某大型灌區總干渠隧洞改造方案比選研究

蘭慶琳

（甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司,甘肅 蘭州 730000）

本文實例為景電灌區一期總干渠1#隧洞改造。景電灌區是甘肅省景泰縣、古浪縣以及內蒙古阿拉善左旗經濟發展的重要基礎設施,為景泰川當地提供了堅實的水資源保障。同時,灌區百萬畝良田與十余萬畝三北防護林帶連成一片,阻止了騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠的南侵,生態地位尤為突出。由于改造工程受灌區上水制約,因此施工都安排在灌區停水期進行。根據灌溉制度,景電一期每年9 月1 日～10 月10 日、11 月15 日～翌年3 月10 日為灌區停水期,每年可供連續施工的天數為154 天左右。總干渠1#隧洞全長460 m,作為骨干輸水工程的重要控制節點,能否在停水期完成施工并順利通水,對整個灌區正常運行至關重要。因此,對1#隧洞的改造方案研究十分有必要,同時,也可以為其他灌區隧洞工程改造提供借鑒。

1 隧洞現狀及存在問題

一期總干渠現狀隧洞共計5 座隧洞,其中3#、4#隧洞已經改造成為明渠,剩余躍進隧洞、1#及2#隧洞未進行改造,隧洞主要存在的問題有以下2 類。

（1）過流能力嚴重不足。2019 年,景電一期大型泵站更新改造項目對景電一期灌區規模進行復核,受灌區旱情逐年加重、農作物種植結構變化、各級泵站控制灌溉面積調整等因素的影響,復核后各級泵站流量由原設計流量10.67 m3/s增大為13.17 m3/s。通過實施大泵改造項目,總干6 座泵站均已改造完成,但是渠道及渠系建筑物均未改造。1#隧洞原設計為城門洞型式,洞寬3 m,高3 m,隧洞最大過流12 m3/s,現狀隧洞過流能力嚴重不足。受限于隧洞等渠系建筑物過流能力不足,一期自泵站改造后一直達不到設計流量運行,渠系建筑物亟待改造。

（2）隧洞運行年限過長,結構破損嚴重。一期總干渠1#隧洞自建成至今已運行50 年,遠超一期渠系建筑物合理使用年限,隧洞存在混凝土破損剝落,洞身襯砌接縫止水及施工縫局部漏水等問題,在拱頂、直墻見有1 mm～2 mm 寬的細小裂縫（沿洞軸向）。

2 隧洞地質條件

1#隧洞全長460 m,隧洞埋深17 m～49.5 m,圍巖為新近系砂礫巖夾礫巖,以泥質膠結為主,局部段為泥鈣質膠結,巖性軟弱,屬極軟巖；隧洞位于刀楞山北坡大斷層下盤,距斷層約25 m～30 m；受刀楞山斷層影響,使近于水平的巖層產狀變陡至30°,巖體結構面以層面裂隙為主,層間結合差,巖體中發育陡傾角裂隙；根據收集的施工地質編錄資料,樁號0+000～0+156 段砂礫巖夾礫巖泥質膠結,圍巖中裂隙發育少且小,圍巖較完整,發育1 條大裂隙,地表寬約20 cm,其中,樁號0+075～0+090 段地表發育沖溝,洞頂圍巖厚約17 m,前期施工中巖體濕度大,圍巖變軟；樁號0+156～0+260 段砂礫巖夾礫巖泥質膠結,圍巖中大裂隙發育,部分裂隙寬度>10 cm,巖體破碎；樁號0+260～0+335 段砂礫巖夾礫巖泥鈣質膠結,較堅硬,圍巖中裂隙較發育,巖體較破碎；樁號0+335～0+402段砂礫巖夾礫巖泥鈣質膠結,較堅硬,圍巖中裂隙發育,巖體破碎,為刀楞山斷層影響的裂隙密集帶；樁號0+402～0+420段砂礫巖夾礫巖泥質膠結,巖性軟弱,圍巖中裂隙發育較少,巖體較完整；樁號0+420～0+460 段砂礫巖夾礫巖泥質膠結差,巖性軟弱。圍巖中無地下水活動,隧洞圍巖為極不穩定的Ⅴ類圍巖。

3 隧洞線路的擬定

根據隧洞前后建筑物銜接關系以及地形地質條件,隧洞改造初擬原址擴建及改線重建方案進行比選。

3.1 方案一：原址擴建方案

方案一在現有隧洞基礎上進行擴挖,1#隧洞改造沿用城門洞型式,經過水力學計算,改造后洞寬3.5 m,洞高3.7 m,直墻高2.7 m,頂拱半徑2.02 m。根據地質條件,圍巖中無地下水活動,隧洞圍巖為極不穩定的Ⅴ類圍巖。原隧洞斷面寬×高為3 m×3 m 斷面,擴挖后寬×高為3.5 m×3.7 m,隧洞采用噴錨支護方案,在頂拱、側墻及底板噴15 cm 厚C20 砼,頂拱及側墻范圍采用φ25 砂漿錨桿,排距1 m,梅花形布置,全斷面采用I16 型鋼拱架,榀距1.0 m。必要時掌子面隨機超前注漿加固措施[1]。隧洞襯砌采用C30 鋼筋砼,厚度0.5 m。

3.2 方案二：改線重建方案

方案二為改線重建方案,根據現狀隧洞位置,1#隧洞右側山體覆蓋層較薄,且沿線沖溝較多,左側山體覆蓋層較厚,因此,在1#隧洞左側重新選址新建隧洞,新建隧洞長度約521 m,由于地質條件相同,隧洞圍巖為不穩定的V 類圍巖,隧洞襯砌型式同擴建相同,均為一次噴錨支護,二次砼襯砌。

圖1 1#隧洞方案比選示意圖

4 隧洞改造方案比選

4.1 工程布置的比較

方案一原址擴建方案,隧洞線路未發生變化,渠線前后銜接順直,水流流態好。方案二改線重建方案,改線后渠線中心線發生偏移,流態較差,同時前后銜接的建筑物均需拆除重建,施工難度較大。同時,方案二新建隧洞長度521 m,較現狀隧洞長61 m,因此,就工程布置而言,方案一優于方案二。

4.2 工程地質條件

方案一和方案二水平軸線間距為50 m,工程地質條件相似,圍巖為新近系砂礫巖夾礫巖,以泥質膠結為主,圍巖中無地下水活動,均為不穩定的Ⅴ類圍巖。但是方案二線路距離刀楞山北坡大斷層下盤更近,受刀楞山斷層影響程度更大。

4.3 施工技術方案的比較

就施工工藝而言,方案一為現有隧洞基礎上擴挖,方案二為新鮮巖面。隧洞斷面具備機械化施工的條件,方案一施工強調采用短進尺、弱振動拆除、強支護措施施工[2],原則上拆除、擴挖一米,支護一榀,每循環進尺控制0.5 m～1.0 m。必要時（破碎帶洞段）采用鋼管管棚注漿超前支護的加固措施。隧洞內原鋼筋混凝土鑿除采用HW-26 型挖改破碎錘配合混凝土切割機進行鑿除,局部采用人工持手持式風鎬施工,鑿除棄渣由1 m3裝載機裝,隧洞內采用四不像汽車或農用三輪車運輸。方案二的施工可以采用常見超前管棚配合鉆爆法施工方案,管棚超前小導管注漿超前支護加固,開挖嚴格按照光面爆破控制,錨噴作業應緊跟在爆破工作后及時完成。鉆爆作業按照“短進尺、弱爆破、少擾動”的原則施工[3]。開挖按淺孔、小藥量、多循環鉆爆,先開挖下導洞超前1～2 排炮,再擴挖跟進,鉆爆循環進尺1.0 m。

兩方案就施工技術而言,方案一采用鉆爆法安全風險較大,只能通過小型機械和混凝土切割機進行鑿除,局部采用人工持手持式風鎬施工,工序較為復雜,施工工期較長。

4.4 投資比較

經投資比較,方案一投資1087.18 萬元,方案二投資1535.18 萬元,兩方案相比,方案二投資較方案一增加448 萬元。

表1 方案一（原址擴建方案）投資表

表2 方案二（改線重建方案）投資表

4.5 綜合比選

方案一（原址擴建方案）的優點是投資小,渠線銜接較順直,水流流態好。缺點是施工工序較為復雜,施工工期相對較長。

方案二（改線重建方案）的優點是不受工期影響,可在任何時段進行施工,不影響灌區的正常灌溉。缺點是投資大,改線后渠線中心線發生偏移,線路變長,流態較差,同時前后銜接的建筑物均需拆除重建,施工難度較大。

經綜合比選,推薦方案一（原址擴建方案）,針對施工工期較長的缺點,可以通過施工進度計劃安排,在灌區一個年度檢修期和非灌溉期分期擴建,完成隧洞改造。

5 結論

本文以景電灌區一期總干渠1#隧洞改造方案為例,根據線路地形地質條件,初步擬定兩個隧洞輸水線路方案,通過對兩方案工程布置、施工技術難度、工程投資等方面進行比較,最終選定方案一原址擴建方案為推薦方案。