灌區(qū)小斷面短隧洞改造中的洞線方案設(shè)計(jì)

王 凱

(甘肅省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000)

1 概況

引大入秦工程是將大通河水跨流域調(diào)至蘭州市以北60多公里處的秦王川地區(qū)的一項(xiàng)大型跨流域調(diào)水工程，工程等別為Ⅱ等、規(guī)模為大(2)型，引大灌區(qū)所轄52條支渠運(yùn)行近30年來未進(jìn)行系統(tǒng)改造，各類病險(xiǎn)問題日益嚴(yán)重，以“十四五”灌區(qū)改造項(xiàng)目對其中部分支渠的“卡脖子”段進(jìn)行改造，提升灌區(qū)灌溉保障能力。支渠設(shè)計(jì)加大流量均小于3m3/s，主要建筑物級別為5級，隧洞總計(jì)245座，本次改造19座，文章以其中5座典型隧洞為例研究灌區(qū)小斷面短隧洞改造的洞線方案設(shè)計(jì)。

2 隧洞現(xiàn)狀情況及改造內(nèi)容

根據(jù)《設(shè)施調(diào)查評估報(bào)告》及現(xiàn)場踏勘情況，1#、7#、12#、14#、18#隧洞的原橫斷面均為城門洞(圓拱直墻)型式，斷面尺寸為1.2m×1.8m(寬×高)，采用預(yù)制磚砼勾縫襯砌、厚度20cm，主體襯砌結(jié)構(gòu)老化破損嚴(yán)重、局部洞段甚至存在襯砌缺失情況，同時(shí)沉陷變形嚴(yán)重、洞頂塌落、風(fēng)化掉塊，后續(xù)無法長時(shí)間安全運(yùn)行，故對其主體襯砌結(jié)構(gòu)實(shí)施改建。

3 隧洞基本工程地質(zhì)條件

1#、7#、12#、14#、18#隧洞地處黃土覆蓋的中低丘陵區(qū)，隧洞最大埋深30～70m，橫穿黃土梁布置，進(jìn)出口段布置于山梁兩側(cè)發(fā)育的沖溝溝谷中及山體坡腳部位，溝谷寬80～400m，地面自然坡降為1/90～1/120，谷底多為已開墾的階梯狀耕地。

4 改造方案

4.1 隧洞橫斷面確定

本次隧洞改建維持采用簡單的城門洞(圓拱直墻)型式橫斷面。無通航要求的低流速無壓隧洞中，若通氣條件良好，洞內(nèi)水面線以上的空間不宜小于隧洞斷面面積的15%，凈空高度不應(yīng)小于400mm，隧洞橫斷面尺寸須通過加大流量時(shí)滿足上述要求。縱坡依據(jù)能量方程推算的水面線，同時(shí)保證與進(jìn)出口渠道順接。

如果維持原斷面尺寸，拆除原襯砌、一次支護(hù)、二次襯砌過程中通風(fēng)、運(yùn)輸、擴(kuò)挖、澆筑等施工難度較大。且根據(jù)《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，非圓形斷面的高度不宜小于1.8m、寬度不宜小于1.5m。類比同類項(xiàng)目實(shí)施情況，本次采用1.6m×1.9m的隧洞斷面滿足規(guī)范要求。

4.2 隧洞一次支護(hù)及二次襯砌

隧洞一次支護(hù)及二次襯砌斷面均為城門洞型式，明洞只需開挖后采用隧洞二次襯砌斷面澆筑。根據(jù)圍巖類型的不同，洞內(nèi)一次支護(hù)形式有所不同，如圖1所示，見表1。二次襯砌采用現(xiàn)澆C25鋼筋砼厚300mm，澆筑時(shí)預(yù)埋回填灌漿管，伸入基巖100mm，排距2～3m，每排2～3孔，梅花型布置，襯砌砼澆筑完成后頂拱120°范圍做回填灌漿處理，使襯砌砼與圍巖緊密結(jié)合。隧洞凈寬1.6m，側(cè)墻高1.1m，頂拱半徑0.8m，頂拱圓心角180°，如圖2所示。

圖1 一次支護(hù)橫斷面設(shè)計(jì)圖

圖2 二次襯砌橫斷面設(shè)計(jì)圖

4.3 典型隧洞的洞線方案比選

隧洞洞線方案須根據(jù)具體情況逐個擬定，主要考慮原址拆除擴(kuò)建方案、改線新建隧洞方案。本次支渠改造涉及的隧洞圍巖條件均較差，且工期緊迫，施工安全、施工進(jìn)度是主要難點(diǎn)。

原址拆除擴(kuò)建方案中，一次支護(hù)循環(huán)推進(jìn)時(shí)，需先做超前鋼管管棚，再拆除原襯砌后擴(kuò)挖橫斷面，存在施工難度較高、風(fēng)險(xiǎn)較大、進(jìn)度較慢的問題。與改線新建隧洞方案相比，原址擴(kuò)建方案的超前鋼管管棚及回填混凝土使用量較多，但洞挖土石方較少。改線新建隧洞方案及原址擴(kuò)建方案的每延米主要工程投資分別為0.825萬元、0.848萬元，差距微弱，不構(gòu)成方案比選的關(guān)鍵因素，進(jìn)而選取以下5座典型隧洞，研究灌區(qū)小斷面短隧洞的洞線方案設(shè)計(jì)中存在哪些不容忽視的制約因素。

4.3.11#隧洞洞線方案

原1#隧洞長770m，本次改造僅有80天灌溉間歇期可供施工，若采用原址擴(kuò)建方案，對照類似項(xiàng)目施工進(jìn)度，即使洞進(jìn)出口同時(shí)展開工作面，也無法按期完工，勢必阻礙灌溉輸水。采用改線新建隧洞方案，在灌溉期時(shí)，新線照常施工，通過原隧洞輸水。

原1#隧洞及上下游渠道基本順直，其左側(cè)靠近山脊，右側(cè)靠近山溝，改線線路選取埋深較大地質(zhì)條件較好的左側(cè)，與原隧洞軸線距離不小于10m。改線后7#隧洞長785m，隧洞上、下游采用現(xiàn)澆矩形渠連接原渠線，如圖3所示。

圖3 1#隧洞改線方案平面圖

4.3.27#隧洞洞線方案

原7#隧洞長150m，橫穿黃土支梁，進(jìn)出口位于黃土坡腳。洞身巖性為Ⅳ2類(Q2)洪積離石黃土，洞進(jìn)出口段巖性為Ⅴ1類(Q3)風(fēng)積馬蘭黃土。

原7#隧洞出口兩側(cè)黃土邊坡表面存在拉張裂縫，且有不斷擴(kuò)大趨勢，存在邊坡失穩(wěn)可能。其中，原7#隧洞出口右側(cè)邊坡上部存在長約12m，寬約1～3cm的弧形傾向邊坡外部的裂縫，裂縫傾角70～85°不等。原7#隧洞出口及明渠段左側(cè)黃土山體在當(dāng)初建設(shè)時(shí)開挖削坡形成50～65°不等的邊坡，高達(dá)40m，邊坡較陡且有淺表層小方量塌落體，局部土體塌落后邊坡上部已成近直立的黃土陡坎，原7#隧洞出口明渠段左側(cè)邊坡上部存在長約60m，口寬約10～30cm的弧形傾向邊坡外部的黃土座落體，卸荷拉張裂縫上寬下窄，傾角70～90°不等，該座落體頂部拉張裂縫垂直錯距20～50cm，座落體厚約0.5～7m。

經(jīng)現(xiàn)場地質(zhì)勘察，原7#隧洞出口段及出口明渠段左側(cè)黃土山體邊坡不穩(wěn)定，原渠道破損滲漏嚴(yán)重，降雨及渠道滲漏水浸泡渠基及邊坡底部馬蘭黃土，造成邊坡土體抗剪強(qiáng)度降低，渠基土體濕陷沉降變形量加大，從而造成邊坡土體整體向下座落。

若只對已形成的座落體進(jìn)行清除，將會形成新的臨空面，岸內(nèi)黃土山體將會向高處產(chǎn)生更大范圍的滑塌或座落；若對該邊坡進(jìn)行大范圍削坡處理，存在削坡方量大、施工及邊坡防護(hù)治理難度大的問題；若不對邊坡進(jìn)行處理，施工期及運(yùn)行期存在邊坡座落掩埋渠道或土體推移剪切破壞渠道的安全隱患。

綜上考慮，為保證改建后7#隧洞出口及渠段安全運(yùn)行，采用繞線新建隧洞方案，避開原7#隧洞出口裂縫及座落體等地質(zhì)不良區(qū)域。改線至原洞線左側(cè)較右側(cè)線路簡短，相當(dāng)于裁彎取直，故在原7#隧洞左側(cè)改線新建隧洞，新洞線長249m，隧洞上、下游采用明洞(改線改建)分別連接不改建的6#隧洞和8#隧洞，如圖4所示。

圖4 7#隧洞改線方案平面圖

4.3.312#隧洞洞線方案

原12#隧洞長302m，出口洞段含7個連續(xù)S形轉(zhuǎn)彎，洞線總體呈L形，橫穿山梁，進(jìn)出口段布置于坡腳部位。洞身巖性為V類泥巖，洞進(jìn)出口段巖性為Ⅴ1類(Q4)馬蘭黃土。

若采用原址擴(kuò)建方案，出口洞段內(nèi)連續(xù)S形彎道開挖斷面控制難度大，且鋼模臺車無法通過，襯砌澆筑須支普通模板，會導(dǎo)致工期延長且澆筑質(zhì)量下降，隧洞運(yùn)行時(shí)流態(tài)紊亂。

如圖5所示，若采用改線新建隧洞方案，左側(cè)新洞線裁彎取直后僅272m長，相比原址擴(kuò)建方案，洞線縮短、投資節(jié)省、施工難度降低、工期縮短、后續(xù)隧洞運(yùn)行時(shí)流態(tài)平順，上下游采用現(xiàn)澆矩形渠連接原渠線。

圖5 12#隧洞改線方案平面圖

4.3.414#隧洞洞線方案

原14#隧洞長160m，洞線總體呈直線，橫穿山梁，進(jìn)出口段布置于坡腳部位，隧洞圍巖為Ⅴ類泥巖。現(xiàn)狀隧洞出口30～60m長洞段上部地面建有一棟三層樓房(長×寬=8m×40m)及一棟平房(長×寬=6.5m×15.5m)，房前場地混凝土地坪及房屋局部地基存在沉降變形，最大沉降量約20cm，局部房屋墻體存在水平狀拉張裂縫，縫寬約0.1～3cm。樓房沉降部位位于隧洞上部早前開挖回填的人工雜填土層上，該土層結(jié)構(gòu)松散，土質(zhì)不均，屬高壓縮、強(qiáng)濕陷性土層，存在壓縮變形大、浸水后易產(chǎn)生濕陷的工程特性。由于樓房建筑范圍內(nèi)無良好的疏通排水溝道，受雨水浸泡后地基土產(chǎn)生濕陷及沉降變形，是造成此范圍內(nèi)地基沉降的主要原因。

若采用原址擴(kuò)建方案，在拆除此處房屋下埋設(shè)的隧洞襯砌后，上部松散人工雜填土將產(chǎn)生進(jìn)一步的不均勻沉降變形，進(jìn)而造成房屋地基更大程度的沉降變形及拉裂破壞。

綜上分析，為避免對此處房屋的影響，需采用改線新建隧洞方案，如圖6所示，新線位于現(xiàn)狀洞線左側(cè)，上下游采用現(xiàn)澆矩形渠連接原渠線。

圖6 14#隧洞改線方案平面圖

4.3.518#隧洞洞線方案

18#隧洞原洞線地質(zhì)條件尚可，無地上及地下構(gòu)筑物影響，隧洞長200m，拆除重建所須工期不妨礙灌溉期供水。并且改線新建隧洞方案中，洞長須215m，相比原址擴(kuò)建方案，主要工程投資增加7.78萬元。綜合考慮可行性和經(jīng)濟(jì)性，此隧洞采用原址擴(kuò)建方案。

5 結(jié)語

在“十四五”引大灌區(qū)改造項(xiàng)目中，對隧洞的改建是重點(diǎn)和難點(diǎn)，且均為小斷面短隧洞。首先根據(jù)過流能力及洞內(nèi)施工要求擬定隧洞縱橫斷面，再依據(jù)圍巖條件確定一次支護(hù)及二襯措施，以供比較不同洞線方案的經(jīng)濟(jì)性。本項(xiàng)目洞線設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮原址拆除擴(kuò)建方案及改線新建隧洞方案，圍巖條件較差、地質(zhì)條件復(fù)雜、周邊地上或地下構(gòu)筑物影響、只能在灌溉間歇期施工等制約因素構(gòu)成不同組合，各隧洞洞線無法統(tǒng)一設(shè)計(jì)，均須具體摸排，確定安全可行的洞線。