牛欄江干河泵站地下廠房主交通洞設(shè)計

沈 英

（云南水利水電職業(yè)學(xué)院,云南 昆明650021）

引言

牛欄江干河泵站采取一級提水,安裝4 臺機(jī)組,水泵單機(jī)功率23 MW,總裝機(jī)92 MW,設(shè)計流量23 m3/s,設(shè)計揚程219.23 m,最大提水揚程233.31 m。泵站樞紐建筑物主要有：進(jìn)水建筑物、地下廠房、交通洞、工作豎井、輔助交通洞、出水建筑物、地面廠區(qū)等。主泵房為地下廠房,副廠房及降壓開關(guān)站等布置于地面干河右岸山坡高程約1 858 m 處。泵站進(jìn)水口、地面廠區(qū)、地下泵房分別采用場內(nèi)公路、主交通洞、工作豎井等連接。主交通隧洞全長1 037.2 m,在隧洞轉(zhuǎn)彎處擴(kuò)寬斷面,底寬5.2 m,最大寬度7.62 m,最大高度7.69 m。隧洞每200 m 設(shè)一寬2 m、高2 m、深2 m 的人員避車側(cè)洞[1]。

圖1 牛欄江干河泵站布置示意圖

1 工程地質(zhì)概述

工程區(qū)為“U”型谷地形,河床高程1 772 m,兩岸分布有Ⅰ級階地,階面寬20 m～45 m,階面平坦,谷坡陡峭,地形坡度40°～70°,坡高約100 m～150 m,谷頂山頂?shù)匦我话爿^緩,地形坡度5°～25°,分布高1 926 m～2 032 m。干河泵站區(qū)地下洞室圍巖、管線基礎(chǔ)均為P1q+m 灰?guī)r,巖體風(fēng)化淺,以弱風(fēng)化、微風(fēng)化為主,局部地表有強(qiáng)風(fēng)化零星分布。廠房區(qū)位于地下水位以下,P1q+m 灰?guī)r為強(qiáng)透水地層,區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育,主要表現(xiàn)為溶洞、溶溝、溶槽。以最低地下水位1 760 m 為強(qiáng)巖溶帶、弱巖溶帶界限,以相對隔水層（約1 695 m）為弱巖溶帶、微巖溶帶界限,干河泵站地下廠房區(qū)主要位于弱巖溶帶內(nèi),局部地段受構(gòu)造節(jié)理影響（如沿P2 陡傾節(jié)理密集帶）巖溶相對發(fā)育,為強(qiáng)巖溶帶。主交通洞地處巖溶發(fā)育的棲霞、茅口地層,P1q+m巖性為淺灰～深灰色厚層狀灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r[1]。

2 主交通洞布置設(shè)計

泵站地下隧洞群規(guī)模大、項目繁多、工程量大,地下隧洞斷面形式多樣,尺寸大小不一,地下廠房工程的進(jìn)廠交通洞斷面形式和尺寸主要受運送輸水系統(tǒng)鋼管和機(jī)電設(shè)備等大件尺寸的限制[2],牛欄江干河泵站主交通洞為地下廠房主要交通運輸通道,連接地下廠房電機(jī)層和地面,主要功能為地下廠房交通運輸,承擔(dān)地下結(jié)構(gòu)施工、材料設(shè)備運輸、運行期車輛對外交通等任務(wù),根據(jù)設(shè)備運輸要求,設(shè)備運輸采用載重汽車。工程竣工后,泵站交通由白石巖至李子箐公路較高位置分岔引接至地面廠區(qū)、調(diào)壓井、主交通洞口,新建公路按4 級路面設(shè)計。

2.1 主交通洞軸線選擇

主交通洞進(jìn)口位于天生橋下游干河右岸約400 m 處,為方便施工和滿足設(shè)備運輸要求,進(jìn)口高程1 797.00 m,末端高程1 736.05 m。主交通洞軸線的布置綜合考慮如下因素：

（1） 廠房進(jìn)場公路與主交通洞進(jìn)出口布置情況。（2） 主交通洞進(jìn)出口高程,滿足主交通洞運輸?shù)灼乱?同時考慮交通洞軸線線路最短。（3） 主交通洞桁車大梁、機(jī)組定子轉(zhuǎn)子等大件運輸要求,同時考慮牽引機(jī)車及掛車長度。（4） 主交通洞轉(zhuǎn)彎半徑要求。（5） 對相鄰建筑物的不利影響。（6） 地質(zhì)構(gòu)造情況、滿足最小覆蓋層厚度要求。

綜合,主交通洞軸線平面上布置4 段轉(zhuǎn)彎段和5段直線段,依照《公路隧道設(shè)計規(guī)范》及地下廠房主交通洞實際情況,轉(zhuǎn)彎半徑設(shè)計為100 m。轉(zhuǎn)彎段里程分別為：交0+124.27～交0+220.21 m、交0+367.94～交0+463.88 m、交0+677.14 ～交0+773.08 m、交0+948.82～交1+013.36 m,前面三段平面轉(zhuǎn)彎角度為55°、第四段為37°,隧洞進(jìn)口高程1 797.00 m,末端泵站廠房安裝間電機(jī)層高程1 736.05 m,結(jié)合隧洞進(jìn)洞位置、安裝間位置,主交通洞布置長度為1 037.20 m,轉(zhuǎn)彎段坡度為3%,直線段坡度為5.12～7.9%[3]。干河泵站主交通洞平面布置圖見圖2。

圖2 干河泵站主交通洞平面布置圖

2.2 主交通洞斷面設(shè)計及結(jié)構(gòu)設(shè)計

考慮隧洞巖體地質(zhì)構(gòu)造條件以及地下水活動情況,主交通洞全洞采用鋼筋混凝土襯砌。另外,主交通洞為滿足泵站大件運輸要求,洞徑較大,從受力及經(jīng)濟(jì)方面考慮采用蛋形斷面形式,底寬5.3 m,最大寬度7.62 m,最大高度7.69 m。交通洞洞身段根據(jù)地質(zhì)、地下水位深度及防滲要求,襯砌厚度分兩種：里程交0-003.72～交0+511.88 襯砌厚0.6 m,交0+511.88～交1+037.20 襯砌厚0.8 m,結(jié)構(gòu)斷面見圖3。

圖3 干河泵站主交通洞斷面圖

主交通洞段除Ⅱ、Ⅲ類圍巖外,全范圍內(nèi)進(jìn)行固結(jié)灌漿和回填灌漿。隧洞固結(jié)灌漿排距3 m,每排布置6 孔,孔深4.5 m；主交通洞與廠房帷幕灌漿處排距2 m,回填灌漿在頂拱中心角120°范圍內(nèi)進(jìn)行,灌漿孔深入圍巖10 cm。施工澆筑長度為12 m,在地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)變化處設(shè)置永久縫,永久縫采用泡沫板和紫銅片止水；施工縫縫面鑿毛清洗后,設(shè)置651 型橡膠止水帶。主交通洞處于庫內(nèi),工程建成后長期處于庫水位以下,泵站校核洪水位1 791.96 m,設(shè)計洪水位1 791.53 m,正常蓄水位1 790.00 m。

（1） 隧洞襯砌依據(jù)《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算,襯砌厚度分別為0.6 cm、0.8 cm。按不同工況進(jìn)行計算,計算情況如下[4]：

a.正常運用情況：圍巖壓力+襯砌自重+外水壓力(正常蓄水位)；

b.施工情況：圍巖壓力+襯砌自重+灌漿壓力+外水壓力；

c.非常運用情況：圍巖壓力+襯砌自重+外水壓力(校核洪水位)。

（2） 計算方法及結(jié)果

根據(jù)不同工況荷載組合,采用SDCAD 軟件計算。綜合以上正常運用情況、施工情況及非常運用情況,計算得出主交通洞沿高程從上至下,結(jié)構(gòu)內(nèi)力加大,結(jié)構(gòu)配筋由上至下分段按不同配筋面積進(jìn)行配筋,強(qiáng)度及裂縫寬度均滿足設(shè)計要求,計算結(jié)果見表1[5]。

表1 主交通洞結(jié)構(gòu)計算結(jié)果表

3 施工過程中需要重點關(guān)注的問題

牛欄江干河泵站地下廠房洞室群位于巖溶地區(qū),巖溶發(fā)育,且大部分洞段均在地下水位以下,施工中可能遇到的溶洞,在數(shù)量、尺寸、產(chǎn)狀、部位、水文地質(zhì)條件、是否含有充填物以及充填物特性等方面都是難以確定,隧洞施工過程中可能發(fā)生涌水、突泥、巖溶漏斗塌陷等巖溶水文地質(zhì)問題,存在較大的施工風(fēng)險。此外,主交通洞具有隧道洞口段地質(zhì)條件差、隧道斷面大、跨度大、部分隧洞段埋深淺的特點,主交通洞施工前期一定要做好充足的施工準(zhǔn)備和預(yù)警措施,以確保工程建設(shè)的安全、順利進(jìn)行[6]。

3.1 主交通洞圍巖變形問題

為了全面了解交通洞開挖過程中圍巖的穩(wěn)定性、襯砌在施工期和運行期間的受力變形情況,隧洞設(shè)計時采用三維應(yīng)力應(yīng)變分析法對該區(qū)域進(jìn)行了分析。

交通洞開挖后應(yīng)力分布平順,除與地下廠房交接處有局部應(yīng)力集中外,其余沒有明顯應(yīng)力集中區(qū),開挖引起的位移變化很小,最大不超過3 mm,塑性區(qū)分布范圍很小,說明交通洞開挖對整體圍巖穩(wěn)定性影響很小。根據(jù)工程實際情況,在隧洞施工過程中,需要注意以下兩點：

（1） 隧洞遇到裂隙或土夾層不良地質(zhì)情況時,可采用隨機(jī)錨桿、系統(tǒng)錨桿、掛網(wǎng)鋼筋和噴C20 混凝土聯(lián)合支護(hù)的處理方式,隨機(jī)錨桿為φ22 (L=4～5 m),系統(tǒng)錨桿為φ22(L=3 m、間排距1.5 m)梅花形布置,掛網(wǎng)鋼筋為Φ6.5,網(wǎng)距為150 mm×150 mm,噴C20 混凝土厚度為50～80 mm。

（2） 主交通洞與主廠房連接處全范圍內(nèi)鋼筋混凝土支護(hù)應(yīng)結(jié)合施工支護(hù)進(jìn)行,并進(jìn)行固結(jié)灌漿。固結(jié)灌漿孔、排距3.0 m,平均深度4 m。施工支護(hù)采用φ28 mm 錨桿、噴150 mm 厚C20 混凝土支護(hù),錨桿采用Ⅱ級筋,單根長6 m,間、排距均為2 m。伸入巖石4.0 m,外露部分結(jié)合頂供C25 鋼筋混凝土襯砌支護(hù)。

3.2 主交通洞防滲及溶洞處理問題

（1） 在巖溶發(fā)育地段進(jìn)行洞室開挖時,為確保進(jìn)洞安全,應(yīng)加強(qiáng)超前勘探及超前預(yù)報等措施,盡早查明巖溶類型、溶蝕形態(tài)、充填及堆積物性質(zhì)、分布范圍及地下水活動規(guī)律。根據(jù)對富水巖溶區(qū)復(fù)雜的巖溶水文地質(zhì)勘探分析研究,隧洞施工期間,極易發(fā)生圍巖失穩(wěn)、涌水突泥等巖溶地質(zhì)災(zāi)害,施工時可根據(jù)實際情況采用臨界距離開挖、超前處理、加強(qiáng)支護(hù)等措施。由于巖溶突水主要發(fā)生在開挖和初期支護(hù)兩個環(huán)節(jié),一次支護(hù)采用鋼支承加強(qiáng)支護(hù),對圍巖條件差的地段考慮“二襯緊跟”,確保支護(hù)體系的及時性和有效性[7]。在開挖露出巖面后,根據(jù)巖石情況,對溶洞部位先進(jìn)行超前錨桿和鋼支撐施工,錨桿參數(shù)按Ⅴ類圍巖臨時支護(hù)設(shè)計圖紙施工,視圍巖情況,當(dāng)遇到斷層破碎帶、節(jié)理密集帶等不良地質(zhì)段,可采用洞口段支護(hù)方案進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)處理,隨機(jī)錨桿加密配合支護(hù)。

（2） 隧洞頂拱溶洞無充填物時,采用回填混凝土,再進(jìn)行灌漿處理。若頂拱溶洞高度超過隧洞寬1/2時,回填混凝土高度為隧洞寬的1/2。邊墻溶洞采用M7.5 漿砌石砌筑至設(shè)計開挖線,然后架設(shè)工字鋼,掛網(wǎng)噴混凝土按設(shè)計施工。若隧洞邊墻外側(cè)的溶洞寬度超過隧洞寬1/2 時,回填寬度為隧洞寬的1/2。邊墻與M7.5 漿砌石之間采用回填灌漿處理,灌漿壓力0.1 MPa。底板溶洞處理需分兩種情況進(jìn)行處理：底板有空洞的采用回填塊石料；底板有充填物的或者有較大溶洞的情況應(yīng)先采取鉆孔探測深度,根據(jù)現(xiàn)場實際情況確定清除充填物的深度,然后再回填塊石料進(jìn)行處理,之后再回填灌漿處理,灌漿壓力0.1 MPa。

（3） 主交通洞運行期間應(yīng)考慮隧洞路面滲水,滲水處理采取設(shè)隨機(jī)排水孔引至排水溝,再用水泵經(jīng)排水管排至洞外, 本工程在主交通洞底板兩側(cè)布置150 mm×100 mm 排水溝,水經(jīng)排水溝匯入集水井。分別在里程交0+551.00 ～交0+555.00 m、交1+031.03～交1+035.03 m 布置集水井,集水井長2.0 m、寬5.728 m、高2.0 m。集水井布置水泵將水抽出洞外。

4 結(jié)論

本工程主交通洞位于庫水位以下,應(yīng)重點做好防滲和排水措施；灰?guī)r地區(qū),尤其巖溶發(fā)育地段進(jìn)行洞室開挖,要做好施工處理措施。對斷層帶、水平溶洞發(fā)育段及淺埋段垂直巖溶（漏斗）發(fā)育段等易發(fā)生大規(guī)模涌水的施工風(fēng)險控制段,隧洞開挖掘進(jìn)進(jìn)行爆破作業(yè)時,應(yīng)將人員和設(shè)備撤離到支洞與主洞交岔口,保證人員和設(shè)備的安全。地下廠房交通洞在確定隧洞軸線時,需綜合考慮材料設(shè)備運輸、隧洞底坡及轉(zhuǎn)彎半徑要求,得出合理的軸線長度及轉(zhuǎn)彎半徑。確定隧洞洞徑及襯砌斷面和形式時,需綜合考慮泵站大件運輸、地質(zhì)及施工等多方面因素進(jìn)行比較,才能選擇合理的經(jīng)濟(jì)斷面。本工程地下廠房交通洞已竣工,在地下廠房的施工、機(jī)電安裝及工程的運行管理中發(fā)揮了重要作用,目前運行良好。