吉林引松工程超長有壓隧洞關鍵技術

齊文彪, 劉 陽, 薛興祖, 徐世明, 馬振洲

(吉林省水利水電勘測設計研究院, 吉林 長春 130021)

0 引言

吉林省中部城市引松供水工程(簡稱“吉林引松工程”)是國家“十三五”規劃的172項重大節水供水工程之一,同時也是吉林省有史以來規模最大、技術難度最大的大型跨區域引調水工程。國內已建和在建的超長引水隧洞如引大入秦工程、引黃入晉工程、遼寧大伙房輸水工程、引大濟湟工程等均為無壓隧洞,吉林引松工程采用超長有壓隧洞技術,具有增加調水量等顯著優勢。沈家俊[1]從工程布置、結構設計和工程施工角度對錦屏二級水電站有壓隧洞進行了詳細介紹; 宋岳[2]結合引黃入晉工程從地質方面對TBM施工穿越灰巖地區技術進行了分析; 林秀山等[3]針對小浪底工程后張法無黏結預應力隧洞襯砌模型試驗進行了研究; 蔡斌等[4]對《工程巖體分級標準》與Q分類法、RMR分類法的關系進行了對比分析; 嚴振瑞等[5]結合東深供水改造工程對直徑4.8 m大型無黏結預應力涵管進行了有限元仿真數值分析; 鄔愛清等[6]結合三峽工程對地下廠房巖體穩定性分析的塊體理論方法進行了探討。

目前國內對超長隧洞的研究方向一般限于施工布置、施工方法,一些結構性的關鍵技術問題如超長有壓隧洞圍巖分級、TBM穿越灰巖區技術、大型現澆預應力環錨襯砌現場原位試驗等,目前國內外尚無成熟設計理論和規范可供借鑒,本文從上述幾方面對超長有壓隧洞的關鍵創新技術進行探討。

1 工程概況

吉林引松工程從松花江上豐滿水庫引水至吉林省中部地區,向長春市、四平市、遼源市等11個市(縣、區)的城區,以及供水線路附近可直接供水的26個鎮供水,同時退還和增加農業用水及河道生態用水,改善生態環境。工程年最大引水量為10.29億m3,設計引水流量為38.0 m3/s。工程由豐滿水庫取水口、1條輸水總干線、1處分水樞紐、3條輸水干線、3個調蓄水庫、11條輸水支線組成。

輸水干線全長263.45 km,包括總干線、長春干線、四平干線和遼源干線,在總干線末端馮家嶺分水樞紐調壓井下游連接2座提水泵站(四平干線、遼源干線);輸水支線全長274.465 km[7]。總干線及下游的長春干線,采用全程自流有壓輸水方式,有壓隧洞總長99.2 km,其中豐滿水庫—飲馬河段最大自然洞長72.1 km,開挖洞徑7.90 m,使用3臺開敞式TBM組合鉆爆法施工。

2 TBM穿越灰巖地區技術

2.1 地層巖性及地質構造

總干線石門子河—飲馬河段線路,在飲馬河右岸TBM穿越7 921 m的灰巖地層, TBM開挖施工歷時376 d。本段線路穿越的地層巖性主要為古生代石炭系與泥盆系灰巖、石炭系凝灰巖、三疊系凝灰巖、華力西晚期閃長巖等。其中灰巖地層中見砂巖、炭質板巖、泥巖、細粒閃長巖等,巖石多見蝕變現象。

TBM穿越灰巖線路勘察主要工作量包括勘探鉆孔45個,物探(電法、地震、電磁法、聲波測試等)全線,鉆孔抽水試驗2處,鉆孔長觀井9個,調查泉水16個,調查民井32個,分析水樣51組,分析礦物成分和鑒定磨片55組,降雨、長觀井水位、泉水流量動態曲線121個。對總干線隧洞地下水動態變化監測分析時間跨度為2009—2018年,即從工程可行性研究至隧洞施工開挖及襯砌階段。

本段線路共穿越斷層23條,寬度大于10 m的斷層有6條,最大斷層寬度為50 m,組成物質為泥及巖屑,斷層泥厚度為0.5～5 cm。

2.2 初步設計階段巖溶地質

地下巖溶主要是近淺表的溶溝、溶槽、溶蝕裂隙、溶洞,充填有紫紅色殘積土及塊石,溶洞中見水流沉積物,發育的深度為30～50 m。30 m以上到基巖面之間相對較發育,發育的部位主要位于較大的溝谷及附近,分水嶺地段發育相對較弱。基巖面到30 m深度內類似地下石林,溝槽相間; 30 m以下巖溶溝、槽密度和規模減小。巖體中非巖溶夾層較多,難以形成大的巖溶系統。發生類似南方大規模涌水涌泥的概率不大,但在小河沿溝、堿草甸子溝及北溝附近可能發生中小規模的涌水涌泥。

2.3 施工期TBM開挖揭露巖溶地質

施工期TBM開挖共發現大型溶洞、中型溶洞、小型溶洞、溶孔、溶蝕裂隙、溶蝕寬縫和溶蝕條帶52處。1)洞線高程以上: 溶蝕裂隙、溶蝕寬縫; 2)洞線高程: 溶蝕條帶、溶腔、溶洞; 3)洞線高程以下: 巖溶不發育。大中型溶洞9處,主要分布在頂拱、上斷面和側壁,個別全斷面分布,看不出明顯形狀。最大尺寸溶洞長度為22 m、寬度大于8 m、深度為4～5 m。溶洞內充填泥、碎塊石及巖屑等,個別位置發育方解石晶簇,局部位置存在無填充空腔。

2.4 施工期涌水

施工期發生2次較大的涌水,在掌子面涌水急劇增加。刀盤水位上升至主大梁從刀艙孔涌出和盾尾邊墻涌出,刀盤前方石渣輸出困難、連續皮帶機系統打滑、TBM行走及運輸軌線被淹、電氣設備故障頻發,迫使TBM掘進停止,隧洞積水急劇上升并自流出洞,分述如下。

2.4.1 小河沿段(樁號66+342～+338)涌水

2016年2月29日,小河沿段發生涌水,涌水類型為脈狀巖溶管道涌水。3月1—9日觀測到的最大涌水量為921.82 m3/h,最小涌水量為415.38 m3/h。附近有鉆孔長觀井2個,民井觀測井2個,泉水觀測點1個。地下水有2個來源: 1)沿著F34-1斷層破碎帶流向洞內; 2)沿著東側溝谷溶蝕裂隙、溶洞流向洞內。涌水對斷層破碎帶上的村屯民井和泉水影響很大,地下水下降40～50 m。涌水沒有影響到鄰谷的地下水。樁號66+356～+340隧洞左上側有一溶蝕寬縫。小河沿溝段涌水如圖1所示。

圖1 小河沿溝段涌水Fig. 1 Little river line water inflow

2.4.2 北溝段(樁號64+746.5～+699)涌水

2016年5月30日,北溝段發生涌水,涌水類型為脈狀巖溶管道涌水,涌水中含泥砂、碎塊石量大。5月31日—6月2日觀測到的最大涌水量為718.04 m3/h,最小涌水量為324.37 m3/h。附近有鉆孔長觀井2個,民井觀測井2個,自來水井觀測井1個,泉水觀測點1個。地下水有2個來源: 1)沿著斷層破碎帶溶蝕裂隙、溶洞流向洞內; 2)沿著東側溝谷溶蝕裂隙、溶洞流向洞內。涌水對村屯民井影響很大,地下水下降12～79.4 m。涌水沒有影響到鄰谷的地下水。北溝段共3處涌水,均在溶蝕槽位置。

2.5 TBM穿越巖溶涌水技術

1)隧洞洞線主要沿山脊或分水嶺布置,在灰巖邊部的高位置穿過,屬于補給區,徑流排泄條件較好,降雨徑流經溝谷很快排泄到飲馬河; 2)采用開敞式TBM施工,在飲馬河階地洞外組裝逆坡掘進,涌水可直接自流排入飲馬河; 3)在洞內鉆孔勘察,TBM刀盤后退,在掌子面采用坑道鉆機進行鉆探; 4)在洞內采用搭載在TBM刀盤上的三維激發極化超前探測儀器探測掌子面上游地下水情況; 5)在地表鉆孔跨孔電阻率CT探測法、高密度電法勘察掌子面上游巖溶情況; 6)在洞內對涌水巖溶灌漿,控制涌水,將出水點集中引排; 7)在下游小河沿豎井、堿草甸子豎井和隧洞出口設置涌水搶險排水系統; 8)動態監測分析鉆孔長觀井、民井觀測井、泉水觀測點長期和涌水同期系統的地下水,判斷地下水來源,預測可能的最大涌水量; 9)涌水流量減小到TBM電氣設備能正常工作后,TBM刀盤頂著巖溶涌水逆坡掘進。

3 工程巖體質量分級和巖體物理力學研究

3.1 總干線隧洞地質條件

總干線隧洞巖性共有35種,主要有花崗巖、凝灰巖、安山巖、砂巖、砂礫巖、泥巖、灰巖,共查得與洞身相交斷層56條、物探異常帶42條、遙感解譯斷層7條。

3.2 總干線隧洞巖體力學試驗

在總干線隧洞段布設的2個勘探試驗洞進行現場巖體變形和直剪試驗,如圖2所示。在TBM隧洞開挖后的灰巖段主洞內進行現場承壓板法巖體變形試驗,如圖3所示。

現場試驗主要內容如下: 1)針對閃長巖、凝灰巖開展巖體變形、抗剪試驗,以獲得主要圍巖變形、抗剪強度參數; 2)針對微新閃長巖、弱風化凝灰巖開展彈性抗力的液壓枕試驗,以獲得其彈性抗力系數及大尺度巖體變形參數; 3)針對灰巖開展巖體變形試驗,以獲得圍巖變形參數。

圖2 現場液壓枕試驗Fig. 2 Site hydraulic pillow test

圖3 承壓板法巖體變形試驗Fig. 3 Rock mass deformation test

3.3 總干線隧洞圍巖質量分級及力學參數綜合取值研究

總干線隧洞初步設計階段圍巖分類采用水電HC法,考慮本工程洞線長、地質條件復雜、沿線路定量分級和提供物理力學參數有一定局限性,根據室內和現場巖體力學試驗資料,采用BQ分類法進行圍巖質量分級,并與現場開挖后的實際圍巖分類進行對比分析。

根據總干線隧洞TBM開挖和鉆爆法揭露的圍巖分類實際情況可以看出: 1)在豐滿水庫取水口—飲馬河段隧洞,自然洞長72.1 km,隧洞埋深80～540 m,巖性主要是花崗巖、凝灰巖、安山巖、閃長巖、砂巖、砂礫巖、灰巖,施工開挖揭露的圍巖分類整體要好于初步設計階段水電HC法的圍巖分類,而與BQ法修正后圍巖分類接近; 2)飲馬河—馮家嶺段隧洞,自然洞長25.67 km,隧洞埋深18～165 m,巖性主要是凝灰巖、泥巖、灰巖、花崗巖、砂巖、礫巖,施工開挖揭露的圍巖分類與初步設計階段水電HC法的圍巖分類及BQ法修正后圍巖分類接近。

總干線隧洞工程巖體變形參數的選取對工程投資和安全相當敏感,通過現場變形試驗、抗剪試驗、徑向液壓枕法試驗,并結合聲波測試、地應力測試等研究工作,取得了部分巖體力學參數試驗值。通過現場原位試驗值與采用圍巖分類[BQ]值法獲得的參數值對比分析,采用經驗公式計算圍巖物理力學參數,對超長有壓隧洞圍巖物理力學參數的計算和選取具有借鑒和參考價值。

4 隧洞現澆無黏結預應力襯砌原位試驗研究

4.1 無黏結預應力環錨襯砌隧洞段概況

總干線14段、總長14.756 km隧洞屬于淺埋隧洞,圍巖類別主要為Ⅳ—Ⅴ類。隧洞內徑有6.8 m和5.1 m 2種,最大內水壓水頭為68 m。經分析計算,隧洞上覆圍巖厚度不能滿足挪威準則、水力劈裂準則和初始應力場最小主應力準則,采用后張法無黏結預應力環錨襯砌。

目前國內引水隧洞采用無黏結預應力環錨襯砌結構的工程有小浪底水利樞紐排砂洞、遼寧大伙房水庫輸水工程。由于施工工藝復雜和錨具槽漏油問題,制約了無黏結預應力環錨襯砌技術的運用和發展,進而制約了大型有壓調水工程的發展。需要通過原位試驗研究,突破技術瓶頸。

4.2 預應力環錨襯砌原位試驗主要內容

1)預應力損失參數試驗研究; 2)錨具槽回填微膨脹混凝土試驗研究; 3)施工工藝研究; 4)數值建模方法與試驗方案研究; 5)現場原位試驗和室內錨具槽模型試驗力學特性研究; 6)三維數值仿真計算分析和現場原位試驗進行預應力環錨襯砌結構優化研究。主要包括: 預應力鋼絞線環繞方式(單層雙圈和雙層雙圈)研究; 錨具槽布置位置(底部0°單排或左右兩側45°交叉)研究; 錨具槽交叉角度(60°、90°、120°)研究;襯砌厚度(0.45、0.5、0.55 m)研究; 錨具槽間距(0.4、0.45、0.50 m)研究;洞型為馬蹄形和圓形隧洞的受力結構研究[8]。

4.3 預應力環錨襯砌原位試驗

原位試驗段選取4段共18 m,分段進行現場對比試驗。澆筑室內錨具槽模型,進行千斤頂和偏轉器的摩擦損失測定試驗,錨具槽自密實微膨脹混凝土配合比、工藝試驗和微膨脹變形和應力測試(見圖4)。該試驗包括6項創新技術: 1)嚴寒地區最長預應力結構; 2)提出了能有效模擬預應力環錨與混凝土及圍巖協調作用新的數值模型; 3)研發了自密實微膨脹混凝土回填錨具槽技術; 4)首次研發了大型扁千斤頂內水加壓荷載模擬系統; 5)大型無黏結預應力環錨原位試驗檢測系統; 6)單層雙圈無黏結預應力環錨結構。該試驗采用了數值模擬、預應力環錨原位試驗和監測反饋分析綜合手段,采用137個監測設備對圍巖及襯砌的工作狀態進行監測。現場預應力鋼絞線張拉圖如圖5所示。

圖4 室內錨具槽模型試驗圖Fig. 4 Indoor anchorage groove model test

圖5 現場預應力鋼絞線張拉圖Fig. 5 On-site prestressed steel strand tension

4.4 現澆無黏結預應力混凝土襯砌試驗成果

通過現場原位試驗,提出了預應力環錨襯砌結構的優化方案: 采用圓形襯砌斷面,預應力鋼筋采用高強度無黏結低松弛1 860級鋼絞線,鋼絞線布置為單層雙圈4×?15.2 mm型式,4根預應力鋼絞線從錨固端起始至混凝土襯砌內部外側,沿外層圓周環繞2圈后進入混凝土襯砌內側張拉端,鋼絞線錨固端與張拉端包角為2×360°,鋼絞線最大張拉力為1 395 MPa。錨具槽左右2側45°交叉布置,襯砌厚度優化為0.45 m,錨具槽間距為0.5 m。

研發的錨具槽自密實微膨脹混凝土回填技術解決了錨具槽漏油問題,解決了我國長距離有壓隧洞無黏結預應力結構的安全耐久性問題;提出預應力環錨襯砌結構的材料和施工關鍵控制指標,為環錨襯砌工程的廣泛應用提供了技術基礎。

本工程實際有14.756 km隧洞采用現澆無黏結預應力混凝土襯砌。通過試驗優化,較雙層雙圈方案節約投資5 350萬元;與鋼板襯砌方案相比,節約投資5.7億元。

5 現澆預應力涵原位試驗研究

5.1 現澆預應力涵概況

總干線超長有壓隧洞穿越4段河谷、溝谷等淺埋段,共計1 948 m,線路頂覆土深度為5.8～13 m,成洞條件極差,采用“內圓外城門洞型”現澆預應力涵結構,涵洞內徑為5.1 m,最大內水壓力為0.61 MPa。每12 m為一標準段,頂部和側壁厚度為0.45 m,底部厚度為0.8 m。鋼絞線采用單圈對錨(包角372°)布置,預應力筋束沿管道軸向的中心間距為350 mm。扁形錨板尺寸為120 mm×60 mm×85 mm(長×寬×高),6孔。錨具槽回填采用微膨脹自密實混凝土。

目前國內現澆預應力涵結構最大內徑為4.8 m,用于東深供水工程。該預應力涵最大內水壓力為0.3 MPa,覆土厚度為2～6.6 m。內徑為5.1 m大型現澆預應力涵在國內尚屬首例,又處于嚴寒地區,內水壓力大,故開展原位試驗研究十分必要[9]。

5.2 現澆預應力涵原位試驗

5.2.1 三維數值仿真結構計算分析

通過計算分析獲得了預應力涵結構在張拉、充水加壓、填土及加壓和放空檢修4種工況下的變形特征和應力分布特征,并對預應力鋼絞線布置方案和間距進行對比分析。

5.2.2 現場原位工藝試驗

原位試驗管長24 m,分2節,每節長12 m。第1節管預應力鋼絞線采用單圈對錨布置方案,間距為300 mm; 第2節管預應力鋼絞線采用雙圈螺旋對偶布置方案。現場鋼絞線布置如圖6所示。

圖6 現場鋼絞線布置Fig. 6 Layout of steel strand on-site

5.2.3 現場原位結構力學試驗

該試驗內水壓力直接采用涵內充水加壓,有6項創新技術: 1)設計加工了自適應變形的柔性封堵系統對涵管充水進行密封; 2)設計加工了氣-液復合加壓穩壓系統進行管內充水加壓; 3)設計加工了水下收斂計進行管內壁收斂變形監測; 4)采用分布式光纖傳感器進行全斷面環向監測鋼絞線變形和應力; 5)涵管混凝土內布置環向磁通量傳感器,長期進行環向監測鋼絞線變形和應力; 6)涵管鋼絞線采用雙圈螺旋對偶布置形式,結構可靠,施工簡便。

現場試驗充水加壓按16、36、50、61 m 4個壓力等級進行加壓。預應力涵內水加壓布置如圖7所示。

圖7 預應力涵內水加壓布置Fig. 7 Arrangement of prestressed culvert water pressure

5.3 現澆預應力涵原位試驗成果

現場原位試驗成果表明: 1)第1段涵管鋼絞線張拉后有效預應力分布規律與數值模擬一致。混凝土內、外圈環向應力分布類似,左右基本呈軸對稱,涵底壓應力較小,涵管中上部壓應力最大,至頂部時環向壓應力又變小。充水加壓后鋼絞線有效張拉預應力的大小與分布規律均無顯著變化,與數值模擬得到的結果一致;涵管混凝土總受力狀態為受壓狀態,環向壓應力有富余。2)第2段涵管鋼絞線張拉后,鋼絞線的2個張拉起始點的有效張拉力最大,沿著兩側對稱的720°圓周路徑逐漸減小,直到雙螺旋形鋼絞線的中點張拉力變得最小。混凝土內、外圈環向應力分布與第1段類似。充水加壓后鋼絞線有效張拉預應力的大小與分布規律均無顯著變化; 涵管混凝土總受力狀態仍為受壓狀態,環向壓應力富余不大。

工程施工采用第1段涵管布置型式,采用高強度無黏結低松弛1 860級鋼絞線,鋼絞線布置采用單圈對錨6×?15.2 mm型式,公稱截面面積Ap=6×140 mm2。預應力筋束沿管道軸向的中心間距為350 mm,涵管左右外側底板預留錨具槽,布置扁形6孔錨板,錨具槽回填微膨脹自密實混凝土。現澆預應力涵施工長度為1 948 m,與鋼板外包混凝土結構方案相比節約投資7 275萬元。

6 TBM施工段花崗巖Ⅰ、Ⅱ類圍巖不襯砌研究

總干線豐滿水庫—飲馬河段,由3臺TBM和部分鉆爆法施工,隧洞施工揭露的花崗巖Ⅰ、Ⅱ類圍巖總長度為11.988 km,其中TBM施工連續長度較大的幾段總長度為4.5 km,隧洞埋深為100～336 m,對此部分進行不襯砌研究,僅依靠圍巖承擔內外水壓力和限制內外水滲透。

6.1 圍巖破裂損傷現場原位觀測和試驗研究

以鉆孔試驗為主,通過現場和室內測試與試驗綜合判斷分析圍巖損傷區和損傷深度、圍巖損傷演化過程,進行了應力波相關因素影響和節理巖體相關因素影響理論模擬和試驗,對隧洞圍巖破裂裂隙圈運用單孔攝像法和雙孔雷達法進行測定,研究不同埋深、地應力、巖體滲流的圍巖變形破裂機制。開發了基于鉆孔電視圖像深度學習的圍巖破裂裂隙圈自動識別技術[10],基于深度學習中的全卷積神經網絡FCN(fully convolutional network)模型,發現只在1.5～1.9 m有1個環繞洞周的環向微裂隙產生[11]。

6.2 尋找關鍵塊體理論方法研究

在長大隧洞內進行地質編錄,對可能形成關鍵塊體的部位采用全站儀和激光筆根據幾個特征點繪出開挖面上出露的節理、裂隙結構面,通過結構面網絡模擬技術構建巖體的空間網絡三維結構模型;并基于關鍵塊體理論建立軟件分析平臺,形成隧洞圍巖探測與穩定評價系統,找出關鍵塊體。發現Ⅰ、Ⅱ類圍巖洞段出露結構面間距大、分布稀疏,組合切割圍巖形成關鍵塊體的概率很小,經計算不需支護。

6.3 巖石裂隙網絡水力學研究

選定的中細粒花崗巖Ⅰ、Ⅱ類圍巖不襯砌段總長度為1.615 km,埋深為100～336 m,根據2009—2018年的鉆孔長觀井、民井觀測井的降雨、長觀井水位動態曲線,結合現場觀察和鉆孔試驗及地應力,發現隧洞洞壁呈干燥狀態,節理、裂隙延伸較短端部尖滅,結構面是閉合的,沿洞周呈環形的裂隙很少,裂隙被方解石和石英等礦物充填,呈很薄的鈣質膠結,裂隙與巖體內其他裂隙是不連通的孤立裂隙,在有壓隧洞內外水的長期作用下不能形成滲流通道。只有極少的節理裂隙面有浸水滲水,采用濕磨細水泥灌漿處理[12]。

6.4 大洞徑不襯砌有壓隧洞阻力系數研究

為研究有壓隧洞過流能力,參考國外已建TBM施工不襯砌有壓隧洞糙率實測和研究成果[13],結合本工程隧洞TBM開挖蛇形變量和圍巖表面粗糙度實際情況,綜合分析研究確定TBM開挖的不襯砌花崗巖隧洞糙率n= 0.015 7 ± 0.000 8。

7 結論與體會

1)結合工程開展了大量科學試驗研究,其中隧洞無黏結預應力技術將已有工程的雙層雙圈優化為單層雙圈,極大地降低了施工難度,節省了工程投資。

2)通過巖溶地質勘察和可靠的技術手段,使大直徑開敞式TBM掘進機成功穿越地下水豐富的淺埋巖溶地區。

3)無黏結預應力現場原位試驗中采用的分布式光纖傳感器進行全斷面環向監測模擬方法和技術、扁千斤頂模擬水壓技術、具有微膨脹特性的自密實混凝土成套技術均為國內首創。

4)嚴寒地區大直徑高內水壓深覆土現澆預應力涵技術、對圍巖分級采用BQ法進行對比分析、采用關鍵塊體理論分析等創新技術,解決了超長有壓隧洞關鍵技術問題,對長大調水工程具有重大的理論借鑒和工程參考價值。

5)關鍵技術中的超長有壓隧洞水動力特性理論與水力控制理論、超長有壓隧洞及馮家嶺分水樞紐調壓井與泵站壓力罐大型水工水力學模型試驗研究及其設計對策還需要進一步總結研究。