灌區(qū)小斷面短隧洞改造中的洞線方案設計

王 凱

(甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000)

1 概況

引大入秦工程是將大通河水跨流域調至蘭州市以北60多公里處的秦王川地區(qū)的一項大型跨流域調水工程，工程等別為Ⅱ等、規(guī)模為大(2)型，引大灌區(qū)所轄52條支渠運行近30年來未進行系統(tǒng)改造，各類病險問題日益嚴重，以“十四五”灌區(qū)改造項目對其中部分支渠的“卡脖子”段進行改造，提升灌區(qū)灌溉保障能力。支渠設計加大流量均小于3m3/s，主要建筑物級別為5級，隧洞總計245座，本次改造19座，文章以其中5座典型隧洞為例研究灌區(qū)小斷面短隧洞改造的洞線方案設計。

2 隧洞現(xiàn)狀情況及改造內容

根據(jù)《設施調查評估報告》及現(xiàn)場踏勘情況，1#、7#、12#、14#、18#隧洞的原橫斷面均為城門洞(圓拱直墻)型式，斷面尺寸為1.2m×1.8m(寬×高)，采用預制磚砼勾縫襯砌、厚度20cm，主體襯砌結構老化破損嚴重、局部洞段甚至存在襯砌缺失情況，同時沉陷變形嚴重、洞頂塌落、風化掉塊，后續(xù)無法長時間安全運行，故對其主體襯砌結構實施改建。

3 隧洞基本工程地質條件

1#、7#、12#、14#、18#隧洞地處黃土覆蓋的中低丘陵區(qū)，隧洞最大埋深30～70m，橫穿黃土梁布置，進出口段布置于山梁兩側發(fā)育的沖溝溝谷中及山體坡腳部位，溝谷寬80～400m，地面自然坡降為1/90～1/120，谷底多為已開墾的階梯狀耕地。

4 改造方案

4.1 隧洞橫斷面確定

本次隧洞改建維持采用簡單的城門洞(圓拱直墻)型式橫斷面。無通航要求的低流速無壓隧洞中，若通氣條件良好，洞內水面線以上的空間不宜小于隧洞斷面面積的15%，凈空高度不應小于400mm，隧洞橫斷面尺寸須通過加大流量時滿足上述要求。縱坡依據(jù)能量方程推算的水面線，同時保證與進出口渠道順接。

如果維持原斷面尺寸，拆除原襯砌、一次支護、二次襯砌過程中通風、運輸、擴挖、澆筑等施工難度較大。且根據(jù)《水工隧洞設計規(guī)范》相關規(guī)定，非圓形斷面的高度不宜小于1.8m、寬度不宜小于1.5m。類比同類項目實施情況，本次采用1.6m×1.9m的隧洞斷面滿足規(guī)范要求。

4.2 隧洞一次支護及二次襯砌

隧洞一次支護及二次襯砌斷面均為城門洞型式，明洞只需開挖后采用隧洞二次襯砌斷面澆筑。根據(jù)圍巖類型的不同，洞內一次支護形式有所不同，如圖1所示，見表1。二次襯砌采用現(xiàn)澆C25鋼筋砼厚300mm，澆筑時預埋回填灌漿管，伸入基巖100mm，排距2～3m，每排2～3孔，梅花型布置，襯砌砼澆筑完成后頂拱120°范圍做回填灌漿處理，使襯砌砼與圍巖緊密結合。隧洞凈寬1.6m，側墻高1.1m，頂拱半徑0.8m，頂拱圓心角180°，如圖2所示。

圖1 一次支護橫斷面設計圖

圖2 二次襯砌橫斷面設計圖

4.3 典型隧洞的洞線方案比選

隧洞洞線方案須根據(jù)具體情況逐個擬定，主要考慮原址拆除擴建方案、改線新建隧洞方案。本次支渠改造涉及的隧洞圍巖條件均較差，且工期緊迫，施工安全、施工進度是主要難點。

原址拆除擴建方案中，一次支護循環(huán)推進時，需先做超前鋼管管棚，再拆除原襯砌后擴挖橫斷面，存在施工難度較高、風險較大、進度較慢的問題。與改線新建隧洞方案相比，原址擴建方案的超前鋼管管棚及回填混凝土使用量較多，但洞挖土石方較少。改線新建隧洞方案及原址擴建方案的每延米主要工程投資分別為0.825萬元、0.848萬元，差距微弱，不構成方案比選的關鍵因素，進而選取以下5座典型隧洞，研究灌區(qū)小斷面短隧洞的洞線方案設計中存在哪些不容忽視的制約因素。

4.3.11#隧洞洞線方案

原1#隧洞長770m，本次改造僅有80天灌溉間歇期可供施工，若采用原址擴建方案，對照類似項目施工進度，即使洞進出口同時展開工作面，也無法按期完工，勢必阻礙灌溉輸水。采用改線新建隧洞方案，在灌溉期時，新線照常施工，通過原隧洞輸水。

原1#隧洞及上下游渠道基本順直，其左側靠近山脊，右側靠近山溝，改線線路選取埋深較大地質條件較好的左側，與原隧洞軸線距離不小于10m。改線后7#隧洞長785m，隧洞上、下游采用現(xiàn)澆矩形渠連接原渠線，如圖3所示。

圖3 1#隧洞改線方案平面圖

4.3.27#隧洞洞線方案

原7#隧洞長150m，橫穿黃土支梁，進出口位于黃土坡腳。洞身巖性為Ⅳ2類(Q2)洪積離石黃土，洞進出口段巖性為Ⅴ1類(Q3)風積馬蘭黃土。

原7#隧洞出口兩側黃土邊坡表面存在拉張裂縫，且有不斷擴大趨勢，存在邊坡失穩(wěn)可能。其中，原7#隧洞出口右側邊坡上部存在長約12m，寬約1～3cm的弧形傾向邊坡外部的裂縫，裂縫傾角70～85°不等。原7#隧洞出口及明渠段左側黃土山體在當初建設時開挖削坡形成50～65°不等的邊坡，高達40m，邊坡較陡且有淺表層小方量塌落體，局部土體塌落后邊坡上部已成近直立的黃土陡坎，原7#隧洞出口明渠段左側邊坡上部存在長約60m，口寬約10～30cm的弧形傾向邊坡外部的黃土座落體，卸荷拉張裂縫上寬下窄，傾角70～90°不等，該座落體頂部拉張裂縫垂直錯距20～50cm，座落體厚約0.5～7m。

經(jīng)現(xiàn)場地質勘察，原7#隧洞出口段及出口明渠段左側黃土山體邊坡不穩(wěn)定，原渠道破損滲漏嚴重，降雨及渠道滲漏水浸泡渠基及邊坡底部馬蘭黃土，造成邊坡土體抗剪強度降低，渠基土體濕陷沉降變形量加大，從而造成邊坡土體整體向下座落。

若只對已形成的座落體進行清除，將會形成新的臨空面，岸內黃土山體將會向高處產(chǎn)生更大范圍的滑塌或座落；若對該邊坡進行大范圍削坡處理，存在削坡方量大、施工及邊坡防護治理難度大的問題；若不對邊坡進行處理，施工期及運行期存在邊坡座落掩埋渠道或土體推移剪切破壞渠道的安全隱患。

綜上考慮，為保證改建后7#隧洞出口及渠段安全運行，采用繞線新建隧洞方案，避開原7#隧洞出口裂縫及座落體等地質不良區(qū)域。改線至原洞線左側較右側線路簡短，相當于裁彎取直，故在原7#隧洞左側改線新建隧洞，新洞線長249m，隧洞上、下游采用明洞(改線改建)分別連接不改建的6#隧洞和8#隧洞，如圖4所示。

圖4 7#隧洞改線方案平面圖

4.3.312#隧洞洞線方案

原12#隧洞長302m，出口洞段含7個連續(xù)S形轉彎，洞線總體呈L形，橫穿山梁，進出口段布置于坡腳部位。洞身巖性為V類泥巖，洞進出口段巖性為Ⅴ1類(Q4)馬蘭黃土。

若采用原址擴建方案，出口洞段內連續(xù)S形彎道開挖斷面控制難度大，且鋼模臺車無法通過，襯砌澆筑須支普通模板，會導致工期延長且澆筑質量下降，隧洞運行時流態(tài)紊亂。

如圖5所示，若采用改線新建隧洞方案，左側新洞線裁彎取直后僅272m長，相比原址擴建方案，洞線縮短、投資節(jié)省、施工難度降低、工期縮短、后續(xù)隧洞運行時流態(tài)平順，上下游采用現(xiàn)澆矩形渠連接原渠線。

圖5 12#隧洞改線方案平面圖

4.3.414#隧洞洞線方案

原14#隧洞長160m，洞線總體呈直線，橫穿山梁，進出口段布置于坡腳部位，隧洞圍巖為Ⅴ類泥巖?，F(xiàn)狀隧洞出口30～60m長洞段上部地面建有一棟三層樓房(長×寬=8m×40m)及一棟平房(長×寬=6.5m×15.5m)，房前場地混凝土地坪及房屋局部地基存在沉降變形，最大沉降量約20cm，局部房屋墻體存在水平狀拉張裂縫，縫寬約0.1～3cm。樓房沉降部位位于隧洞上部早前開挖回填的人工雜填土層上，該土層結構松散，土質不均，屬高壓縮、強濕陷性土層，存在壓縮變形大、浸水后易產(chǎn)生濕陷的工程特性。由于樓房建筑范圍內無良好的疏通排水溝道，受雨水浸泡后地基土產(chǎn)生濕陷及沉降變形，是造成此范圍內地基沉降的主要原因。

若采用原址擴建方案，在拆除此處房屋下埋設的隧洞襯砌后，上部松散人工雜填土將產(chǎn)生進一步的不均勻沉降變形，進而造成房屋地基更大程度的沉降變形及拉裂破壞。

綜上分析，為避免對此處房屋的影響，需采用改線新建隧洞方案，如圖6所示，新線位于現(xiàn)狀洞線左側，上下游采用現(xiàn)澆矩形渠連接原渠線。

圖6 14#隧洞改線方案平面圖

4.3.518#隧洞洞線方案

18#隧洞原洞線地質條件尚可，無地上及地下構筑物影響，隧洞長200m，拆除重建所須工期不妨礙灌溉期供水。并且改線新建隧洞方案中，洞長須215m，相比原址擴建方案，主要工程投資增加7.78萬元。綜合考慮可行性和經(jīng)濟性，此隧洞采用原址擴建方案。

5 結語

在“十四五”引大灌區(qū)改造項目中，對隧洞的改建是重點和難點，且均為小斷面短隧洞。首先根據(jù)過流能力及洞內施工要求擬定隧洞縱橫斷面，再依據(jù)圍巖條件確定一次支護及二襯措施，以供比較不同洞線方案的經(jīng)濟性。本項目洞線設計時，主要考慮原址拆除擴建方案及改線新建隧洞方案，圍巖條件較差、地質條件復雜、周邊地上或地下構筑物影響、只能在灌溉間歇期施工等制約因素構成不同組合，各隧洞洞線無法統(tǒng)一設計，均須具體摸排，確定安全可行的洞線。