引大入秦工程盤道嶺隧洞病害分析及加固方案

(甘肅省引大入秦工程管理局，甘肅 蘭州 730300)

1 工程概況

盤道嶺隧洞是甘肅省引大入秦工程總干渠最長的無壓隧洞，隧洞斷面為圓拱直墻，仰拱底板。成洞尺寸4.2m×4.4m(寬×高)，設(shè)計(jì)水深2.92m，加大水深3.37m，隧洞最大埋深404m，隧洞全長15723.15m，盤道嶺隧洞在軟～極軟巖地層和少量的第四系地層通過，地層巖性復(fù)雜，地質(zhì)條件較差。圍巖主要為第三系沉積砂巖、含砂礫石、泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖。巖石柔軟、貧弱或未固化，遇水軟化和崩解。隧洞位于湟水河一級(jí)支流苦水溝、大通河和莊浪河的分水嶺地帶。隧洞采用新奧法施工，由于圍巖軟弱破碎，地下水出露較大，在施工過程中，發(fā)生了較大的變形和塌縮。

2 盤道嶺隧洞工程地質(zhì)條件

盤道嶺隧洞位于黃土中低山區(qū)黃土覆蓋侵蝕剝蝕構(gòu)造中，第四紀(jì)地層廣泛分布于大沙溝至黑臺(tái)溝段，古近系和白堊系地層以孢粉狀暴露，基巖大多從黑臺(tái)溝裸露至隧洞出口段。由于該地區(qū)氣候干燥，植被稀疏，第四紀(jì)黃土分布廣泛，溝底積累了大量松散的沉積物。地形的坡度很大，所有通道都具有產(chǎn)生黏性泥石流的條件。

隧洞穿越地層主要為上第三系咸水河組軟—極軟地層，其次為下白堊統(tǒng)河口組軟—中硬地層和少量第四紀(jì)地層。隧洞周圍的巖石長度為2985m，占溶洞長度的18.99%，上層三級(jí)地層長度為12234.65m，占溶洞長度的77.81%；上三級(jí)體系與白堊紀(jì)體系之間的非整體接觸帶長度為297.5m，占孔長的1.89%，第四紀(jì)地層長度為206m，占洞穴長度的1.31%。根據(jù)施工地質(zhì)測井資料及《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》(GBJ 86—1985)的分類原則，隧洞圍巖分類結(jié)果為：Ⅲ類圍巖、Ⅳ類圍巖長度為3，122.33m，Ⅴ類圍巖長度為9418.67m。

隧洞開挖后，多數(shù)部位無地下水，有地下水分布段總長4299.65m，占洞長的27.35%，地下水硫酸根離子含量在3332～6878mg/L之間，對(duì)普通混凝土和鋼結(jié)構(gòu)有腐蝕性破壞。另外，施工開挖中，沿?cái)嗔哑扑閹Ш褪杷缮皫r或含礫砂巖、泥質(zhì)砂巖段的圍巖中往往有較大的地下水涌出，易發(fā)生流砂突泥事故。

3 盤道嶺隧洞存在的問題分析

a.盤道嶺隧洞圍巖由軟～極軟巖組成，巖體強(qiáng)度較低～極低，據(jù)施工地質(zhì)編錄統(tǒng)計(jì)，巖體質(zhì)量壞～極壞類占89.4%，具塑性流變特征巖體占33.6%，因而隧洞的圓拱直墻平底(或反拱)斷面形狀與圍巖的變形特征是不相適應(yīng)的，部分洞段錨桿長度不夠。

b.對(duì)于盤道嶺隧洞大量涌水的圍巖洞段,由于涌水會(huì)產(chǎn)生流沙現(xiàn)象的圍巖洞段，極為破碎、錨桿鉆孔安裝都極為困難的圍巖洞段，開挖面完全不能自穩(wěn)的圍巖洞段，在施工中易造成洞身冒頂、塌方事故，施工單位在處理冒頂、塌方事故時(shí)，措施偏于簡單，給工程運(yùn)行留下隱患。

c.盤道嶺隧洞二次襯砌混凝土多為素混凝土。經(jīng)過多年的地下水腐蝕、沖刷等，二次襯砌混凝土抵抗圍巖變形的能力和強(qiáng)度均有所下降。素襯段也是現(xiàn)洞內(nèi)裂縫多發(fā)段。

d.盤道嶺隧洞洞內(nèi)大量滲水，水質(zhì)對(duì)普通混凝土具有結(jié)晶類硫酸鹽型強(qiáng)腐蝕性，這樣的排泄，對(duì)洞周地質(zhì)條件可能帶來危害和影響。在停水期若地下水流出洞外，會(huì)對(duì)洞下游用普通混凝土襯砌的明洞、明渠段產(chǎn)生侵蝕。

e.盤道嶺隧洞洞內(nèi)原有的永久排水孔，部分已堵塞；洞內(nèi)原武漢巖土所、南京水科院、成都水電巖土工程技術(shù)開發(fā)服務(wù)中心在洞內(nèi)所埋設(shè)的觀測設(shè)備2003年已損壞，洞頂光纜多已腐爛、斷裂；洞內(nèi)原除險(xiǎn)加固的五榀矩形鋼拱架未拆除，現(xiàn)已銹跡斑斑(見圖1)。

圖1 曾經(jīng)除險(xiǎn)加固段

4 盤道嶺隧洞裂縫監(jiān)測及除險(xiǎn)加固情況

盤道嶺隧洞二次襯砌混凝土在施工期及運(yùn)行期，均發(fā)現(xiàn)了不同程度的縱斜向裂縫及環(huán)向裂縫，給隧洞長期運(yùn)行安全造成影響。為此，在1991—1993年期間開展了四次裂縫調(diào)查，每次考查后均對(duì)二次襯砌混凝土裂痕緣由進(jìn)行了剖析，綜合原因主要有：地質(zhì)條件復(fù)雜的問題、隧洞斷面型式的效果、新奧法施工中存在的問題。

1994—1995年，甘肅省引大入秦工程管理局根據(jù)《盤道嶺隧洞運(yùn)行期原位監(jiān)測設(shè)計(jì)報(bào)告》《引大入秦灌溉工程總干渠盤道嶺隧洞遺留工程技施設(shè)計(jì)報(bào)告》，完成了盤道嶺隧洞原位監(jiān)測和加固處理。處理措施分為對(duì)圍巖及襯砌的加固與裂縫本身的修補(bǔ)兩方面。之后的幾年都在對(duì)裂縫進(jìn)行觀測。

5 盤道嶺隧洞目前工程現(xiàn)狀

1994年總干渠正式通水運(yùn)行，盤洞的水流一直持續(xù)到現(xiàn)在。經(jīng)過幾次大型加固后，洞內(nèi)仍存在許多安全隱患：例如，側(cè)墻和拱門出現(xiàn)新的裂縫,原裂縫有發(fā)展的趨勢(見圖2);部分洞段有地下水滲出(見圖3)，個(gè)別洞段地下水成股狀流出(見圖4),并伴有白色沉淀物析出物(見圖5～圖6)，伴隨著白色沉淀，洞的底部、側(cè)壁和拱頂被腐蝕并剝落。關(guān)鍵危險(xiǎn)地段長2756.6m，有四個(gè)部分：

圖2 側(cè)墻股狀水流

圖3 側(cè)墻縱縫貫通、伴有析出物

圖4 隧洞洞壁滲水

圖5 隧洞底板裂縫

圖6 側(cè)墻破裂為多片

a. 77+833-79+097段，長1264m。隧洞巖性為上第三系粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖、砂礫巖等。結(jié)構(gòu)類型以分層結(jié)構(gòu)和破碎結(jié)構(gòu)為主，地下水暴露，在目前的情況下，縱向斜裂縫密集，滲流大，沉淀物多，裂紋仍處于略微變化的狀態(tài)。

b. 79+435-79+475段，長40m，由上第三系粉砂巖、泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖、砂礫巖、礫質(zhì)砂巖組成。結(jié)構(gòu)類型以分層結(jié)構(gòu)和破碎結(jié)構(gòu)為主，地下水暴露。目前隧洞左側(cè)和右側(cè)的縱向斜裂縫密集，處理后大部分裂縫滲漏量大，有許多沉淀物，右直墻襯砌混凝土在隧洞內(nèi)側(cè)出現(xiàn)隆起現(xiàn)象。

c. 385+091～85+113.6段，長22.6m，隧洞巖性為上第三系砂巖、卵石砂巖、泥質(zhì)砂巖和砂質(zhì)泥巖。385+091～85+113.6段，長22.6m，隧洞巖性為上第三系砂巖、卵石砂巖、泥質(zhì)砂巖和砂質(zhì)泥巖。1994年對(duì)該段裂縫進(jìn)行處理加固后，2000—2009年連續(xù)觀測后，裂縫一直處于略有變化的狀態(tài)。

d. 90+070-91+500段，長1430m，隧洞巖性為白堊系砂巖、碎石砂巖、泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖、砂質(zhì)黏土巖。它們大多是泥漿顆粒的接觸黏結(jié)(或膠結(jié))。局部為泥質(zhì)鈣質(zhì)膠結(jié)，強(qiáng)度低，遇水易軟化、崩解。結(jié)構(gòu)類型主要為分層結(jié)構(gòu)，地下水外露。一些洞穴部分在1996年和1999年沒有得到加強(qiáng)(例如90+140～90+265段和91+365～91+500段)。頂拱傾斜裂隙密集分布，地下水滲漏，白色沉淀。側(cè)壁縱、斜裂縫處于輕微變化狀態(tài)。一般觀測洞段：79+097～79+435，長338m；79+475～79+779，長304m，全長642m。縱向偏差對(duì)裂紋的影響較小，裂縫的含水量小于孔洞的含水量。

6 工程加固改造設(shè)計(jì)的原則及主要內(nèi)容

2012年11月30日，甘肅省發(fā)改委批準(zhǔn)了《蘭州新區(qū)供水工程加固工程實(shí)施方案》。工程的建設(shè)任務(wù)是加固主干渠和兩條干渠及部分建筑，提高主干渠和兩條干渠工程的安全運(yùn)行，提高供水保障率，為蘭州新區(qū)的開發(fā)建設(shè)提供穩(wěn)定可靠的供水。為解決重大安全隱患,這次除險(xiǎn)加固將盤道嶺隧洞存在較大安全隱患的洞段列入除險(xiǎn)加固建設(shè)內(nèi)容。

本次加固在盡可能小地占用隧洞過流斷面的前提下，現(xiàn)澆C30鋼筋混凝土襯砌加固方案，襯砌內(nèi)部為馬蹄形，截面尺寸為3.7m×3.9m(寬×高)，頂圓弧半徑為1.85m，側(cè)壁圓弧半徑為5.55m，底板圓弧半徑為5.55m。最小襯里厚度為0.25m。在嚴(yán)重開裂的地段安裝直徑25mm、長度6m、間距1.5m，梅花狀排列的隨機(jī)螺栓。排距3.0m的回填式灌漿孔和屋頂拱120°范圍內(nèi)的梅花狀排列；孔頂和側(cè)壁設(shè)置深8.0m的實(shí)心固結(jié)灌漿孔，排距3.0m，梅花狀排列。將φ50排水孔隨機(jī)布置在洞室設(shè)計(jì)水位之上。

加固過程中要特別進(jìn)行錨桿注漿加固處理和鋼拱架加固襯砌，同時(shí)加強(qiáng)防滲處理，進(jìn)行回填、固結(jié)灌漿或接觸灌漿，尤其要注重灌漿質(zhì)量。對(duì)洞內(nèi)裂縫，特別是縱環(huán)向裂縫和澆筑倉接縫等進(jìn)行處理，并采取防滲、防腐蝕措施；對(duì)底板鼓起變形，因沖刷、凍脹等引起的底板凹坑、混凝土護(hù)面破損段及側(cè)墻、拱頂混凝土剝落、掉塊洞段進(jìn)行加固處理，并采取防凍脹、防滲、防腐蝕措施；疏通原排水孔，加強(qiáng)、完善排水設(shè)施。

蘭州新區(qū)供水工程引水渠加固工程原設(shè)計(jì)方案是在臨水面粘貼塑料板降低糙率，在施工過程中，考慮到迎水面粘貼塑料板護(hù)壁降糙施工難度大，且目前粘貼材料無法保證塑料板與洞壁粘貼牢固，難以達(dá)到設(shè)計(jì)降糙的目的，故隧洞加固采用鋼模臺(tái)車澆筑混凝土，并嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，確保迎水面具有良好的光潔度，盡量滿足過流能力要求。盤道嶺隧洞原斷面見圖7，加固后斷面見圖8。

圖7 盤道嶺隧洞原斷面

圖8 盤道嶺隧洞2014年加固斷面

7 結(jié) 語

盤道嶺隧洞除險(xiǎn)加固方案采用鋼模臺(tái)車澆筑，降低了隧洞洞壁糙率。通過將排水管導(dǎo)引至隧洞底部，在施工中嚴(yán)格控制工序質(zhì)量，不僅加固了存在安全隱患的洞段，而且有效解決了隧洞洞壁大量滲水現(xiàn)象，節(jié)約了工程投資，經(jīng)過幾年通水運(yùn)行，隧洞運(yùn)行情況良好。該方案對(duì)以后類似工程加固處理具有一定的借鑒作用。