高寒地區灌溉工程中軟巖隧洞支護施工技術

力巷措

(青海省海南藏族自治州貴德拉西瓦灌溉工程建設局，青海 海南藏族自治州 811700)

在農業和經濟社會可持續性發展的條件下，高寒地區灌溉工程是確保當地民生的重要工程，以拉西瓦灌溉工程為例，通過高寒地區灌溉工程中軟巖隧洞設計，打破缺水“瓶頸”，促進經濟社會發展和民生工程發展，拉西瓦灌溉工程位于貴德縣境內黃河上游拉西瓦電站大壩和李家峽電站水庫庫尾之間的黃河南岸，東依尖扎縣，西鄰共和縣，北連湟中縣、湟源縣，南通貴南縣、同仁縣，海拔2190～2560m，多年平均氣溫為7.2℃，是典型的高原嚴寒地區。在拉西瓦灌溉工程施工中，灌溉工程的隧洞支護設計是關鍵，通過對高寒地區灌溉工程中軟巖隧洞支護設計，緩解項目區供水壓力，合理配置管理水資源，提高高寒地區灌溉工程中軟巖隧洞支護穩定性[1]。

對高寒地區灌溉工程中軟巖隧洞支護施工設計建立在對軟巖洞室襯砌結構特征參數分析基礎上，根據運行期受到的應力結構參數分析，采用襯砌結構軸線特征分析的方法，對襯砌結構運行過程進行選材、清理和焊接處理，采用全站儀、水準儀配合將激光導向儀固定安裝在洞頂的適宜位置，通過有限元分析的方法，進行高寒地區灌溉工程軟巖隧洞變形破壞機理分析并進行支護對策的優化設計，采用固定錨桿固定、裂隙充填、攔石墻漿砌、危巖清方等方法進行支護施工設計[2- 3]。比如，文獻[4]中提出分析了常規條件下巷道支護設計的原理與方法，綜合地考慮地應力量級、圍巖地質力學參數與指標、圍巖體強度、圍巖分級等影響因素，并準確地取值或估算，但該方法進行巷道支護設計的彈塑性變形階段的解析能力不好。文獻[5]進行了深井切頂留巷頂板錯動判據與支護參數量化分析，通過引入埋深因素，分析不同埋深臨時支護與主動支護的量化關系，并將深井切頂留巷頂板支護應用在工程實踐中，提高留巷期間巷道頂板穩定性，但該方法的施工可靠性不好。針對上述問題，本文以拉西瓦灌溉工程為例，實現對高寒地區灌溉工程中軟巖隧洞支護施工技術優化設計，首先用襯砌邊值法進行高寒地區灌溉工程中軟巖隧洞的結構參數分析，采用鋼筋混凝土襯砌聯合結構參數分析的方法，然后通過盾構參數優化設計，實現高寒地區灌溉工程中軟巖隧洞支護施工優化。最后進行實驗測試分析，得出有效性結論。

1 隧洞支護工程設計及基礎布置

1.1 洞線選擇及工程布置

在高寒地區拉西瓦灌溉工程中軟巖隧洞支護施工工程設計中，根據干渠線路布置，共有隧洞16座，總長30.60km，占干渠總長的58.54%，均為無壓隧洞，其中單個隧洞最長為6134.67m(3#隧洞)、最短的134.52m(15#隧洞)。隧洞所經地層巖性復雜，即有三疊系堅硬巖，又有新近系軟巖，還有第四系松散砂礫石地層和部分黃土類地層，并且變質巖區地下水豐富，隧洞工程地質條件較為復雜。設計的基本原則是根據高寒地區拉西瓦灌溉工程地形、地質、地下水等自然條件[6]，合理地選擇高寒地區拉西瓦灌溉工程的洞線，盡量使洞線短而直，力求沿線巖石堅固完整，無大斷層、大破碎帶，并使洞線與巖層走向和構造具有較大夾角。本次設計，Ⅴ類圍巖、黃土及砂礫石隧洞斷面采用馬蹄型，馬蹄型斷面襯砌結構受力條件較城門洞型好，而且過水能力強，但施工放線復雜。按類似工程經驗Ⅲ、Ⅳ類圍巖隧洞斷面采用城門洞型，雖然在外荷載較大的情況下，襯砌的壓力線與襯砌軸線有較大的偏離，但這種型式特別適用于鉆爆法施工，開挖、出渣、襯砌都很方便，而且有利于長隧洞的運行。本次設計3#～13#隧洞采用馬蹄型斷面，其余隧洞采用城門洞型斷面[7]。洞口邊坡開挖和支護完成后，可進行洞身開挖，洞身開挖從3#隧洞出口及施工支洞上、下游段3個掌子面同時掘進，由3個作業組分別作業。施工時嚴格按“新奧法”施工技術組織施工，對軟弱圍巖段采用短進尺弱爆破強支護方法進行開挖支護。隧洞洞身施工流程如圖1所示。

圖1 隧洞洞身施工流程

在高寒地區拉西瓦灌溉工程軟巖隧洞支護施工中，邊坡開挖和支護是關鍵。在支護體結構開挖中，可將高寒地區拉西瓦灌溉工程軟巖隧洞的洞身處作為起點開挖[8]，洞身開挖從3#隧洞出口及施工支洞上、下游段3個掌子面同時掘進，由3個作業組分別作業。施工時嚴格按“新奧法”施工技術組織施工，在洞線選擇及工程布置過程中，3#隧洞洞身開挖采用光面爆破施工，氣腿式風鉆造孔，人工裝藥，毫秒延期導爆管。Ⅳ類圍巖采用全斷面光面爆破法開挖，每個循環進尺1.8m。對于Ⅳ類圍巖破碎段和有軟弱夾層段采用間距120cm鋼拱架(H160×88)支護，噴射厚度為10cm的C20砼加鋼筋網片支護和頂拱和邊墻，對此，得到軟巖隧洞支護的基坑平面圖和澆筑參數分布見表1。

表1 高寒地區灌溉工程軟巖隧洞支護的基坑平面參數

1.2 結構參數計算及特征分析

根據表1的荷載結構參數分析，考慮巖土的彈性抗力，考慮巖土的彈性抗力[9]，用襯砌邊值法進行高寒地區灌溉工程中軟巖隧洞的結構參數分析，采用鋼筋混凝土襯砌聯合結構參數分析的方法，得到抗剪承載力輸出矩陣：

(1)

式中，kb—側墻及底板內緣的凈應力，kPa;xb—隧洞凈寬高，m；mb—11#隧洞進口施工交通洞寬，m;ms—矩形斷面為過水斷面，m;ub—凈空面積，m2;us—隧洞全面積，m2;dei—鋼筋拉伸荷載,kN/m2。隧洞過水斷面均為現澆砼襯砌，糙率采用0.014，渠輸水隧洞均為無壓隧洞，通常按洞內保持均勻流設計[10]，隧洞水力計算按等流速，混凝土襯砌的結構計算，采用襯砌與圍巖分開，以研究襯砌為主，計算公式為：

(2)

式中，ρ—襯砌的邊值；xi—地下水斷層段的極限承載能力，kPa。

分析在移動負荷加載下高寒地區拉西瓦灌溉工程中軟巖隧洞支護結構體的彈性模量、屈服強度動力學關系，表達式為：

(3)

式中，α1—巖土的彈性抗力，a1=1/2MPa;α2—允許裂縫寬度，a2=25m;α3—膨脹巖洞段的寬度，a3=8m;α4—巖石堅固系數，a4=20;k—垂直山巖壓力，kPa;wk—荷載梯形分布特征量;xk-1—斷層洞段側向山巖壓力，kPa。

結合工程土洞段、膨脹巖洞段均按限裂要求對隧洞支護荷載組合進行結構設計，采用盾構參數與有限元計算的方法，得到應變-剪力的強度為：

(4)

表2 拉西瓦灌區干渠隧洞襯砌計算基本數據統計

根據表2的參數配置，采用盾構參數與有限元計算的方法，結合湟水北干渠工程經驗，采用全斷面襯砌，頂拱、直墻襯砌厚度為25cm，底板厚度為30cm，分析側向山巖黃土及松散土體對隧洞的支護結構。

2 隧洞支護結構施工設計實現

支護施工中對高寒地區灌溉工程軟巖隧洞保護的擋墻部分施工需要進行基坑開挖，土方開挖435m3，回填4.8m3，高寒地區拉西瓦灌溉工程中軟巖隧洞支護結構的大樣圖和工程表如圖2所示。

圖2 高寒地區拉西瓦灌溉工程中軟巖隧洞支護結構的大樣圖和工程表

采用全斷面襯砌，頂拱、直墻襯砌厚度為25cm，底板厚度為30cm，采用厚度為8cm的 C20噴砼進行支護。對于局部節理裂隙密集、破碎的部位加設局部錨桿，既減小了滲漏和糙率，又起到加固洞壁和洞頂防止風化的作用。對于局部節理裂隙密集、破碎的部位加設隨機錨桿。頂寬和底寬規定值或允許偏差為+10%，在支護結構設計中，危巖體清除符合設計要求和規范規定，高寒地區灌溉工程軟巖隧洞支護的危巖體清方工程的完成樣圖如圖3所示。

圖3 危巖體清方工程的完成樣圖

縱向間距3.0m，砂為充填首先把裂縫口混凝土堵好，以防灌混凝土的時候混凝土往外滲漏，在支護結構設計中，隧洞Ⅲ類圍巖洞身混凝土襯砌的結構計算，圍巖穩定受結構面組合控制，可發生小-中等坍落，采用對稱配筋，混凝土強度標號采用C25，受力主筋等級采用Ⅱ級，鉆孔入射角18度，錨桿鋼筋直經32mm。根據上述設計，得到高寒地區拉西瓦灌溉工程中軟巖隧洞支護的錨桿安制及注漿平面圖和斷面圖如圖4所示。

圖4 隧洞支護的錨桿安制及注漿平面圖和斷面圖

3 實驗測試分析

在實驗測試中，高寒地區灌溉工程軟巖隧洞支護結構的孔徑50mm，外傾角3°～6°，鋼支撐在加工車間制作加工，分為圓弧和拱腿2個部分，用厚度為10mm的鋼板螺栓連接。拱腿加工，按尺寸直接下料。圓弧部分加工，則采用彎拱機直接加工成型。鋼架加工后應進行試拼，其誤差控制在：沿隧洞周邊輪廓誤差±3cm，各單元螺栓連接的螺栓孔中心間距公差不超過±0.5mm。鋼架平放時，平面翹曲要小于±2mm，噴射混凝土的骨料級配表見表3。

表3 噴射混凝土的骨料級配 單位：%

高寒地區灌溉工程軟巖隧洞的裂隙分為W1危巖體裂隙和W3危巖體裂隙，邊頂拱鋼模臺車長度為12.2m，混凝土襯砌標準段長度按12m一段進行施工。鋼筋及倉面驗收合格后，調整液壓千斤頂和絲桿，展開鋼模，端頭模板主要采用組合鋼模板、輔以木模。隧洞及斜井底板混凝土全部采用組合鋼模板并輔以木模施工，裂隙充填工程施工的立面圖如圖5所示。

圖5 裂隙充填工程施工立面圖

砼振搗采用插入式振搗器振搗，采用插入式振搗器振搗時，每一振點的搗固延續時間，都能使混凝土表面呈現浮漿和不再沉落。為了避免碰撞鋼筋、模板、預埋件等，將振動棒的移動間距控制在振搗器作用半徑的1.5倍以內，搗動棒與模板的距離控制在其作用半徑的0.5倍，振動棒插入下層混凝土內的深度不小于50mm，由此實現高寒地區拉西瓦灌溉工程中軟巖隧洞支護施工，測試荷載，如圖6所示。

由圖6的測試結果得知，高寒地區灌溉工程中軟巖隧洞支護施工，對水平位移、軸力、沉降都有明顯的抑制作用，提高了高寒地區灌溉工程中軟巖隧洞的結構強度，數值計算結果較好地反映了實際開挖過程，提高了隧洞的穩定性和結構可靠性。

圖6 支護結構的荷載測試

4 結語

總而言之，高海拔地區擁有的惡劣環境和復雜氣候，使軟弱圍巖在這種環境施工時難度極大。對高寒地區灌溉工程中軟巖隧洞支護設計，緩解項目區供水壓力，合理配置管理水資源，實現對高寒地區灌溉工程中軟巖隧洞支護施工技術優化設計，在支護結構設計中，危巖體清除符合設計要求和規范規定，并通過試驗測試進行結構性能分析。測試結果得出，采用本文方法進行高寒地區灌溉工程中軟巖隧洞支護施工，對水平位移、軸力、沉降都有明顯的抑制作用，數值計算結果較好地反映了實際開挖過程，提高了隧洞的穩定性和結構可靠性，具有很好的工程實踐價值。