牛欄江干河泵站地下廠房主交通洞設計

沈 英

（云南水利水電職業學院,云南 昆明650021）

引言

牛欄江干河泵站采取一級提水,安裝4 臺機組,水泵單機功率23 MW,總裝機92 MW,設計流量23 m3/s,設計揚程219.23 m,最大提水揚程233.31 m。泵站樞紐建筑物主要有：進水建筑物、地下廠房、交通洞、工作豎井、輔助交通洞、出水建筑物、地面廠區等。主泵房為地下廠房,副廠房及降壓開關站等布置于地面干河右岸山坡高程約1 858 m 處。泵站進水口、地面廠區、地下泵房分別采用場內公路、主交通洞、工作豎井等連接。主交通隧洞全長1 037.2 m,在隧洞轉彎處擴寬斷面,底寬5.2 m,最大寬度7.62 m,最大高度7.69 m。隧洞每200 m 設一寬2 m、高2 m、深2 m 的人員避車側洞[1]。

圖1 牛欄江干河泵站布置示意圖

1 工程地質概述

工程區為“U”型谷地形,河床高程1 772 m,兩岸分布有Ⅰ級階地,階面寬20 m～45 m,階面平坦,谷坡陡峭,地形坡度40°～70°,坡高約100 m～150 m,谷頂山頂地形一般較緩,地形坡度5°～25°,分布高1 926 m～2 032 m。干河泵站區地下洞室圍巖、管線基礎均為P1q+m 灰巖,巖體風化淺,以弱風化、微風化為主,局部地表有強風化零星分布。廠房區位于地下水位以下,P1q+m 灰巖為強透水地層,區內巖溶發育,主要表現為溶洞、溶溝、溶槽。以最低地下水位1 760 m 為強巖溶帶、弱巖溶帶界限,以相對隔水層（約1 695 m）為弱巖溶帶、微巖溶帶界限,干河泵站地下廠房區主要位于弱巖溶帶內,局部地段受構造節理影響（如沿P2 陡傾節理密集帶）巖溶相對發育,為強巖溶帶。主交通洞地處巖溶發育的棲霞、茅口地層,P1q+m巖性為淺灰～深灰色厚層狀灰巖、白云質灰巖[1]。

2 主交通洞布置設計

泵站地下隧洞群規模大、項目繁多、工程量大,地下隧洞斷面形式多樣,尺寸大小不一,地下廠房工程的進廠交通洞斷面形式和尺寸主要受運送輸水系統鋼管和機電設備等大件尺寸的限制[2],牛欄江干河泵站主交通洞為地下廠房主要交通運輸通道,連接地下廠房電機層和地面,主要功能為地下廠房交通運輸,承擔地下結構施工、材料設備運輸、運行期車輛對外交通等任務,根據設備運輸要求,設備運輸采用載重汽車。工程竣工后,泵站交通由白石巖至李子箐公路較高位置分岔引接至地面廠區、調壓井、主交通洞口,新建公路按4 級路面設計。

2.1 主交通洞軸線選擇

主交通洞進口位于天生橋下游干河右岸約400 m 處,為方便施工和滿足設備運輸要求,進口高程1 797.00 m,末端高程1 736.05 m。主交通洞軸線的布置綜合考慮如下因素：

（1） 廠房進場公路與主交通洞進出口布置情況。（2） 主交通洞進出口高程,滿足主交通洞運輸底坡要求,同時考慮交通洞軸線線路最短。（3） 主交通洞桁車大梁、機組定子轉子等大件運輸要求,同時考慮牽引機車及掛車長度。（4） 主交通洞轉彎半徑要求。（5） 對相鄰建筑物的不利影響。（6） 地質構造情況、滿足最小覆蓋層厚度要求。

綜合,主交通洞軸線平面上布置4 段轉彎段和5段直線段,依照《公路隧道設計規范》及地下廠房主交通洞實際情況,轉彎半徑設計為100 m。轉彎段里程分別為：交0+124.27～交0+220.21 m、交0+367.94～交0+463.88 m、交0+677.14 ～交0+773.08 m、交0+948.82～交1+013.36 m,前面三段平面轉彎角度為55°、第四段為37°,隧洞進口高程1 797.00 m,末端泵站廠房安裝間電機層高程1 736.05 m,結合隧洞進洞位置、安裝間位置,主交通洞布置長度為1 037.20 m,轉彎段坡度為3%,直線段坡度為5.12～7.9%[3]。干河泵站主交通洞平面布置圖見圖2。

圖2 干河泵站主交通洞平面布置圖

2.2 主交通洞斷面設計及結構設計

考慮隧洞巖體地質構造條件以及地下水活動情況,主交通洞全洞采用鋼筋混凝土襯砌。另外,主交通洞為滿足泵站大件運輸要求,洞徑較大,從受力及經濟方面考慮采用蛋形斷面形式,底寬5.3 m,最大寬度7.62 m,最大高度7.69 m。交通洞洞身段根據地質、地下水位深度及防滲要求,襯砌厚度分兩種：里程交0-003.72～交0+511.88 襯砌厚0.6 m,交0+511.88～交1+037.20 襯砌厚0.8 m,結構斷面見圖3。

圖3 干河泵站主交通洞斷面圖

主交通洞段除Ⅱ、Ⅲ類圍巖外,全范圍內進行固結灌漿和回填灌漿。隧洞固結灌漿排距3 m,每排布置6 孔,孔深4.5 m；主交通洞與廠房帷幕灌漿處排距2 m,回填灌漿在頂拱中心角120°范圍內進行,灌漿孔深入圍巖10 cm。施工澆筑長度為12 m,在地質條件、結構變化處設置永久縫,永久縫采用泡沫板和紫銅片止水；施工縫縫面鑿毛清洗后,設置651 型橡膠止水帶。主交通洞處于庫內,工程建成后長期處于庫水位以下,泵站校核洪水位1 791.96 m,設計洪水位1 791.53 m,正常蓄水位1 790.00 m。

（1） 隧洞襯砌依據《水工隧洞設計規范》進行結構計算,襯砌厚度分別為0.6 cm、0.8 cm。按不同工況進行計算,計算情況如下[4]：

a.正常運用情況：圍巖壓力+襯砌自重+外水壓力(正常蓄水位)；

b.施工情況：圍巖壓力+襯砌自重+灌漿壓力+外水壓力；

c.非常運用情況：圍巖壓力+襯砌自重+外水壓力(校核洪水位)。

（2） 計算方法及結果

根據不同工況荷載組合,采用SDCAD 軟件計算。綜合以上正常運用情況、施工情況及非常運用情況,計算得出主交通洞沿高程從上至下,結構內力加大,結構配筋由上至下分段按不同配筋面積進行配筋,強度及裂縫寬度均滿足設計要求,計算結果見表1[5]。

表1 主交通洞結構計算結果表

3 施工過程中需要重點關注的問題

牛欄江干河泵站地下廠房洞室群位于巖溶地區,巖溶發育,且大部分洞段均在地下水位以下,施工中可能遇到的溶洞,在數量、尺寸、產狀、部位、水文地質條件、是否含有充填物以及充填物特性等方面都是難以確定,隧洞施工過程中可能發生涌水、突泥、巖溶漏斗塌陷等巖溶水文地質問題,存在較大的施工風險。此外,主交通洞具有隧道洞口段地質條件差、隧道斷面大、跨度大、部分隧洞段埋深淺的特點,主交通洞施工前期一定要做好充足的施工準備和預警措施,以確保工程建設的安全、順利進行[6]。

3.1 主交通洞圍巖變形問題

為了全面了解交通洞開挖過程中圍巖的穩定性、襯砌在施工期和運行期間的受力變形情況,隧洞設計時采用三維應力應變分析法對該區域進行了分析。

交通洞開挖后應力分布平順,除與地下廠房交接處有局部應力集中外,其余沒有明顯應力集中區,開挖引起的位移變化很小,最大不超過3 mm,塑性區分布范圍很小,說明交通洞開挖對整體圍巖穩定性影響很小。根據工程實際情況,在隧洞施工過程中,需要注意以下兩點：

（1） 隧洞遇到裂隙或土夾層不良地質情況時,可采用隨機錨桿、系統錨桿、掛網鋼筋和噴C20 混凝土聯合支護的處理方式,隨機錨桿為φ22 (L=4～5 m),系統錨桿為φ22(L=3 m、間排距1.5 m)梅花形布置,掛網鋼筋為Φ6.5,網距為150 mm×150 mm,噴C20 混凝土厚度為50～80 mm。

（2） 主交通洞與主廠房連接處全范圍內鋼筋混凝土支護應結合施工支護進行,并進行固結灌漿。固結灌漿孔、排距3.0 m,平均深度4 m。施工支護采用φ28 mm 錨桿、噴150 mm 厚C20 混凝土支護,錨桿采用Ⅱ級筋,單根長6 m,間、排距均為2 m。伸入巖石4.0 m,外露部分結合頂供C25 鋼筋混凝土襯砌支護。

3.2 主交通洞防滲及溶洞處理問題

（1） 在巖溶發育地段進行洞室開挖時,為確保進洞安全,應加強超前勘探及超前預報等措施,盡早查明巖溶類型、溶蝕形態、充填及堆積物性質、分布范圍及地下水活動規律。根據對富水巖溶區復雜的巖溶水文地質勘探分析研究,隧洞施工期間,極易發生圍巖失穩、涌水突泥等巖溶地質災害,施工時可根據實際情況采用臨界距離開挖、超前處理、加強支護等措施。由于巖溶突水主要發生在開挖和初期支護兩個環節,一次支護采用鋼支承加強支護,對圍巖條件差的地段考慮“二襯緊跟”,確保支護體系的及時性和有效性[7]。在開挖露出巖面后,根據巖石情況,對溶洞部位先進行超前錨桿和鋼支撐施工,錨桿參數按Ⅴ類圍巖臨時支護設計圖紙施工,視圍巖情況,當遇到斷層破碎帶、節理密集帶等不良地質段,可采用洞口段支護方案進行加強支護處理,隨機錨桿加密配合支護。

（2） 隧洞頂拱溶洞無充填物時,采用回填混凝土,再進行灌漿處理。若頂拱溶洞高度超過隧洞寬1/2時,回填混凝土高度為隧洞寬的1/2。邊墻溶洞采用M7.5 漿砌石砌筑至設計開挖線,然后架設工字鋼,掛網噴混凝土按設計施工。若隧洞邊墻外側的溶洞寬度超過隧洞寬1/2 時,回填寬度為隧洞寬的1/2。邊墻與M7.5 漿砌石之間采用回填灌漿處理,灌漿壓力0.1 MPa。底板溶洞處理需分兩種情況進行處理：底板有空洞的采用回填塊石料；底板有充填物的或者有較大溶洞的情況應先采取鉆孔探測深度,根據現場實際情況確定清除充填物的深度,然后再回填塊石料進行處理,之后再回填灌漿處理,灌漿壓力0.1 MPa。

（3） 主交通洞運行期間應考慮隧洞路面滲水,滲水處理采取設隨機排水孔引至排水溝,再用水泵經排水管排至洞外, 本工程在主交通洞底板兩側布置150 mm×100 mm 排水溝,水經排水溝匯入集水井。分別在里程交0+551.00 ～交0+555.00 m、交1+031.03～交1+035.03 m 布置集水井,集水井長2.0 m、寬5.728 m、高2.0 m。集水井布置水泵將水抽出洞外。

4 結論

本工程主交通洞位于庫水位以下,應重點做好防滲和排水措施；灰巖地區,尤其巖溶發育地段進行洞室開挖,要做好施工處理措施。對斷層帶、水平溶洞發育段及淺埋段垂直巖溶（漏斗）發育段等易發生大規模涌水的施工風險控制段,隧洞開挖掘進進行爆破作業時,應將人員和設備撤離到支洞與主洞交岔口,保證人員和設備的安全。地下廠房交通洞在確定隧洞軸線時,需綜合考慮材料設備運輸、隧洞底坡及轉彎半徑要求,得出合理的軸線長度及轉彎半徑。確定隧洞洞徑及襯砌斷面和形式時,需綜合考慮泵站大件運輸、地質及施工等多方面因素進行比較,才能選擇合理的經濟斷面。本工程地下廠房交通洞已竣工,在地下廠房的施工、機電安裝及工程的運行管理中發揮了重要作用,目前運行良好。