齊家大峴引水隧洞施工支洞布設(shè)方案研究

張玉仁

(甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000)

1 工程概況

甘肅中部生態(tài)移民扶貧開發(fā)供水工程位于甘肅省白銀市靖遠縣、平川區(qū)與寧夏回族自治區(qū)海源縣、中衛(wèi)四縣(市)區(qū)接壤地帶，屬溫帶荒漠區(qū)。骨干工程主要建設(shè)內(nèi)容為總干渠、干渠(分干渠)、支渠及供水管線和調(diào)蓄水池工程，其中總干渠1條，長28.684 km；干渠3條，長108.426 km；分干渠4條，長43.318 km；支干渠1條長5.4 km；支渠29條總長126.343 km；調(diào)蓄水池3座。本工程渠首取水泵站均處于黃河干流蘭州至黑山峽河段間，該河段已建工程有柴家峽電站、小峽水電站、大峽水電站、烏金峽水電站、五佛水電站。本工程擬發(fā)展灌溉面積30萬畝，全部采用高效節(jié)水灌溉，其中管灌配套7.05萬畝，大田微灌配套21.75萬畝，溫室微灌配套1.20萬畝。該項目為輸水渠(管)線線性工程，主要建筑物為管道、隧洞、調(diào)蓄水池、渠道、倒虹吸、管橋、渡槽等，管(渠)道、倒虹吸、渡槽等建筑物施工強度及難度不大，對工程進度不起控制作用。隧洞工程主要由施工斷面控制，多屬特小斷面，作業(yè)空間狹小，物料運輸強度受限，施工進尺緩慢，其施工方案選擇為研究重點。

2 隧洞施工特性

本工程隧洞總計共24座，其中總干渠所屬渠系7座，全長約11.35km。東干渠所屬渠系10座，全長約14.811km。北干渠所屬渠系6座，全長約4.692km。南干渠所屬渠系1座，全長約2.0km。超過3km的長隧洞共3座，分別為總干渠5#隧洞(3.246km)、總干渠7#隧洞(5.913km)、東干渠8#隧洞(3.591km)，結(jié)合地形地質(zhì)條件及施工條件，總干渠7#隧洞擬采用增設(shè)施工支洞，長洞短打、多工作面同時作業(yè)的施工方案，總干5#隧洞和東干渠8#隧洞采用進、出口工作面同時相向作業(yè)的施工方案。本文主要以總干渠7#隧洞(齊家大峴隧洞)為研究對象，對其施工方案展開論述。

齊家大峴隧洞斷面型式為城門洞型式和三心圓拱型斷面，襯砌結(jié)構(gòu)型式為現(xiàn)澆鋼筋砼襯砌，主要采用施工斷面控制，二襯后凈斷面尺寸為1.6m×1.9m(B×H)。根據(jù)出渣方式、出渣強度和運輸設(shè)備，設(shè)計主洞出渣方式分無軌出渣和有軌出渣兩種。有軌出渣方式主要集中于總干7#隧洞3處斜井所控制的洞段，總干7#隧洞進出口及其他干渠隧洞出渣方式采用無軌出渣方式。有軌出渣洞段主洞內(nèi)每間隔470m設(shè)置一處錯車道，設(shè)計錯車道長度20m、橫斷面尺寸為B×H=3.8m×3.668m；無軌出渣洞段規(guī)劃每間隔224m設(shè)置一處錯車道，設(shè)計錯車道長度20m、橫斷面尺寸B×H=4.2m×3.868m。主洞錯車道布置斷面示意圖如圖1所示。

圖1 主洞錯車道布置斷面示意圖

本工程需布設(shè)施工支洞長隧洞1條，為總干7#齊家大峴隧洞，該隧洞在可研階段對利用已完建齊家大峴隧洞施工支洞方案和新建施工支洞方案在工期和技術(shù)經(jīng)濟方面進行了分析論證，最終選定了利用已完建齊家大峴隧洞施工支洞方案。原齊家大峴隧洞施工支洞關(guān)鍵參數(shù)見表1。

表1 原齊家大峴隧洞施工支洞關(guān)鍵參數(shù)

1#施工支洞洞身段采用三心圓拱型斷面，量測斷面尺寸B×H=2.8m×3.0m；主支洞交叉處有約20m長現(xiàn)澆鋼筋砼二次襯砌加固洞段，斷面形式為城門洞型，量測斷面尺寸B×H=2.8m×3.0m；洞身拱架采用I12工字鋼，低拱封閉，拱架間距約為1m。全洞段無地下水溢出，洞身未發(fā)現(xiàn)明顯變形，洞底板無鼓起或塌陷，頂拱側(cè)墻無掉塊，坍塌；采用地質(zhì)錘隨機敲擊側(cè)墻，未出現(xiàn)側(cè)墻破碎掉塊現(xiàn)象，支洞洞身一次支護整體狀況良好；洞身存在的主要問題為洞身噴砼裂縫及部分洞段拱架表面裸露、銹蝕，量測裂縫寬度約1～2mm，如圖2(a)所示。

2#施工支洞進口處設(shè)置有約20m長加強洞段，加強段采用城門洞型斷面，量測斷面尺寸B×H=2.2m×2.43m，洞身段采用三心圓拱型斷面，量測斷面尺寸B×H=2.8m×3.0m；洞身拱架采用I12工字鋼，低拱封閉，拱架間距約為1m。全洞段無地下水溢出，洞身未發(fā)現(xiàn)明顯變形，洞底板無鼓起或塌陷，頂拱側(cè)墻無掉塊，坍塌；采用地質(zhì)錘隨機敲擊側(cè)墻，未出現(xiàn)側(cè)墻破碎掉塊現(xiàn)象，支洞洞身一次支護整體情況良好；洞身存在的主要問題為洞身噴砼裂縫及部分洞段拱架表面裸露、銹蝕，量測裂縫寬度約1～2mm，如圖2(b)所示。

3#施工支洞進口處設(shè)置有約20m長加強洞段，全洞身段采用三心圓拱型斷面，量測斷面尺寸B×H=2.7m×3.0m；洞身拱架采用I12工字鋼，低拱封閉，拱架間距約為1m。全洞段無地下水溢出，洞身未發(fā)現(xiàn)明顯變形，洞底板無鼓起或塌陷，頂拱側(cè)墻無掉塊，坍塌；采用地質(zhì)錘隨機敲擊側(cè)墻，未出現(xiàn)側(cè)墻破碎掉塊現(xiàn)象，支洞洞身一次支護整體情況良好；洞身存在的主要問題為洞身噴砼裂縫及部分洞段拱架表面裸露、銹蝕，量測裂縫寬度約1～2mm，如圖2(c)所示。

圖2 施工支洞現(xiàn)狀

3 施工支洞布設(shè)方案比選

通過現(xiàn)場踏勘比對，支洞進口位置與原設(shè)計基本相符，但斜井未按原設(shè)計進行放坡和設(shè)置平洞段，均采用一坡到底的方式與主洞相交。依據(jù)現(xiàn)場踏勘情況并結(jié)合原設(shè)中施工支洞特征點位，擬建齊家大峴隧洞與原3條施工支洞位置關(guān)系如圖3所示。由于新建主隧洞均從原支洞底部穿過，針對原施工支洞利用方案有以下三種。

圖3 擬建隧洞與原施工支洞位置關(guān)系

(1)完全利用方案

維持支洞縱坡不變，主支洞交叉段開挖成直坎連接，其優(yōu)點為可充分利用現(xiàn)狀施工支洞；缺點為不利于主洞出渣作業(yè)，同時，主支洞交叉段處由于覆蓋層較薄，主洞開挖造成主支洞交叉段貫穿擴大洞室段，交叉段處支洞一次支護需要全部拆除進行重新支護，施工難度較大，施工過程中存在一定的施工安全風險。

(2)調(diào)坡后利用方案

支洞內(nèi)通過調(diào)坡與主洞相連接，其優(yōu)點為可部分利用現(xiàn)狀支洞，主洞出渣條件得到改善；缺點為支洞調(diào)坡段一次支護需全部拆除并進行洞室擴挖，主支洞間將形成特大洞室，施工難度大，施工過程存在較高的施工安全風險，施工臨建費用較(1)方案高。支洞擴挖調(diào)坡示意圖如圖4所示。

圖4 調(diào)坡后利用方案

(3)支洞內(nèi)設(shè)銜接旁支洞方案

既在現(xiàn)狀支洞內(nèi)一定位置處向左或向右開挖旁支洞與主洞相交，優(yōu)點為可通過調(diào)節(jié)旁支洞的長度保持支洞縱坡不出現(xiàn)較大變化而可平順銜接，更有利于出渣作業(yè)，且施工難度不大，施工安全風險降低；缺點為臨建費用較②方案略高。旁支洞布設(shè)示意圖如圖5所示。

圖5 支洞內(nèi)設(shè)銜接旁支洞方案

綜上所述，齊家大峴隧洞支洞利用方案推薦采用(3)方案。改造利用后齊家大峴隧洞施工支洞特性見表2。

表2 改造后齊家大峴隧洞施工支洞關(guān)鍵參數(shù)

4 旁支洞設(shè)計方案

以原主、支洞交叉處為基準，向支洞進口方向約60m平距處向左或向右設(shè)置旁支洞，旁支洞軸線與原支洞軸線間夾角為20°，旁支洞采用城門洞型斷面，設(shè)計斷面尺寸B×H=2.8m×3m，洞底縱坡i=7%～9%；旁支洞開挖完成后，緊貼巖面架設(shè)I14全封閉鋼拱架，鋼拱架間距洞身段設(shè)計為1m，主、支洞交叉段處為0.5m；頂拱及側(cè)墻噴C20砼護面，厚度15cm，噴層中設(shè)置φ6.5@200×200鋼筋網(wǎng)；考慮到交叉洞段洞室較大，交叉洞段一次襯砌完成后采用現(xiàn)澆C25鋼筋進行補強，襯砌厚度0.3～0.5m。

另外，考慮到旁支洞與主洞交叉段開挖后洞室較大，在開挖前先對其進行φ42超前管棚注漿支護，以防止開挖過程中擴大洞室段洞頂坍塌。為不破壞原支洞一次支護結(jié)構(gòu)，主洞施工前需對其下穿支洞洞段進行加固處理，采用φ20，L=2m鎖腳錨桿對支洞原鋼拱架進行鎖腳固定，主洞開挖時則采用φ42超前管棚注漿支護措施穿越該洞段，交叉段應(yīng)采取銑挖法等非爆破開挖方法，開挖完成后及時二襯，以防止主洞下穿支洞段出現(xiàn)位移、坍塌等安全隱患。

5 結(jié)語

引水隧洞工程多屬特小斷面，作業(yè)空間狹小、物料運輸強度受限、施工進尺緩慢，是影響工程工期的關(guān)鍵因素。本文以齊家大峴引水隧洞施工支洞為研究對象，結(jié)合地形地質(zhì)條件及施工條件，擬采用增設(shè)施工支洞，長洞短打、多工作面同時作業(yè)的施工方案。首先對原齊家大峴隧洞3個施工支洞關(guān)鍵參數(shù)進行測量，對比研究了完全利用、調(diào)坡后利用、支洞內(nèi)設(shè)銜接旁支洞三種方案的優(yōu)缺點，確定了支洞內(nèi)設(shè)銜接旁支洞方案為最佳方案。該方案的優(yōu)點在于通過調(diào)節(jié)旁支洞的長度，保持了支洞縱坡不出現(xiàn)較大變化，更有利于出渣作業(yè)，有效降低了施工安全風險，缺點為施工費用高于其他兩種方案。