駟馬山四級站干渠隧洞開挖支護設計

一、工程概況

駟馬山灌區續建四級站干渠工程跨越安徽省肥東和定遠兩縣，工程內容主要包括四級站擴容改造、進口攔污閘及進水池、輸水暗涵以及提水泵站等。輸水暗涵/渠道續建長度為20.34km，其中肥東縣境內約16.92km，定遠縣境內3.42km，設計輸水流量24m3/s，襯砌后隧洞內徑為4.2m鋼筋混凝土現澆有壓圓涵。

二、地形地質條件

工程區位于江淮丘陵中部，地貌為崗坳相間堆積、剝蝕的波狀平原，崗地的地面高程在60m左右，坳谷地面高程一般在40m以下，崗坳以緩坡相連，發育有受降水控制明顯的下切“V”字形河流，河間灘地狹窄且不發育。

根據全部明開、盾構、部分明開部分洞挖等多種經濟技術方案比選，以及考慮工程建設征地難度（約83.2%長度位于肥東縣境內），擬建渠線全部采用地下涵，總長20.34km，其中開挖回填段長7.14km，洞挖段長13.2km。

根據地勘資料，洞身沿線位于不同巖層：樁號3+250～4+100洞頂覆蓋層厚度為6～15m，以重粉質壤土、全～弱風化粉砂巖、泥質砂巖為主；洞身位于弱風化粉砂巖、泥質砂巖層中。4+750～5+850段洞頂覆蓋層重粉質壤土層厚6～13m；洞身位于重粉質壤土、強風化粉砂巖、泥質砂巖層中，絕大部分位于重粉質壤土層中，本段基本為土洞。6+350～17+600段洞頂覆蓋層厚度差別較大，最薄處6m左右，最厚處近32m，以重粉質壤土、全～微風化粉砂巖、泥質砂巖為主；洞身位于弱～微風化粉砂巖、泥質砂巖層中。洞挖段圍巖級別均為V類，穩定性均非常差。

二、隧洞開挖及臨時支護

1.隧洞斷面開挖方案

設計輸水洞線二襯后斷面為直徑4.2m的圓形隧洞，襯砌厚度50cm，根據《水利水電工程錨噴支護技術規范》（SL377-2007），初次支護噴混凝土厚度取250mm，則隧洞開挖直徑至少為5.7m。

根據工程地質條件及相關工程開挖經驗，當開挖斷面為較小的圓洞時，出渣困難，可考慮先開挖成馬蹄形或城門洞型或墊渣方式解決，在圍巖條件很差情況下，城門洞型由于自身穩定性差，極少采用。該工程在設計階段通過圓形開挖和先開挖成馬蹄形再二襯為圓形兩種開挖斷面方案進行經濟技術比較，從圍巖穩定、施工方便，造價等方面綜合考慮，選用馬蹄形開挖斷面方案。馬蹄形斷面的擬定以底部仰拱段圓弧弦長不小于4.0m，兩端與側墻圓弧平順相接，初步擬定斷面見圖1。

根據各隧洞段地質情況，泥質粉砂巖為貧水地層，地下水位位于結構頂板之上，但出現涌水的可能性不大。根據地質資料，該工程洞身巖石單軸飽和抗壓強度均在10MPa以下，如采用鉆爆開挖，對周邊V類圍巖穩定影響大，且造價高，考慮到該工程圍巖穩定性極差，采用礦用懸臂式掘進機進行強～微風化粉砂巖、泥質砂巖開挖，在壤土層和全風化巖層采用0.6m3挖掘機或履帶式扒渣機直接進行開挖，盡可能減少對圍巖的擾動。

圖1 開挖斷面圖

2.臨時支護方案

由于洞挖段圍巖均為V類，圍巖不能自穩，極易變形失穩。洞頂覆蓋層厚度為6～32m，覆蓋層厚度和開挖洞徑比值為1.05～5.61，根據我國當前土隧洞開挖技術水平和經驗，針對該工程中小斷面的V類圍巖隧洞（圍巖極不穩定，不能自穩，極易坍塌，覆蓋層薄的可能塌至地表），可采用新奧法與超前支護等輔助方法相結合的臨時支護方案，初次支護擬采用掛網（鋼筋網）噴混凝土、系統錨桿、型鋼鋼架，并采取必要的管棚、超前小導管等超前支護措施。參照類似工程經驗，初擬支護參數如下：

對于土質洞，開挖前在掌子面150°范圍內打設φ108×8m管棚，斜插角3°，在180°范圍內斜插小導管注漿超前支護，斜插角10°；對于V類圍巖的巖質洞，開挖前在掌子面在180°范圍內斜插小導管注漿超前支護。開挖后均采用型鋼鋼架和鋼筋網并噴射250mm厚混凝土支護，洞周梅花形布置φ32、長3.5m藥卷錨桿。臨時支護結構見圖2。

3.支護穩定計算分析

圖2 支護結構圖

隧洞開挖后至支護起作用前，對隧洞來說是最危險時段，需加強位移和變形觀測，發現位移和變形超過允許值時要及時采取措施，加強支護。考慮二襯施工對施工交通的影響，計劃在每段洞通后再進行二襯混凝土澆筑，因此初期支護后到二襯混凝土澆筑尚需間隔較長時間，初期支護的結構穩定關系到工程安全、進度，也是控制投資的關鍵因素，初期支護要確保圍巖長期穩定，根據理正隧道襯砌計算軟件和初襯標準斷面（同時考慮地下水作用）對支護結構進行內力分析計算，選取底拱、側拱、頂拱各等分10個點位進行彎矩、切向位移、法向位移、轉角、圍巖抗力等計算，均滿足穩定要求，計算結果見表1。同時用midas GTS NX有限元程序進行了復核，結果也滿足要求。

4.施工期安全監測

為了確保洞挖施工安全，初襯穩定，除采用安全、可靠的設計及先進的施工工法外，另一個必不可少的工作就是要進行嚴密的現場監測，通過對測量得到的數據進行分析，將信息反饋到施工中，與工程安全標準及允許變形對比得到分析結果，最終達到使工程安全、穩步推進的目的。因此，施工期安全監測是洞挖工程施工過程中的重要環節。

根據相關規范，洞內應主要監測以下內容：洞室內空間收斂變形、頂拱沉降、底拱上抬、圍巖對支護結構的壓力、圍巖應力、支護結構應力變形等。洞外應監測下列內容：地面沉降、地下水位、地面建筑物傾斜及開裂等。洞內監測以埋設的監測儀器為主，洞外監測以人工觀測監測為主，重點為洞內監測。

表1 支護穩定計算結果表

根據洞身穿過不同地質地層條件（根據地勘資料主要有4種地質地層條件），每種地層條件根據長度不同設置2～8個觀測斷面，每個觀測斷面不少于4個測點，通過埋設應變計、位移計、無應力計、鋼筋計等，觀測頂拱沉降、側墻位移變形、噴護混凝土應力應變、鋼筋（鋼結構）應力等，同時還要進行外水壓力、圍巖與支護結構接觸壓力監測等。在工程實施階段，應根據開挖支護試驗，提出明確的監測要求、監測方法、報警指標等，確保洞挖和支護結構安全。

四、結語

上述開挖支護方案均為設計階段初步擬定方案，是在參照類似工程施工經驗的基礎上采用工程類比法與監測量測相結合的基礎上進行設計的，在工程正式實施前須進行開挖支護試驗，根據試驗結果對支護參數進行優化調整，找出適合該工程開挖支護參數，為工程順利實施，提供技術支撐■