引大工程盤(pán)道嶺隧洞裂縫成因分析及處理對(duì)策

邊振榮

(甘肅省水務(wù)投資有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000)

1 工程概況

引大入秦工程盤(pán)道嶺隧洞是一座深埋無(wú)壓引水隧洞，隧洞全長(zhǎng) 15.723km，里程樁號(hào)為76+235—91+958.154，最大埋深404m。隧洞為圓拱直墻帶反拱底板斷面，成洞凈寬4.2m，凈高4.4 m。盤(pán)道嶺隧洞除進(jìn)出口的946m由原引大指揮部承建外，其余長(zhǎng)度14777m、樁號(hào)76+988.0—91+765.0的洞段，斷面襯砌結(jié)構(gòu)形式為一次鋼拱架錨噴支護(hù)與二次混凝土襯砌，一次襯砌厚度一般為15～20cm，二次襯砌厚度大于30厘米。盤(pán)道嶺隧洞結(jié)構(gòu)斷面設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

一次襯砌結(jié)構(gòu)采用噴錨支護(hù)，支護(hù)厚度15cm，二次襯砌結(jié)構(gòu)為混凝士復(fù)合式襯砌，支護(hù)厚度25～30cm。盤(pán)道嶺隧洞襯砌結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 盤(pán)道嶺隧洞襯砌結(jié)構(gòu)示意圖

2 工程地質(zhì)條件

盤(pán)道嶺隧洞為深埋隧洞，最大埋深404m，工程地質(zhì)條件復(fù)雜，隧洞82%地質(zhì)為第三系地層，約13km的洞段均為低強(qiáng)度圍巖，圍巖類(lèi)型以泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖和砂礫巖為主，該類(lèi)圍巖遇水易軟化、流變性較強(qiáng)，且膠結(jié)性較差。

3 施工方法

隧洞采用新奧法原理設(shè)計(jì)施工，分進(jìn)口、出口、斜井(上下游方向)4個(gè)工作面掘進(jìn)，斷面類(lèi)型分A、 B、C三種，分別適用于Ⅲ類(lèi)(占總長(zhǎng)58%)、Ⅳ類(lèi)(占總長(zhǎng)40.7%)、Ⅴ類(lèi)((占總長(zhǎng)1.7%)圍巖。復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)由噴混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)和鋼拱架等一次支護(hù)與二次鋼模臺(tái)車(chē)襯砌組成[1- 7]，依圍巖類(lèi)型和斷面不同，其支護(hù)參數(shù)不同[8]。通過(guò)凈空變形量測(cè)，待洞室圍巖收斂變形趨于穩(wěn)定，適時(shí)進(jìn)行二次襯砌[9- 11]。

3.1 全斷面開(kāi)挖支護(hù)

隧洞掘進(jìn)先后采用MRH-S90和MRH-S200懸臂式掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖(開(kāi)挖范圍： 5.3m× 5.9m)，開(kāi)挖輪廓線(xiàn)由紅外線(xiàn)激光導(dǎo)向儀控制；掘進(jìn)與噴錨支護(hù)緊密配合[12- 13]。對(duì)于無(wú)地下水出露或有滴滲、圍巖膠結(jié)較好區(qū)段，開(kāi)挖一次成洞，噴射混凝土緊跟掌子面，日進(jìn)尺7.5～10m。

3.2 插板護(hù)頂法

在主洞巖性為疏松砂巖、粉砂巖、膠結(jié)性差的區(qū)段，如4號(hào)斜井作業(yè)面上下游方向4690m的范圍(CH81+172—CH85+862)，開(kāi)挖中巖體自穩(wěn)時(shí)間小于30min，噴混凝土之前或噴混凝土?xí)r起拱線(xiàn)以上部位發(fā)生掉塊和局部坍塌，該范圍段作業(yè)采用先上半部開(kāi)挖，架設(shè)鋼拱架后再打入波形鋼板(1.5m×0.3m×0.03m)的插板護(hù)頂法施工。日進(jìn)尺1m左右。

表1 盤(pán)道嶺隧洞結(jié)構(gòu)斷面設(shè)計(jì)參數(shù)

3.3 管棚灌漿法

進(jìn)口工作面自CH79+795開(kāi)始，掌子面圍巖含水量明顯增大，1990年9月18突發(fā)性涌水，造成流沙在洞中延伸18m，流沙總量約230 m3，針對(duì)圍巖的泥化，采用化學(xué)注漿固結(jié)措施(主要為水玻璃漿液)和管棚灌漿法施工[14]，起到了良好的效果。

3.4 上下臺(tái)階小導(dǎo)洞法

在4號(hào)斜井上游方向CH81+914附近遇到F103斷層，共出現(xiàn)流砂14次。從1989年12月開(kāi)始，掌子面的涌水量60～120L/s，3個(gè)月總共掘進(jìn)34m；由于涌水、突泥、流砂的頻繁發(fā)生，管棚注漿也難以成洞，采用了上下臺(tái)階管棚注漿加小導(dǎo)洞開(kāi)挖法，艱難通過(guò)斷層區(qū)段。

3.5 回填灌漿

盤(pán)道嶺隧洞地質(zhì)條件復(fù)雜，施工方法多樣，一方面一次支護(hù)噴混凝土層與軟巖難以密切形成整體結(jié)構(gòu)，頂拱部位和側(cè)墻噴層也有空穴存在；另一方面，地下水洞段造成泥土流失；插法護(hù)頂法的采用，使鋼板與圍巖之間留有空隙。為保證結(jié)構(gòu)運(yùn)行安全，保證質(zhì)量，施工期間進(jìn)行了回填灌漿[15- 16]。

4 施工期地下水出露情況及相應(yīng)排水措施

4.1 施工期地下水出露情況

盤(pán)道嶺隧洞地下水的滲水量與大氣降水、地形、地貌、地層巖性有關(guān)。施工建設(shè)期，地下水滲漏嚴(yán)重洞段達(dá)11處，滲流長(zhǎng)度達(dá)5.37km，其中滲水最嚴(yán)重洞段為樁號(hào)77+633—81+935和出口90+170—91+765處，施工期間記錄的開(kāi)挖面附近最大滲水量約120L/min，凈水壓力水頭約36m，施工期全洞總涌水量135～175m3/h，其中進(jìn)口至4#斜井(82+443.497)段涌水量占全洞總涌水量的98%左右，洞內(nèi)地下水礦化度一般為3.9～33g/L。

4.2 施工期相應(yīng)排水措施

盤(pán)道嶺隧洞在涌水大的洞段共修建排水盲溝3200m。為了減少作用于襯砌上的外水壓力，有水洞段在回填灌漿之后，在設(shè)計(jì)加大水位以上的拱腰部位設(shè)置了永久排水孔?？坠芡夤鼰o(wú)紡織布反濾物，每排3孔，排距3.0m。

5 裂縫特征及成因分析

5.1 裂縫的特征及發(fā)展趨勢(shì)

從1987年10月開(kāi)始，隧洞二次襯砌混凝土表面出現(xiàn)了程度不同的裂縫，距澆注時(shí)間14個(gè)月。1988年3月進(jìn)行第一次裂縫調(diào)查，1990年初再次對(duì)裂縫進(jìn)行系統(tǒng)全面的調(diào)查。調(diào)查結(jié)果顯示，裂縫的數(shù)量和裂縫長(zhǎng)度、寬度均有不同程度的發(fā)展。1990年3月調(diào)查的長(zhǎng)度范圍6866m，縱橫向裂縫總數(shù)630條，縱向裂縫大多數(shù)位于起拱線(xiàn)附近共計(jì)178條，環(huán)向裂縫452條其中272條伴有滲水現(xiàn)象，占總數(shù)的43%?？v橫向裂縫最大寬度分別為8mm和0.6mm，均發(fā)生在起拱線(xiàn)位置，此段為有水地段。1990年與1988年的調(diào)查結(jié)果相比長(zhǎng)度和寬度均有所增加。

5.2 裂縫成因分析

5.2.1地質(zhì)原因

盤(pán)道嶺隧洞穿過(guò)巖性較差，巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rb=0.8～2.7MPa，按照巖石分類(lèi)屬軟巖。一方面圍巖受構(gòu)造斷裂影響，強(qiáng)度低，塑性變形區(qū)大，蠕變特征明顯。另一方面，圍巖由于地下水豐富，有較大的流變性，致使一次支護(hù)后圍巖變形較大，二次襯砌承受山巖壓力和地下水的聯(lián)合作用而產(chǎn)生了裂縫。

5.2.2施工原因

(1)底板過(guò)早封閉引起裂縫和底鼓

施工中底板封閉過(guò)早，圍巖應(yīng)力尚未得到完全釋放，在一定程度上阻止了圍巖的徑向變形，導(dǎo)致內(nèi)襯混凝土表面環(huán)向應(yīng)力分布不均勻，從而使二次混凝土產(chǎn)生裂縫。挖除該段底板，在底部打設(shè)錨桿，并由素混凝土改為鋼筋混凝土，同時(shí)在底部鋪設(shè)盲溝排水，每100m設(shè)置集水井抽排。為確保二次襯砌厚度，預(yù)留變形量加大至20cm。通過(guò)以上措施，底鼓開(kāi)裂得到了控制。

(2)一些區(qū)段二次混凝土澆注時(shí)間過(guò)早

盤(pán)道嶺隧洞開(kāi)挖采用新奧法施工，通過(guò)施工建設(shè)期選定斷面應(yīng)力監(jiān)測(cè)，從隧洞整個(gè)斷面應(yīng)力分布看，圍巖與一次支護(hù)系統(tǒng)處于向左側(cè)的偏壓狀態(tài)，圍巖與噴混凝土之間的接觸應(yīng)力，拱頂部位最大為1.16MPa；其次是起拱線(xiàn)附近至拱腰右側(cè)>左側(cè)約0.19MPa；側(cè)墻中間部位右側(cè)>左側(cè)約0.27MPa；底板右側(cè)>左側(cè)約0.54MPa。業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，一次支護(hù)承擔(dān)總壓力的70%左右，二次混凝土襯砌僅占30%左右，如果一次支護(hù)變形沒(méi)有趨于穩(wěn)定就實(shí)施二次襯砌，那么，二次襯砌就承受了不該承受的荷載，如此壓力傳遞導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。

(3)部分區(qū)段襯砌厚度不夠引起的裂縫

盤(pán)道嶺隧洞由于巖性較差，隧洞塌方時(shí)有發(fā)生，斷面徑向位移變形大于20cm，且變形處于長(zhǎng)期徐變，當(dāng)時(shí)為確保施工安全，采取了立即澆筑二次混凝土的措施，造成施工建設(shè)期預(yù)留變形小于斷面收斂變形量，由于凈空變形占用空間，致使襯砌厚度只達(dá)到設(shè)計(jì)厚度70%左右。從裂縫分布的現(xiàn)狀來(lái)看，此區(qū)段附近較為集中和密集。

(4)隧洞深埋段壓力過(guò)大引起的裂縫

盤(pán)道嶺隧洞樁號(hào)CH83+868—CH87+208段，隧洞埋深均大于300m。通過(guò)對(duì)深埋段(CH83+914.2—CH83+959.58)的59 個(gè)斷面實(shí)測(cè)收斂變形速度分時(shí)段統(tǒng)計(jì)表分析，圍巖早期變形量大、速度快。深埋段隧洞均存在應(yīng)力分布不均，對(duì)稱(chēng)性不好的情況，內(nèi)襯混凝土表面環(huán)向應(yīng)力分布情況是隧洞兩側(cè)起拱線(xiàn)附近至側(cè)墻下部基本受拉，拱部受壓，底拱受拉。

6 裂縫的封縫修補(bǔ)處理

盤(pán)道嶺隧洞對(duì)開(kāi)度大于0.25mm的裂縫進(jìn)行了封縫修補(bǔ)處理。封縫修補(bǔ)材料選擇與混凝土有較強(qiáng)粘結(jié)性以及適應(yīng)裂縫一定開(kāi)度的氯丁膠乳水泥砂漿，封縫處理沿裂縫延展方向開(kāi)鑿V形槽，每間隔30～50cm鉆孔灌漿，凈漿按水和氯丁乳膠配置(水∶氯丁乳膠=2∶1)，嵌填收面采用水泥：中砂∶氯丁乳膠=1∶1.5∶0.45拌制?；瘜W(xué)灌槳材料選用水溶性聚氨酯，按體積比合比2∶8配制，在漿液中摻入5%～10%的丙酮。此種漿材親水性能好，遇水即發(fā)生反應(yīng)生成膠凝體?；嘟Y(jié)束后采用壓水方法檢查，封縫修補(bǔ)效果良好，經(jīng)通水運(yùn)行檢驗(yàn)，上述措施達(dá)到了封縫止水的目的。

7 除險(xiǎn)加固方案

2012年8月，通過(guò)“蘭州新區(qū)供水項(xiàng)目引大渠道除險(xiǎn)加固工程”項(xiàng)目，對(duì)總干渠盤(pán)道嶺隧洞裂縫較嚴(yán)重3段(樁號(hào)76+719—78+309；71+740—71+923；64+482—66+554)進(jìn)行了除險(xiǎn)加固。盤(pán)道嶺隧洞除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2 盤(pán)道嶺隧洞除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)方案

8 結(jié)論和建議

盤(pán)道嶺隧洞混凝土裂縫有其顯著的特點(diǎn)，裂縫的產(chǎn)生與新奧法施工、混凝士復(fù)合式襯砌、隧洞埋深、圍巖遇地下水軟化產(chǎn)生流變等工程背景密切相關(guān)。首先，結(jié)構(gòu)斷面的某些缺陷(如底板為較薄的素混凝土且曲率偏小，側(cè)墻為直墻等)是裂縫產(chǎn)生的內(nèi)在原因；其次，具有塑性流變特征的軟巖隧道，即便一次支護(hù)體系變形穩(wěn)定再實(shí)施二次襯砌，隨著時(shí)間的推移，襯砌混凝土仍受到圍巖蠕變的荷載。從目前的運(yùn)行情況來(lái)看，套襯形式的采用后，盤(pán)道嶺隧洞裂縫較嚴(yán)重3段再無(wú)新裂縫產(chǎn)生，一次澆筑成型和鋼模臺(tái)車(chē)的采用，降低了混凝土表面糙率，提高了隧洞輸水能力。除險(xiǎn)加固方案的實(shí)施對(duì)隧洞安全運(yùn)行產(chǎn)生了良好的效果，為今后大型水利工程的隧洞運(yùn)行管理積累了經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也為蘭州新區(qū)供水和經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮了積極地作用。綜上所述，提出如下建議：

(1)對(duì)于未加固處理區(qū)段的裂縫繼續(xù)觀測(cè)，特別是縱向裂縫，同時(shí)對(duì)外水內(nèi)滲的水量、水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

(2)將已自然堵塞的排水孔疏通。水排除后，可以減少外水壓力對(duì)隧洞的作用。

(3)在有水地段的地表附近通過(guò)采取工程措施，疏通水路，盡可能地避免地表水的匯集，最大限度地減少地下水的補(bǔ)充。