談大公山輸水隧洞跨越暗河施工技術(shù)

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 摘要:介紹了云南省牛欄江－滇池補(bǔ)水工程中大公山輸水隧洞跨越大型地下暗河的處理措施。通過(guò)詳細(xì)的水文地質(zhì)調(diào)查及示蹤試驗(yàn)，摸清了暗河的形態(tài)及其與隧洞的空間關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)適當(dāng)?shù)膰鷰r加固措施，于暗河兩端修建施工橋臺(tái)，采取簡(jiǎn)支整體箱梁結(jié)構(gòu)的方式跨越暗河。工程實(shí)踐表明，該方案具有結(jié)構(gòu)型式簡(jiǎn)單、節(jié)約工期等優(yōu)點(diǎn)，且避免了對(duì)原暗河水文環(huán)境的破壞。

關(guān)鍵詞:巖溶; 發(fā)育特征; 輸水隧洞; 暗河; 牛欄江－滇池補(bǔ)水工程

中圖法分類號(hào): TV672  文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A  文章編號(hào): 1001-4179( 2013) 12-0056-03

1 工程概述

大公山輸水隧洞是牛欄江－滇池補(bǔ)水工程輸水線路中第二長(zhǎng)的隧洞，全長(zhǎng)27．23 km，設(shè)計(jì)縱坡i =0．05%。開(kāi)挖斷面尺寸(V 類圍巖)為5．3 m×5．75 m(寬×高) 的城門洞形。襯砌斷面采用底拱半徑4 m、側(cè)底拱半徑6 m、頂拱半徑2 m的標(biāo)準(zhǔn)馬蹄形。

大公山隧洞順山勢(shì)布置，地形地貌為構(gòu)造侵蝕中山地貌，山體走向北北東，沿線地面高程在1 913 ～2 225 m，地形坡度15°～30°。隧洞前半段西側(cè)分布有雀吃溝伏流、三起三落伏流、魏所河伏流和潘所海伏流。

在隧洞掘進(jìn)至樁號(hào)6 + 311．976 時(shí)，揭露一條地下暗河，其通道位于隧洞底板以下。水文地質(zhì)調(diào)查和示蹤試驗(yàn)結(jié)果，基本確定該暗河為魏所河伏流。

2 暗河發(fā)育特征

2．1 形態(tài)和規(guī)模

水文地質(zhì)調(diào)查和示蹤試驗(yàn)揭示，暗河源頭為金所盆地魏所河，入口高程1 978 m，距隧洞軸線垂直距離約1．7 km。暗河出口位于三月三水庫(kù)北側(cè)巖溶泉，高程1 902 m，入口與出口直線距離約3．8 km。暗河與隧洞交叉部位的隧洞底板高程為1 950．12 m，暗河水面高程為1 940．50 m(枯期) ，隧洞埋深約105 m。

已揭露區(qū)域的暗河溶洞高度最高約16 m，寬度一般為10 m，最寬達(dá)15 m，過(guò)隧洞段溶洞寬度為12～13m，高度為13～6．5 m(右壁到左壁溶洞高度逐步降低，右壁－中線已連通隧洞底板，中線－左壁有1～3．5 m厚的基巖)。隧洞掌子面中線左側(cè)與暗河溶洞頂部連通，右側(cè)底板圍巖厚度約0．4～0．8 m。

暗河溶洞基本沿巖層走向發(fā)育，總體方向約S40°E，與隧洞軸線交角約70°，暗河流向自NW 向SE。暗河上游(隧洞西側(cè)) 的可見(jiàn)長(zhǎng)度約為150 m，河床坡降約1%; 暗河下游的可見(jiàn)長(zhǎng)度約200 m，前100 m河床坡降約2%～3%，局部有0．5 m跌水，后100 m河床坡降約為5%，水流快速進(jìn)入約1 m寬的狹窄通道。經(jīng)測(cè)量，枯期暗河流量約1．5 m3 /s。

2．2 工程地質(zhì)特征

暗河與隧洞交叉區(qū)域位于向斜南西端和一條斷層之間，沿線出露地層巖性為陽(yáng)新群的灰?guī)r夾白云巖，二迭系下統(tǒng)梁山組石英砂巖、粉砂巖、頁(yè)巖夾煤層及石炭系中統(tǒng)的灰?guī)r，堅(jiān)硬和軟巖約各占一半，巖層走向與隧洞軸向夾角小。巖溶巖體破碎，呈碎裂狀，穩(wěn)定性總體較差。暗河溶洞基巖地層巖性為石灰系中上統(tǒng)(C2 + 3) 灰?guī)r，巖層產(chǎn)狀N20°W，SW∠30°。

暗河與隧洞交叉處的河床中堆積有較厚的巨石、塊石、砂卵石，推測(cè)厚度大于5 m，兩岸為淤積黏土、粉細(xì)砂，最高點(diǎn)接近溶洞兩邊頂部，厚度約15 m。溶洞內(nèi)局部坍塌嚴(yán)重，上游河床內(nèi)有3 處新近坍塌的巨石、塊石堆積物。

3 工程措施

3．1 處理原則

根據(jù)暗河的發(fā)育特點(diǎn)，結(jié)合隧洞穿越暗河段水文及工程地質(zhì)條件，擬定工程處理的基本原則如下。

(1) 對(duì)隧洞和暗河的相對(duì)關(guān)系進(jìn)行準(zhǔn)確的勘測(cè)調(diào)查，充分考慮工程的不可逆轉(zhuǎn)性，采取全面處理、不留后患的工程措施;

(2) 盡可能避免對(duì)圍巖原始應(yīng)力狀態(tài)造成影響，并在利用圍巖本身穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，采取一定的措施提高圍巖強(qiáng)度;

(3) 工程措施應(yīng)不侵占原暗河溶洞斷面，或不改變暗河的現(xiàn)狀過(guò)流能力。

3．2 方案比選

根據(jù)基本處理原則，初步擬定兩個(gè)技術(shù)方案。

方案一。因隧洞施工采用“新奧法”，擬在開(kāi)挖期內(nèi)搭設(shè)臨時(shí)便橋跨過(guò)暗河頂部，襯砌時(shí)按簡(jiǎn)支整體箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并適當(dāng)提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)(圖1)。

方案二。在隧洞與暗河交叉點(diǎn)后退20 m的位置(樁號(hào)6 + 331．976) 對(duì)隧洞軸線進(jìn)行調(diào)整，向東側(cè)偏移5～8 m，選擇從暗河頂部圍巖覆蓋較厚的區(qū)域穿過(guò)。

經(jīng)分析，認(rèn)為方案二因暗河周邊圍巖條件差，溶蝕裂隙發(fā)育，改線后也很難保證隧洞在穿越暗河段開(kāi)挖時(shí)下部圍巖的穩(wěn)定，仍然可能會(huì)造成坍塌連通暗河溶洞頂部，風(fēng)險(xiǎn)較大。方案一雖然采取的技術(shù)措施較為復(fù)雜，但處理過(guò)程可預(yù)見(jiàn)、結(jié)構(gòu)安全可控，風(fēng)險(xiǎn)較小。最終選定方案一［1-3］。

3．3 開(kāi)挖期臨時(shí)加固方案

(1) 從掌子面右側(cè)2．5 m處(下部圍巖厚度約1m) 用小導(dǎo)坑方式向前掘進(jìn)至暗河對(duì)岸，并在對(duì)岸開(kāi)挖凈深4 m、高度2．5 m的作業(yè)平臺(tái)。采用“弱爆破、短進(jìn)尺”的方式開(kāi)挖。每次爆破并排險(xiǎn)清渣完成后，立即對(duì)新鮮巖面進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，具體措施為: 全斷面掛Φ6．5@200 mm×200 mm鋼筋網(wǎng)，噴射C20 混凝土厚100 mm，同時(shí)設(shè)置間排距為1．5 m×1．5 m的砂漿錨桿(Φ22，L = 3 m)。

通過(guò)開(kāi)挖掘進(jìn)時(shí)對(duì)圍巖完整性的判斷以及所采取的加強(qiáng)支護(hù)措施，確保對(duì)岸作業(yè)平臺(tái)能夠作為施工便橋橋臺(tái)使用，并具備永久使用的整體穩(wěn)定性。

(2) 暗河溶洞揭露處的隧洞底板(暗河頂部) 圍巖較為單薄。為提高暗河圍巖穩(wěn)定性，在洞軸線兩側(cè)各7．5 m范圍內(nèi)對(duì)暗河頂部和左右兩壁進(jìn)行加固。具體措施為: 全斷面掛Φ6．5@ 200 mm×200 mm鋼筋網(wǎng)，噴射150 mm厚C20 混凝土，同時(shí)設(shè)置間排距為1．5 m×1．5 m的砂漿錨桿(Φ22，L = 3 m) ，錨桿盡量垂直于巖體節(jié)理面。

另外，還在開(kāi)挖期內(nèi)設(shè)置臨時(shí)變形監(jiān)測(cè)斷面，通過(guò)監(jiān)測(cè)結(jié)果擬定后期混凝土襯砌技術(shù)參數(shù)。

(3) 施工便橋采用I32b 工字鋼搭設(shè)，長(zhǎng)12 m，間距25 cm，隧洞上游平臺(tái)搭設(shè)長(zhǎng)度為3 m，下游平臺(tái)搭設(shè)長(zhǎng)度為4 m，中部暗河頂空腔區(qū)域5 m。為加強(qiáng)便橋支撐端的整體受力，使支點(diǎn)處受力狀況由線狀轉(zhuǎn)化為面狀，在兩個(gè)橋臺(tái)底板先行鋪設(shè)鋼板，鋼板寬4 m，縱向長(zhǎng)2．2 m，厚20 mm。同時(shí)，在橋底增設(shè)橫梁，以加強(qiáng)便橋的整體連接和穩(wěn)定性，橫梁為I32b 工字鋼，長(zhǎng)5 m，間距1．5 m。便橋上部鋪設(shè)厚2 cm的鋼板，鋼板上滿鋪枕木，再回填10 cm厚碎石墊層作為橋面。

對(duì)橋梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算(按簡(jiǎn)支梁形式) 表明，工字鋼主梁的抗彎、抗剪能力及整體撓度均滿足規(guī)范要求，滿足開(kāi)挖期內(nèi)機(jī)械設(shè)備安全運(yùn)行要求(按最重為17 t 的出渣車考慮)。

3．4 永久襯砌處理方案

開(kāi)挖期間的安全監(jiān)測(cè)未發(fā)現(xiàn)兩處橋臺(tái)位移變形，暗河兩側(cè)圍巖較為完整穩(wěn)定，結(jié)合地質(zhì)勘探結(jié)果，確定了永久襯砌處理方案，見(jiàn)圖1。

(1)為了進(jìn)一步加強(qiáng)暗河兩側(cè)橋臺(tái)巖體的整體穩(wěn)定性，防止襯砌混凝土荷載壓迫致使巖體沿節(jié)理面滑動(dòng)，在兩個(gè)橋臺(tái)底板布置系統(tǒng)錨桿(Φ22，L = 4．5 m) ，間排距為1．5 m×1．5 m。錨桿深入巖體4 m，外露部分采用L 型鋼筋與襯砌底板內(nèi)側(cè)鋼筋焊接相連。

(2) 跨暗河段襯砌斷面作為整體箱梁斷面，按簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，長(zhǎng)度為15．6 m。該段配筋按雙層筋布設(shè)(原設(shè)計(jì)為單層筋) ，隧洞環(huán)向主筋和縱向分布鋼筋為Φ22@200，底板縱向鋼筋(簡(jiǎn)支梁受力鋼筋) 調(diào)整為Φ28@150，襯砌厚度50 cm。混凝土采用C35 抗硫酸鹽混凝土、抗?jié)B標(biāo)號(hào)W8。該段混凝土澆筑時(shí)不得分段分期，一次澆筑成型。

(3) 完成永久襯砌前，對(duì)暗河內(nèi)堆積的石渣(開(kāi)挖時(shí)掉落) 進(jìn)行清理，以保證恢復(fù)原暗河過(guò)水?dāng)嗝妗?/span>

4 處理效果

自確定處理方案開(kāi)始，于7 d 內(nèi)完成對(duì)岸橋臺(tái)開(kāi)挖及隧洞周邊圍巖加固處理，5 d 內(nèi)完成暗河頂部和兩側(cè)巖壁的加固處理，3 d 內(nèi)完成便橋搭設(shè)。臨時(shí)處理方案完成后，周邊圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，無(wú)塌方和變形現(xiàn)象，有效保證了前方掌子面的開(kāi)挖掘進(jìn)施工，保障了建設(shè)工期。

臨時(shí)便橋完成并恢復(fù)開(kāi)挖后7 個(gè)月，在第二年的汛期來(lái)臨前對(duì)該段進(jìn)行永久襯砌。襯砌完成后經(jīng)3 個(gè)月時(shí)間的觀測(cè)，襯砌斷面無(wú)變形沉降現(xiàn)象，混凝土外觀無(wú)裂痕。

通過(guò)對(duì)暗河入、出口的流量及水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，與施工前對(duì)比，無(wú)異?，F(xiàn)象，通過(guò)襯砌底板預(yù)留的觀測(cè)孔觀察也發(fā)現(xiàn)，汛期時(shí)暗河內(nèi)過(guò)流正常，無(wú)涌水堵塞現(xiàn)象。

5 結(jié)論

實(shí)踐證明，大公山輸水隧洞跨越大型地下暗河的處理方案是成功的。在其施工過(guò)程中有以下幾點(diǎn)體會(huì)。

(1) 隧洞穿越暗河施工時(shí)，必須展開(kāi)細(xì)致的地質(zhì)勘查，摸清暗河的流向、流量等基本情況，了解其水文地質(zhì)條件。對(duì)隧洞與暗河的交叉區(qū)域，要進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量工作，以查清暗河形態(tài)以及暗河與隧洞的空間關(guān)系。

(2) 采取的“對(duì)岸橋臺(tái)開(kāi)挖及支護(hù)－暗河圍巖加固處理－臨時(shí)便橋搭設(shè)－前方掌子面正常掘進(jìn)－完成永久襯砌”的工程處理措施是合理有效的，確保了隧洞施工和長(zhǎng)期運(yùn)行的安全，也降低了工期延誤的風(fēng)險(xiǎn)。

(3) 在方案選定時(shí)，應(yīng)考慮與周邊環(huán)境因素相結(jié)合，減小施工影響，要避免形成二次破壞甚至多次破壞。比如本案例中，經(jīng)對(duì)圍巖作適當(dāng)加固處理，利用了原有圍巖整體性，沒(méi)有對(duì)橋臺(tái)巖體進(jìn)行開(kāi)挖重建，減小了工程投資，也節(jié)約了施工時(shí)間。

(4) 要盡可能保持暗河的原有功能，避免對(duì)當(dāng)?shù)厮沫h(huán)境帶來(lái)影響。

參考文獻(xiàn):

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［3］關(guān)寶樹(shù)．隧道工程施工要點(diǎn)集［M］．北京: 人民交通出版社，2011．

作者簡(jiǎn)介:龍慶波，男，工程師，主要從事水利工程建設(shè)管理工作。