漿孔布置

本次涌水處理過程中，超前水平探孔較準(zhǔn)確地探明了前方的涌水情況，并提前進(jìn)行注漿處理。此外，由于洞內(nèi)涌水與河道有一定的連通關(guān)系，通過擋水圍堰和防滲墻的修筑，有效地減小了洞內(nèi)涌水量，使得本次涌水處理時(shí)間較前兩次大大減少，僅用時(shí)12 d即處理完成。

4.2.4 后續(xù)段落施工

通過三次大的涌水事故處理，為后續(xù)段落的施工積累了經(jīng)驗(yàn)。后續(xù)施工時(shí)，采用TSP、地質(zhì)雷達(dá)、紅外探測等多種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，嚴(yán)格執(zhí)行9孔超前水平探孔，根據(jù)探測結(jié)果進(jìn)行提前注漿處理。下穿椒溪河段施工過程中共計(jì)實(shí)施超前水平探孔7次。

由于洞內(nèi)涌水與河水有一定的水力聯(lián)系，采取分段修筑擋水圍堰和防滲墻的措施，減小洞內(nèi)涌水，逐段下穿通過椒溪河河床。

通過以上處理措施，后續(xù)施工得以順利進(jìn)行，無大的涌水事故發(fā)生。2014年1月，隧洞施工至K2+932時(shí)，掌子面已基本無基巖裂隙水。2014年3月，隧洞施工至K3+080，標(biāo)志著下穿椒溪河段順利完工。

5 結(jié)語

隧洞下穿椒溪河段埋深淺、地質(zhì)條件差。巖體導(dǎo)水性強(qiáng)，與洞頂河流有一定水力聯(lián)系。對施工過程總結(jié)如下:

1)綜合多種方法(TSP、地質(zhì)雷達(dá)、紅外探測)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)能更好地探測前方地質(zhì)情況，施工中所揭示的地質(zhì)情況與預(yù)測結(jié)果大致相符。

2)超前水平鉆孔對前方巖體富水性的探測具有良好的效果，同時(shí)對探孔進(jìn)行注漿可以減少洞內(nèi)涌水量。施工中K2+735處的9個(gè)探孔很好地預(yù)測了第三次大的涌水，提前做好處理預(yù)案，大大縮短了處理時(shí)間。

3)結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和水平探孔預(yù)測結(jié)果，可有效針對掌子面前方圍巖進(jìn)行處理，采用預(yù)注漿時(shí)，注漿方式、部位、漿液類型均可靈活選擇。

4)在涌水通道與洞頂有一定水力聯(lián)系時(shí)，通過分段修筑擋水圍堰和防滲墻，隧洞逐段施工的方法，可有效減小洞內(nèi)涌水。

5)施工開挖過程中盡量減少一次性進(jìn)入斷層或富水段的工作面積及長度，爆破時(shí)堅(jiān)持多打眼、少裝藥的弱爆破施工方法，以減少對圍巖的擾動(dòng)。

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(責(zé)任審編葛全紅)

U455．4

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．22

1003-1995(2015)04-0081-04

2014-10-20;

2015-02-13

李凌志(1971—)，男，陜西大荔人，高級工程師。