引沁灌區(qū)總干渠煤礦沉陷區(qū)改造方案

王晶晶

（焦作市引沁廣利灌區(qū)服務(wù)中心，河南 濟(jì)源 454650）

1 項(xiàng)目背景

引沁總干渠采空區(qū)位于總干渠樁號(hào)11+013～22+000 之間，地處總干渠上游段，總干渠采空區(qū)上游0+000～11+013段，為灌區(qū)引水渠道，基本無(wú)灌溉面積。采空區(qū)總干渠控制著灌區(qū)范圍內(nèi)下游總干渠、干渠、分干渠、支渠、加支渠、斗渠等所有渠道取水任務(wù)，是整個(gè)灌區(qū)的“卡脖子”工程。

煤礦開采導(dǎo)致引沁總干渠滲透嚴(yán)重、渠道整體下沉、渠道嚴(yán)重毀壞，已經(jīng)形成了重大安全隱患。引沁總干渠居高臨下，由于煤礦開采已造成引沁總干渠大社段由原來(lái)的地下渠變?yōu)榈厣蠎仪?，且該?2 公里范圍內(nèi)沒有泄水工程，一旦出現(xiàn)決堤跑水，將對(duì)濟(jì)源市河口、大社、中社、南莊等村莊群眾生命財(cái)產(chǎn)及農(nóng)田、房屋、道路、通信、電力和煤場(chǎng)造成重大安全事故。為保證周圍民眾生命財(cái)產(chǎn)安全及社會(huì)穩(wěn)定，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行治理刻不容緩。

引水能力不足，渠道滲漏嚴(yán)重。從20 世紀(jì)90 年代開始，煤礦開采給引沁總干渠造成的危害逐步顯現(xiàn)出來(lái)，且日益加重，目前渠道最大裂陷深度已達(dá)4m，最大裂陷寬度0.2m，一年中多次造成總干渠停水，過水能力嚴(yán)重降低。已由原設(shè)計(jì)過水能力21m3/s，下降到現(xiàn)在的7m3/s。整個(gè)采空區(qū)段年滲漏約3000 萬(wàn)m3的水量，滲漏嚴(yán)重，浪費(fèi)了大量的水資源，占用了引沁灌區(qū)的引水指標(biāo)。由于總干渠引水流量銳減，部分干、支渠不得不采用輪灌方式進(jìn)行灌溉，部分調(diào)蓄庫(kù)、池也不能合理利用，造成灌區(qū)水資源利用不均，不能充分發(fā)揮灌區(qū)的效益。為減少渠道滲漏，保證灌區(qū)灌溉效益，對(duì)采空區(qū)段進(jìn)行處理勢(shì)在必行。

2 方案比選

2.1 原渠線加固改造方案

此段總干渠的空采區(qū)域存在時(shí)間較長(zhǎng)，煤層上面的巖層破損，在地面形成了繼續(xù)擴(kuò)張的沉陷區(qū)，很多礦井無(wú)法再進(jìn)行運(yùn)作，井下工作通道受到了毀壞，采礦場(chǎng)上方的巖層塌下，形成了冒落帶。這使得我們不能采取井下填充法來(lái)加固空采區(qū)。因此，根據(jù)空采區(qū)的實(shí)際狀況，這次設(shè)計(jì)的技術(shù)人員選擇使用注漿法進(jìn)行加固處理。

注漿法是一種被廣泛使用的地基處理技術(shù)。在這個(gè)過程中，施工人員向土層空隙、土層交界處、巖層缺口（比如溶洞、溶隙、裂隙、空隙），以及空采區(qū)的塌陷帶和裂隙帶中注入具備填充膠結(jié)特性的漿液材料。充填材料硬化后可以增加采空區(qū)強(qiáng)度或降低滲透性，進(jìn)而優(yōu)化巖土層的物理及力學(xué)性質(zhì)，以達(dá)到地基加固的效果。這次處理的空采區(qū)主要分布在地表下淺層的煤層中，我們根據(jù)工程的特點(diǎn)，參照“三下”采煤規(guī)程中的垂線法以保護(hù)煤柱的邊界。按勘測(cè)資料提供的淺層煤層的參數(shù)來(lái)計(jì)算保護(hù)煤柱寬度與采空區(qū)的實(shí)際區(qū)域，確定注漿的處理范圍。采用梅花形布孔方法均勻設(shè)置注漿孔，并依照類似工程的施工參數(shù)進(jìn)行取值?；诳偢汕擅嚎諈^(qū)的具體狀況，采用帷幕灌漿的方式來(lái)保護(hù)煤柱的邊緣，其中灌漿孔的間隔為2m。中心的孔設(shè)計(jì)以排距18m、孔間距18m 為準(zhǔn)。在實(shí)際施工過程中，依據(jù)灌漿試驗(yàn)的注漿效果對(duì)布孔間隔進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

總干渠采空區(qū)段渠道多為漿砌石矩形槽，部分為混凝土梯形渠道。綜合考慮采空區(qū)沉降、渠道整體性、減少占地及對(duì)渠道周圍民眾的影響等因素，上部渠道采用鋼筋混凝土矩形槽渠道，矩形槽每隔10m 設(shè)橫向伸縮縫，縫內(nèi)設(shè)止水帶，槽頂設(shè)欄桿。矩形槽下設(shè)0.1m 厚C15 混凝土墊層。在矩形槽的沉降縫內(nèi)，靠近水邊3cm 部分使用了密封膠來(lái)封閉，設(shè)立紫銅片止水帶的位置距離迎水面有0.2m，而在縫內(nèi)的其他區(qū)域，全部都使用了閉孔塑料泡沫板來(lái)進(jìn)行填充。在總干渠采空區(qū)渠段，大部分渠道發(fā)生沉陷，最大沉降深度為4m，平均沉降深度為1m 左右，要求矩形槽下基礎(chǔ)進(jìn)行水泥土回填，回填內(nèi)設(shè)土工格柵，土工格柵層距為0.5m?；靥钔良巴凉じ駯欧謱犹钪??？偢汕煽諈^(qū)段上部渠道布設(shè)監(jiān)測(cè)儀器，矩形槽槽頂布設(shè)沉降位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，渠道外原狀穩(wěn)定地方布設(shè)工作基點(diǎn)，選取沉降明顯渠段矩形槽布設(shè)鋼筋計(jì)、滲壓計(jì)等監(jiān)測(cè)儀器，及時(shí)收集數(shù)據(jù)，掌握渠道運(yùn)行情況，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)做出應(yīng)對(duì)措施。

2.2 盤玉渡槽至蟒河渡槽隧洞方案

線路起于河口村水庫(kù)右岸引渠總干渠盤玉渡槽出口，終點(diǎn)位于白澗村北側(cè)引沁干渠蟒河渡槽進(jìn)口。線路總體自東向西沿太行山山脈延伸方向。山區(qū)段地面高程325m～1060m，樁號(hào)2+465 為場(chǎng)區(qū)分水嶺，分水嶺高程為1060m。線路沿線無(wú)河流分布，沿線沖溝近南北向發(fā)育，大多切割不深，發(fā)育間距一般為200m，延伸長(zhǎng)度小于3km，沖溝比降大，溝道狹窄，均為季節(jié)性沖溝。線路起點(diǎn)附近分布有河口村水庫(kù)，線路終點(diǎn)附近分布有蟒河口水庫(kù)。根據(jù)《河南省焦作市引沁灌區(qū)續(xù)建配套與現(xiàn)代化改造可行性研究階段工程地質(zhì)勘察報(bào)告》，洞身段Ⅱ類圍巖約占35.0%，Ⅲ類圍巖約占61.11%，Ⅴ類圍巖及第四系含碎石粉質(zhì)黏土約占3.89%，圍巖厚度具備成洞條件。

針對(duì)巖石隧洞施工常用的鉆爆法與TBM 法兩種施工方法分別進(jìn)行了隧洞設(shè)計(jì)。

2.2.1 鉆爆法施工隧洞設(shè)計(jì)

引沁總干渠盤玉渡槽出口至蟒河渡槽進(jìn)口（總干樁號(hào)ZGQ5+337～22+060）采用隧洞貫穿。該段原渠道長(zhǎng)16.72km，總落差11.40m。設(shè)計(jì)隧洞長(zhǎng)約12.0km，縱坡 1/1153。

1）洞型的選擇

我們主要對(duì)比分析了圓拱直墻型、馬蹄型和蛋形三種隧洞斷面方案?；趯?duì)地質(zhì)環(huán)境的考量，以及噴錨支護(hù)作為臨時(shí)支撐能抵抗圍巖壓力的實(shí)力，我們決定采用圓拱直墻型斷面作為工程隧洞的形態(tài)，也就是我們通常所稱的城門洞型。

2）隧洞水力設(shè)計(jì)

洞身水力設(shè)計(jì)主要是確定洞身凈寬、水深、洞身進(jìn)出口底高程和洞底縱坡。洞身高度按洞內(nèi)水面線以上的凈空面積不小于隧洞斷面面積的15%，且高度不小于40cm 確定洞身斷面尺寸按明渠均勻流計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，隧洞凈寬取3.2m，直墻段改2.8m，圓拱高1.228m，圓拱中心角150°。

3）隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為加固圍巖、提高圍巖自承能力，保證施工期的圍巖穩(wěn)定，隧洞臨時(shí)支護(hù)設(shè)計(jì)根據(jù)《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》，隧洞洞身采用錨桿、噴射混凝土支護(hù)（以下簡(jiǎn)稱噴錨支護(hù)）。噴錨支護(hù)采用工程類比法進(jìn)行設(shè)計(jì)。噴錨支護(hù)的原則是錨桿、噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)或其他類型的支護(hù)共同作用，由他們分別提供抗力，維持圍巖的穩(wěn)定。噴錨支護(hù)參數(shù)根據(jù)《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)定（GB 50086-2015）及水利、鐵路、公路等已建工程進(jìn)行類比，并結(jié)合本工程圍巖的特點(diǎn)綜合選用。

2.2.2 TBM 法施工隧洞設(shè)計(jì)

TBM 具有全斷面開挖、出渣、支護(hù)以及灌漿等工藝同步進(jìn)行等特點(diǎn)，TBM 法采用圓形斷面形式，掘進(jìn)機(jī)采用雙護(hù)盾TBM 掘進(jìn)機(jī)。TBM 襯砌采用25cm 厚預(yù)制C50 鋼筋混凝土管片。

2.2.3 鉆爆法和TBM 法隧洞設(shè)計(jì)投資對(duì)比

經(jīng)估算，鉆爆法施工總投資約為2.78 億元，TBM 雙護(hù)盾施工方案投資約為4.05 億元。

2.3 花椒園隧洞至蟒河渡槽隧洞方案

該方案布置原則、計(jì)算方法、洞身結(jié)構(gòu)型式等與方案二相同，但由于該方案隧洞洞線進(jìn)出口高程落差較小，導(dǎo)致洞底縱坡較緩，洞身斷面較大，具體布置如下。

根據(jù)《河南省焦作市引沁灌區(qū)續(xù)建配套與現(xiàn)代化改造初步設(shè)計(jì)階段工程地質(zhì)勘察報(bào)告》，洞身段圍巖類別以Ⅱ類、Ⅲ類為主，少量為Ⅴ類，洞身段Ⅱ類圍巖約占58.58%，Ⅲ類圍巖約占38.23%，Ⅴ類圍巖及第四系含碎石粉質(zhì)黏土約占3.19%。引沁總干渠花椒園洞出口至蟒河渡槽進(jìn)口（總干樁ZGQ10+860～22+060）改為隧洞貫穿，此布置可以避開上游峪鐵水電站，不影響峪鐵水電站效益發(fā)揮。兩處連線因位于太行山坡積層，因此從花椒園洞出口向北開鑿隧洞引入巖體，然后至蟒河渡槽進(jìn)口。該段原渠道長(zhǎng)11.09km，總落差3.3m。設(shè)計(jì)隧洞長(zhǎng)11.0km，縱坡1/3600，設(shè)計(jì)過水能力18m3/s?？紤]到水頭較小及經(jīng)濟(jì)性，自流灌溉設(shè)計(jì)流量10m3/s，提灌設(shè)計(jì)流量18m3/s。經(jīng)計(jì)算，隧洞比降為1/3660，凈寬取4.5m，直墻段改3.0m，圓拱高1.228m，圓拱中心角120°。選用鉆爆法、TBM 雙護(hù)盾兩種方案進(jìn)行比較。經(jīng)估算,方案三鉆爆法施工總投資約為2.9 億元，TBM 雙護(hù)盾施工方案投資約為4.2 億元。

3 方案比選及分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，方案一投資13.7 億元，且處理后煤礦開采可能會(huì)形成新的采空區(qū)，不能完全解決采空區(qū)對(duì)整個(gè)灌區(qū)的影響。另外采空區(qū)灌漿處理不確定因素的、不能很好控制投資，方案二與方案三隧洞長(zhǎng)度基本相同，方案三2.9 億元隧洞落差較小，比降緩，洞徑大，投資相對(duì)較大。方案二投資2.8 億元，比降較陡，洞徑較小，整體較經(jīng)濟(jì)，但是下穿太行山國(guó)家獼猴自然保護(hù)區(qū)，協(xié)調(diào)難度大，經(jīng)與地方商議及綜合分析，選取方案三。鉆爆法比較靈活，可以很快開始開挖施工，可以適用于較多的洞型，適用于堅(jiān)硬完整或較軟弱的圍巖，且比TBM 雙護(hù)盾施工方法經(jīng)濟(jì)，所以本方案選用鉆爆法施工方案。經(jīng)綜合分析，本次設(shè)計(jì)選用方案三：花椒園隧洞至蟒河渡槽隧洞方案。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要從隧洞的長(zhǎng)度、投資、自然環(huán)境影響、水文地質(zhì)條件、施工方法這幾個(gè)方面對(duì)三種方案進(jìn)行比選，影響隧洞選線及方案的因素很多，所以應(yīng)綜合考慮各種因素，進(jìn)行技術(shù)比較后選定。