富水地質(zhì)條件下地面大開挖隧洞成型方案比選

孫 強，單柏翔，游 艇

0 前言

隧洞工程包括交通隧洞（鐵路隧道、公路隧道）、水工輸水隧洞。隨著隧洞工程快速發(fā)展，施工技術、設計理念均有較大改進，主要表現(xiàn)在從常規(guī)地形、地質(zhì)條件向復雜地質(zhì)條件的轉(zhuǎn)變，從常規(guī)開挖方法到平地大開施工方法的轉(zhuǎn)變，從以前短距離單支洞泄洪洞到現(xiàn)在考慮遠距離支、主洞整體概念的輸水隧洞等[1-3]。本文涉及到以上兩個方面，一是富含水砂礫石層的復雜地質(zhì)條件；二是區(qū)別于巖石坡面的平地面大開挖。

以柴河水庫隧洞工程為例，柴河水庫隧洞工程支洞口位于汎河250 m處，隧洞埋深0～36 m，地表為砂卵礫石，透水性強；洞室部位地層巖性為晚侏羅世侵入的安山巖、蝕變安山巖。進口段巖組不整合接觸帶、節(jié)理發(fā)育部位巖體較破碎～破碎，圍巖多為Ⅳ、Ⅴ類。安山巖局部節(jié)理裂隙極其發(fā)育、蝕變作用強烈，加之地下水與地表汎河水產(chǎn)生水力聯(lián)系，洞室開挖過程中可能出現(xiàn)節(jié)理切割的失穩(wěn)超塊體塌方、突水等地質(zhì)問題，為解決如此復雜的地質(zhì)條件下的開挖進洞問題，提出三種方案，進行對比研究。

1 存在問題

（1）在滿足主隧洞線路情況下，支洞必須布置在距離汎河河道250 m左右的河灘地上，因地面平整，必須采用大開挖的方式，開挖方量大，基坑深，砂礫石透水嚴重，而且存在汛期河水倒灌的危險[4-5]；（2）工期長，施工受季節(jié)影響大，且滲水量大，抽排費用高，長期排水邊坡有容易失穩(wěn)。

工程布置圖詳見圖1所示。

圖1 隧洞大開挖布置圖（單位：m）

2 隧洞成型方案

2.1 方案一：阻水帷幕后設輕型鋼大棚

利用明槽段外圍阻水帷幕施工對目前存在較大滲水的邊坡進行系統(tǒng)處理，阻斷強弱風化巖體滲水、地下滲水進入施工明槽，保證水量控制的可控范圍內(nèi)。同時，在明槽段上部搭設型鋼大棚作為覆蓋形成相對較封閉的室內(nèi)操作空間，阻止地上降雨、降雪等上部水體進入基坑，保證明槽段形成較為干燥的施工條件，解決雨天、雪天坡陡路滑，冬季保溫等無法克服的施工困難，提高生產(chǎn)強度，保證工期滿足合同要求。此方案由分兩部分：一是阻水帷幕；二是輕型型鋼棚布置。

2.1.1 阻水帷幕施工

洞口阻水帷幕灌漿緊貼擺噴防滲墻布置單排帷幕孔，預計布孔206個?？拙?.6 m，孔深15.7 m，先導孔與檢查孔鉆孔孔徑Φ76 mm，灌漿孔鉆孔孔徑Φ56 mm。預計鉆孔約3234 m，巖石灌漿1854 m，灌漿單耗250 kg/m，灌漿水泥用量約460 t。灌漿孔分三序施工，Ⅰ序孔51個，Ⅱ序孔52個，Ⅲ序孔103個，所有灌漿孔共分為10個單元。

施工時間計劃：前期準備10天，設備人員進場后現(xiàn)場布置5天，主體施工30天，灌后等強14天，灌后質(zhì)量檢查孔施工7天，共計66天。

2.1.2 型鋼大棚施工

對整個明槽段開挖輪廓線外全覆蓋輕型型鋼大棚進行封閉，型鋼大棚坐落于明槽開挖輪廓外圍堰之上，高出地表以上。型鋼大棚能有效的阻止外部降雨、降雪等外來水體進入基坑，同時，可兼顧冬季保溫施工。大棚全長152 m，跨度8 m～52 m，覆蓋建筑面積5058 m2，大棚屋檐高于堰頂高程1.5 m～2.0 m（設采光窗、通風口）。型鋼大棚采用方鋼作為主體骨架、屋面、墻面檁條采用冷彎薄壁型鋼制作，屋面板采用100mm厚彩鋼瓦覆蓋。大棚雙坡排水，排水通過明槽圍堰堰頂截水溝排放。

施工時間計劃：前期施工準備10天，設備人員進場后現(xiàn)場布置5天，材料進場5天，主體施工40天，共計劃時間60天。

2.1.4 方案工程量及費用估算

阻水帷幕+型鋼棚組合施工工程量及費用見表1。

表1 方案一主要工程量及費用計算

2.2 方案二：外延明洞并回填

從支洞樁號0+130后進入洞挖施工，為改變冬季、雨季難以正常施工的現(xiàn)狀，擬將明拱段外延至0+000樁號處，待明拱形成達到強度要求后，回填砂卵石土至原地貌地面以上，將原設計明槽所無法避免的降雨、降雪影響因素最大程度的降低；同時，通過底板混凝土澆筑、拱架外圍鋪設土工膜等措施，有效阻斷底板及明槽邊坡強滲水進入明洞拉槽段，保證施工滿足施工需求。

2.2.1 施工方案及技術參數(shù)

1）明拱段施工：采用“型鋼拱架+鋼筋網(wǎng)+噴射混凝土”支護施工，型鋼拱架采用I12工字鋼加工，拱架間Φ22錨桿連接；拱架外側(cè)鋪裝6 mm厚鋼板全斷面封閉；拱架內(nèi)側(cè)布設鋼筋網(wǎng)Φ8@150 mm×150 mm，噴射混凝土標號C25，噴射厚度150 mm。

2）防滲施工措施

①底板混凝土澆筑：底板混凝土采用C20混凝土澆筑施工，澆筑厚度200mm，表面鋪設鋼筋網(wǎng)Φ8@150mm×150mm一層。

②土工膜防滲：為阻斷明槽邊坡滲漏，在拱架回填施工之前，沿拱架外圍側(cè)環(huán)向鋪設土工膜一層，根據(jù)大壩防滲體施工及工程施工經(jīng)驗參考擬選用兩布一膜，規(guī)格500 g/m2，伸長率40%～60%的土工膜。土工膜緊貼拱架鋼板面鋪設，以拱架鋼板作為土工膜支撐層。為保證底板與拱架外圍整體的防滲效果，在底板混凝土澆筑期間，預埋土工膜與明洞外側(cè)土工膜焊接連接，保證明洞段處于整體防滲保護體保護范圍內(nèi)。

3）明槽回填：在明拱段拱架施工完成后，分層回填素土、砂土或洞渣料至開挖前原地貌地面線。施工時，土工膜施工與分層回填同步進行，土工膜側(cè)面和上部500 mm范圍內(nèi)人工回填素土層，以作為土工膜上墊層。

2.2.2 施工工期

拱架加工制作15天，明拱安裝45天，噴射混凝土10天，底板混凝土澆筑13天，明拱外側(cè)土工膜安裝、拱外回填施工7天。合計直線工期68天。

2.2.3 方案工程量及費用估算

方案工程量及費用估算，見表2。

表2 方案二工程量及費用估算

2.3 方案三 現(xiàn)澆混凝土涵洞

擬將0+000～0+130明槽段通過現(xiàn)澆鋼筋混凝土形成混凝土涵洞，根據(jù)通行需求，涵洞斷面按5 m×5 m（凈斷面）設計，鋼筋混凝土涵洞施工完成后，涵洞外側(cè)回填砂礫石土至原地表高程。

2.3.1 施工方案及技術參數(shù)

1）涵洞施工

①鋼筋混凝土澆筑采用組合鋼模板施工，混凝土及配筋采用與鎖口相一致的C35鋼筋混凝土，雙層配筋，主筋Φ22，分布筋Φ16。按10 m一倉進行分倉澆筑，倉位間設置橡膠止水。澆筑時，澆筑層高按2 m控制。

②底板混凝土采用C20混凝土澆筑施工，澆筑厚度200 mm，表面鋪設鋼筋網(wǎng)Φ8@150 mm×150 mm一層。

2）回填施工

在涵洞施工完成后，分層回填素土、砂土或洞渣料至開挖前原地貌地面線。

2.3.2 施工工期

涵洞澆筑施工采用人工搭設滿堂架，支立組合鋼模板進行施工，底板混凝土澆筑13天，涵洞澆筑預計直線工期93天，土石方回填7天。

2.3.3 方案工程量及費用估算

方案工程量及費用估算，見表3。

表3 方案三工程量及費用估算

2.4 方案比選

根據(jù)對各施工方案的對比分析，認為方案二為最佳方案。

3 結(jié)論

（1）通過外延明拱噴射混凝土+外包土工膜及底板混凝土澆筑形成完整防滲整體，能有效阻斷外圍滲水滲漏進入洞內(nèi)，利用明拱外延封閉將原有露天施工影響進行合理規(guī)避，保證即使地下水位上漲，明槽段強風化巖體滲水不影響施工洞室作業(yè)。

（2）可加強此施工工作面的安全保障能力，對整個工程安全建設起到積極的促進作用；同時，方案實施得當，明槽邊坡滲水得到有效控制，防止在汛期超標滲水進入主洞，消除對下游洞室可能存在的威脅隱患。

（3）通過明拱外延有效的解決了滲水問題，保障了施工安全，避免了因道路滲水、坡面滲水導致濕滑、冰潔路面多存在的安全隱患，減少工程經(jīng)濟損失；同時，方案的實施進一步提高工程本身防洪度汛能力，減少可能出現(xiàn)的不可預見的經(jīng)濟損失。

（4）可大幅改雨雪、冰凍條件下不利的交通條件，特別是在冬季負溫狀態(tài)下（每年11月至次年3月此時間段內(nèi)，長坡面結(jié)冰路面運輸相當困難，施工效率低下）施工工期不受影響，4個冬季施工均能高效施工，為工程達標投產(chǎn)產(chǎn)生積極的推進作用。

[1]劉銳.復雜地質(zhì)條件下中小型水利工程勘測設計工作若干問題思考[J].水利建設與管理,2017,01:59-62.

[2]孫超.長江大堤巨厚粉細砂層混凝土防滲墻施工[J].水利建設與管理,2016,12:16-19.

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