引大入秦工程盤道嶺隧洞病害分析及加固方案

(甘肅省引大入秦工程管理局，甘肅 蘭州 730300)

1 工程概況

盤道嶺隧洞是甘肅省引大入秦工程總干渠最長的無壓隧洞，隧洞斷面為圓拱直墻，仰拱底板。成洞尺寸4.2m×4.4m(寬×高)，設計水深2.92m，加大水深3.37m，隧洞最大埋深404m，隧洞全長15723.15m，盤道嶺隧洞在軟～極軟巖地層和少量的第四系地層通過，地層巖性復雜，地質條件較差。圍巖主要為第三系沉積砂巖、含砂礫石、泥質砂巖、砂質泥巖。巖石柔軟、貧弱或未固化，遇水軟化和崩解。隧洞位于湟水河一級支流苦水溝、大通河和莊浪河的分水嶺地帶。隧洞采用新奧法施工，由于圍巖軟弱破碎，地下水出露較大，在施工過程中，發生了較大的變形和塌縮。

2 盤道嶺隧洞工程地質條件

盤道嶺隧洞位于黃土中低山區黃土覆蓋侵蝕剝蝕構造中，第四紀地層廣泛分布于大沙溝至黑臺溝段，古近系和白堊系地層以孢粉狀暴露，基巖大多從黑臺溝裸露至隧洞出口段。由于該地區氣候干燥，植被稀疏，第四紀黃土分布廣泛，溝底積累了大量松散的沉積物。地形的坡度很大，所有通道都具有產生黏性泥石流的條件。

隧洞穿越地層主要為上第三系咸水河組軟—極軟地層，其次為下白堊統河口組軟—中硬地層和少量第四紀地層。隧洞周圍的巖石長度為2985m，占溶洞長度的18.99%，上層三級地層長度為12234.65m，占溶洞長度的77.81%；上三級體系與白堊紀體系之間的非整體接觸帶長度為297.5m，占孔長的1.89%，第四紀地層長度為206m，占洞穴長度的1.31%。根據施工地質測井資料及《錨桿噴射混凝土支護技術規范》(GBJ 86—1985)的分類原則，隧洞圍巖分類結果為：Ⅲ類圍巖、Ⅳ類圍巖長度為3，122.33m，Ⅴ類圍巖長度為9418.67m。

隧洞開挖后，多數部位無地下水，有地下水分布段總長4299.65m，占洞長的27.35%，地下水硫酸根離子含量在3332～6878mg/L之間，對普通混凝土和鋼結構有腐蝕性破壞。另外，施工開挖中，沿斷裂破碎帶和疏松砂巖或含礫砂巖、泥質砂巖段的圍巖中往往有較大的地下水涌出，易發生流砂突泥事故。

3 盤道嶺隧洞存在的問題分析

a.盤道嶺隧洞圍巖由軟～極軟巖組成，巖體強度較低～極低，據施工地質編錄統計，巖體質量壞～極壞類占89.4%，具塑性流變特征巖體占33.6%，因而隧洞的圓拱直墻平底(或反拱)斷面形狀與圍巖的變形特征是不相適應的，部分洞段錨桿長度不夠。

b.對于盤道嶺隧洞大量涌水的圍巖洞段,由于涌水會產生流沙現象的圍巖洞段，極為破碎、錨桿鉆孔安裝都極為困難的圍巖洞段，開挖面完全不能自穩的圍巖洞段，在施工中易造成洞身冒頂、塌方事故，施工單位在處理冒頂、塌方事故時，措施偏于簡單，給工程運行留下隱患。

c.盤道嶺隧洞二次襯砌混凝土多為素混凝土。經過多年的地下水腐蝕、沖刷等，二次襯砌混凝土抵抗圍巖變形的能力和強度均有所下降。素襯段也是現洞內裂縫多發段。

d.盤道嶺隧洞洞內大量滲水，水質對普通混凝土具有結晶類硫酸鹽型強腐蝕性，這樣的排泄，對洞周地質條件可能帶來危害和影響。在停水期若地下水流出洞外，會對洞下游用普通混凝土襯砌的明洞、明渠段產生侵蝕。

e.盤道嶺隧洞洞內原有的永久排水孔，部分已堵塞；洞內原武漢巖土所、南京水科院、成都水電巖土工程技術開發服務中心在洞內所埋設的觀測設備2003年已損壞，洞頂光纜多已腐爛、斷裂；洞內原除險加固的五榀矩形鋼拱架未拆除，現已銹跡斑斑(見圖1)。

圖1 曾經除險加固段

4 盤道嶺隧洞裂縫監測及除險加固情況

盤道嶺隧洞二次襯砌混凝土在施工期及運行期，均發現了不同程度的縱斜向裂縫及環向裂縫，給隧洞長期運行安全造成影響。為此，在1991—1993年期間開展了四次裂縫調查，每次考查后均對二次襯砌混凝土裂痕緣由進行了剖析，綜合原因主要有：地質條件復雜的問題、隧洞斷面型式的效果、新奧法施工中存在的問題。

1994—1995年，甘肅省引大入秦工程管理局根據《盤道嶺隧洞運行期原位監測設計報告》《引大入秦灌溉工程總干渠盤道嶺隧洞遺留工程技施設計報告》，完成了盤道嶺隧洞原位監測和加固處理。處理措施分為對圍巖及襯砌的加固與裂縫本身的修補兩方面。之后的幾年都在對裂縫進行觀測。

5 盤道嶺隧洞目前工程現狀

1994年總干渠正式通水運行，盤洞的水流一直持續到現在。經過幾次大型加固后，洞內仍存在許多安全隱患：例如，側墻和拱門出現新的裂縫,原裂縫有發展的趨勢(見圖2);部分洞段有地下水滲出(見圖3)，個別洞段地下水成股狀流出(見圖4),并伴有白色沉淀物析出物(見圖5～圖6)，伴隨著白色沉淀，洞的底部、側壁和拱頂被腐蝕并剝落。關鍵危險地段長2756.6m，有四個部分：

圖2 側墻股狀水流

圖3 側墻縱縫貫通、伴有析出物

圖4 隧洞洞壁滲水

圖5 隧洞底板裂縫

圖6 側墻破裂為多片

a. 77+833-79+097段，長1264m。隧洞巖性為上第三系粉砂巖、砂質泥巖、泥質砂巖、砂礫巖等。結構類型以分層結構和破碎結構為主，地下水暴露，在目前的情況下，縱向斜裂縫密集，滲流大，沉淀物多，裂紋仍處于略微變化的狀態。

b. 79+435-79+475段，長40m，由上第三系粉砂巖、泥質砂巖、砂質泥巖、砂巖、砂礫巖、礫質砂巖組成。結構類型以分層結構和破碎結構為主，地下水暴露。目前隧洞左側和右側的縱向斜裂縫密集，處理后大部分裂縫滲漏量大，有許多沉淀物，右直墻襯砌混凝土在隧洞內側出現隆起現象。

c. 385+091～85+113.6段，長22.6m，隧洞巖性為上第三系砂巖、卵石砂巖、泥質砂巖和砂質泥巖。385+091～85+113.6段，長22.6m，隧洞巖性為上第三系砂巖、卵石砂巖、泥質砂巖和砂質泥巖。1994年對該段裂縫進行處理加固后，2000—2009年連續觀測后，裂縫一直處于略有變化的狀態。

d. 90+070-91+500段，長1430m，隧洞巖性為白堊系砂巖、碎石砂巖、泥質砂巖、砂質泥巖、細砂巖、砂質黏土巖。它們大多是泥漿顆粒的接觸黏結(或膠結)。局部為泥質鈣質膠結，強度低，遇水易軟化、崩解。結構類型主要為分層結構，地下水外露。一些洞穴部分在1996年和1999年沒有得到加強(例如90+140～90+265段和91+365～91+500段)。頂拱傾斜裂隙密集分布，地下水滲漏，白色沉淀。側壁縱、斜裂縫處于輕微變化狀態。一般觀測洞段：79+097～79+435，長338m；79+475～79+779，長304m，全長642m。縱向偏差對裂紋的影響較小，裂縫的含水量小于孔洞的含水量。

6 工程加固改造設計的原則及主要內容

2012年11月30日，甘肅省發改委批準了《蘭州新區供水工程加固工程實施方案》。工程的建設任務是加固主干渠和兩條干渠及部分建筑，提高主干渠和兩條干渠工程的安全運行，提高供水保障率，為蘭州新區的開發建設提供穩定可靠的供水。為解決重大安全隱患,這次除險加固將盤道嶺隧洞存在較大安全隱患的洞段列入除險加固建設內容。

本次加固在盡可能小地占用隧洞過流斷面的前提下，現澆C30鋼筋混凝土襯砌加固方案，襯砌內部為馬蹄形，截面尺寸為3.7m×3.9m(寬×高)，頂圓弧半徑為1.85m，側壁圓弧半徑為5.55m，底板圓弧半徑為5.55m。最小襯里厚度為0.25m。在嚴重開裂的地段安裝直徑25mm、長度6m、間距1.5m，梅花狀排列的隨機螺栓。排距3.0m的回填式灌漿孔和屋頂拱120°范圍內的梅花狀排列；孔頂和側壁設置深8.0m的實心固結灌漿孔，排距3.0m，梅花狀排列。將φ50排水孔隨機布置在洞室設計水位之上。

加固過程中要特別進行錨桿注漿加固處理和鋼拱架加固襯砌，同時加強防滲處理，進行回填、固結灌漿或接觸灌漿，尤其要注重灌漿質量。對洞內裂縫，特別是縱環向裂縫和澆筑倉接縫等進行處理，并采取防滲、防腐蝕措施；對底板鼓起變形，因沖刷、凍脹等引起的底板凹坑、混凝土護面破損段及側墻、拱頂混凝土剝落、掉塊洞段進行加固處理，并采取防凍脹、防滲、防腐蝕措施；疏通原排水孔，加強、完善排水設施。

蘭州新區供水工程引水渠加固工程原設計方案是在臨水面粘貼塑料板降低糙率，在施工過程中，考慮到迎水面粘貼塑料板護壁降糙施工難度大，且目前粘貼材料無法保證塑料板與洞壁粘貼牢固，難以達到設計降糙的目的，故隧洞加固采用鋼模臺車澆筑混凝土，并嚴格控制施工質量，確保迎水面具有良好的光潔度，盡量滿足過流能力要求。盤道嶺隧洞原斷面見圖7，加固后斷面見圖8。

圖7 盤道嶺隧洞原斷面

圖8 盤道嶺隧洞2014年加固斷面

7 結 語

盤道嶺隧洞除險加固方案采用鋼模臺車澆筑，降低了隧洞洞壁糙率。通過將排水管導引至隧洞底部，在施工中嚴格控制工序質量，不僅加固了存在安全隱患的洞段，而且有效解決了隧洞洞壁大量滲水現象，節約了工程投資，經過幾年通水運行，隧洞運行情況良好。該方案對以后類似工程加固處理具有一定的借鑒作用。