水工隧洞過大型暗河施工方案

梁強

[摘 要]本文針對水工隧洞遇大型地下暗河，成功運用簡支梁的設(shè)計理念，采用搭設(shè)便橋進行洞內(nèi)運輸，著重闡述了具體的施工方案與便橋的應(yīng)力驗算，并介紹了詳細(xì)的施工控制要點。

[關(guān)鍵詞]水工隧洞 大型暗河 施工方案

中圖分類號：TU455 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）13-0085-01

1 概述

牛欄江——滇池補水工程是一項水資源綜合利用工程，是滇中調(diào)水近期重點工程。工程分布于云南省曲靖市沾益縣、會澤縣以及昆明市的尋甸縣、嵩明縣和昆明市盤龍區(qū)境內(nèi)。由德澤水庫水源樞紐工程、干河提水泵站工程及干河提水泵站至昆明（盤龍江）的輸水線路工程組成。

輸水線施工5標(biāo)段包括大公山隧洞1+682～13+269段洞身及大公山1#支洞、2#支洞、3#支洞。隧洞內(nèi)斷面采用標(biāo)準(zhǔn)馬蹄形斷面，底拱半徑為4.0m，側(cè)底拱半徑為6.0m，頂拱半徑為2.0m，開挖斷面約4.8m×5.4m（寬×高）。

大公山2號洞主洞K6+308.296～K6+321.296為過暗河溶洞段。暗河溶洞高度最高約16m，寬度一般10m，最寬15m。過隧洞段溶洞寬度12～13m，高度13～6.5m（右壁到左壁溶洞高度逐步降低，右壁至中線已揭露溶洞，中線～左壁有1～3.5m厚基巖）。河床中有較厚的巨石、塊石、砂卵石，推測厚度大于5m，兩岸為淤積粘土、粉細(xì)砂，厚度最高接近溶洞兩邊頂部，約15m。溶洞基巖地層巖性為石灰系中上統(tǒng)（C2+3）灰?guī)r，巖層產(chǎn)狀N20°W，SW，∠30°。此段隧洞埋深約100～110m，地表落水洞、漏斗發(fā)育，并有多處伏流存在。溶洞內(nèi)有較大水流暗河?？萜诎岛铀鞲叱瘫人矶吹装宓图s10m，汛期地下水位比隧洞頂板高約5m，因此汛期暗河水流會進入隧道，枯期暗河流量約1.5m3/s。

2 施工方案

2.1 施工準(zhǔn)備

掌子面排險、清渣、噴砼封閉掌子面；

準(zhǔn)備2cm厚鋼板及I32b工字鋼；

從掌子面左側(cè)2.5m寬向前掘進，底板抬高1m，開挖高度2.5m，采用“弱爆破、短進尺”，掘進至左右兩側(cè)具備搭設(shè)便橋平臺的條件。

2.2 臨時支護方案渡過地下暗河

對掌子面揭露的圍巖采用10cm厚C20噴射混凝土封閉揭露的圍巖，防止掉塊，影響地下暗河河床左右兩壁的施工安全。

暗河揭露處，隧洞底板（暗河頂部）圍巖較為單薄，要求在洞身兩側(cè)各5m（共15m）范圍內(nèi)對暗河頂部和左右兩壁進行加固，有效保護圍巖，增設(shè)Φ22系統(tǒng)錨桿，L=3m， @1.5×1.5m；全斷面掛Φ6.5，@20×20mm鋼筋網(wǎng)；噴射C20砼15cm厚。

采用I32b工字鋼，長12m，共18根，平均分布于揭露的地下暗河頂部（隧洞底板范圍內(nèi)）。靠洞內(nèi)有軌運輸，兩軌附近適當(dāng)加密，小里程平臺搭設(shè)長度為4m， 大里程平臺搭設(shè)長度為3m，懸空5m。考慮到搭設(shè)平臺兩側(cè)為不同角度的懸臂巖石，對兩側(cè)搭設(shè)平臺鋪4m寬，縱向長2.2m，2cm厚鋼板，對施工便橋支點處受力狀況由線狀態(tài)轉(zhuǎn)化為面狀態(tài)受力，加強施工便橋支承處的整體受力。并在I32b工字鋼便橋底設(shè)置Φ22，L=5m，縱向間距1.5m的連接鋼筋，與隧洞底板兩側(cè)邊墻增設(shè)的L=3m，Φ22系統(tǒng)錨桿（對稱分布），焊接采用雙面搭接焊，以減輕便橋跨中受力。

在I32b工字鋼便橋上滿鋪2cm厚鋼板，加強施工便橋整體連接及穩(wěn)定性。

在便橋鋼板上滿鋪枕木，回填10cm厚碎石，防止運輸車輛側(cè)滑。

掌子面右側(cè)采用Φ48×3mm（壁厚）鋼管，設(shè)置防護欄，防止人、物墜落且便于觀測地下暗河水流大小。

對掌子面揭露的圍巖（為探視揭露的地下暗河前方及底板圍巖所施做的導(dǎo)洞暨渡過地下暗河搭設(shè)便橋平臺）暫不做開挖擾動，對隧洞過暗河以后按Ⅳ類圍巖開挖支護。

2.3 I32b工字鋼便橋受力計算書

2.3.1 荷截分析

施工便橋承受荷截主要由橋梁自重荷截q及車輛荷截p兩部分組成，其中車輛荷截為主要荷截，如下圖所示：（見圖1）

為簡便計算方法，橋梁自重荷截按均布荷截考慮，車輛荷截按集中荷載考慮，以單片工字鋼受力情況分析確定q、p值。

2.3.1.1 q值的確定

I32b工字鋼每米重57.7kg/m，再加上方木的重量，方木的密度1140kg/m3（取最大值），全橋面滿鋪。

q=（0.16×4×1×1140+57.7×18）÷18）×10÷1000）=0.98KN/m

加上鋼板、護欄、連接鋼筋的重量：按0.43KN/m考慮，單片工字鋼承受力按1.4KN/m，即：q=1.4KN/m。

2.3.1.2 p值的確定

根據(jù)實際情況，施工便橋可通過最大重17t的車輛（主要為扒渣機13.5t/臺、出渣棱礦17t/臺，考慮最大重量17t），其壓力為170 KN/m。由18片梁同時承受，可得到Fmax=F÷18，單片工字鋼承受集中荷載為：Fmax=F18=170/18=9.4KN。

施工便橋設(shè)計通過車速為5km/h，車輛對橋面的沖擊荷載較少，取沖擊荷載系數(shù)為0.2，計算得到：P=9.4*（1+0.2）=11.3KN。

2.3.2結(jié)構(gòu)強度驗算

已知：q=1.4KN/m，p=11.3KN，工字鋼計算跨度L=12m，根據(jù)設(shè)計規(guī)范工字鋼容許彎曲應(yīng)力[σ]=210MPa， 容許剪應(yīng)力[τ]=120MPa。

2.3.2.1 計算最大彎矩及剪力

最大彎矩（上圖所示情況下）：Mmax=ql2/8+Pl/4=59.1KN

最大剪力（當(dāng)P接近支座處時）：Vmax=ql/2+P=19.7KN

2.3.2.2 驗算強度

（1）正應(yīng)力驗算

σ= Mmax/w=59.1/1090=54.2MPa<[σ]=210MPa滿足要求。（w為32b工字鋼凈截面彈性抵抗矩，查表得到1090cm3。）

（2）剪力計算

工字鋼在受剪時，大部分剪力由腹板承受，且腹板中的剪力較均勻，因此剪力可近似按τ=V/（I/S）d計算，（I/S）為慣性矩與半截面靜力矩的比值，d為腹板厚度，可直接查規(guī)范得到，I/S=34.1cm，d=11.5cm，計算得到：τ=V/（I/S）d=19.7/（341*11.5）=5.1MPa<[τ]=120MPa滿足要求。

2.3.3 整體撓度驗算

工字鋼梁容許撓度[f]為（1/200～1/1000）L這里取L/800。[f]=1200/800=1.5cm，而梁體變形為整體變形，由18片工字鋼為一整體進行驗算，計算得到：f=[5ql4/384+Fl3/48]/EL，其中已求得：q=1.4KN/M，F(xiàn)=11.3KN，經(jīng)查規(guī)范：E=2.06*105MPA，I=21700cm4，代入計算得到：f=0.6cm<[f]=1.5cm，滿足要求。

2.3.4 驗算結(jié)果分析

根據(jù)以上驗算，可見本橋可承受重量為17 t的出渣車輛可安全運行。

2.4 隧洞襯砌跨暗河方案

隧洞襯砌斷面作為跨暗河整體箱梁斷面，長度為15.6m， 該段配筋按雙層筋布設(shè)（原設(shè)計為單層筋），主筋調(diào)整為Φ22@20×20cm，隧洞底板鋼筋調(diào)整為Φ28@15×15cm.該段混凝土襯砌底板厚度調(diào)整為50cm（原設(shè)計40cm），混凝土采用C35抗硫酸鹽混凝土、抗?jié)B標(biāo)號W8，由于跨暗河混凝土襯砌為簡支梁結(jié)構(gòu)，該段縱向澆筑不得分段分期，橫向必須保證一次至邊墻3m以上。

3 結(jié)束語

在臨時支護渡過暗河施工完畢后，隧洞繼續(xù)向前開挖支護了100m。暗河段支護未出現(xiàn)任何安全隱患，充分說明臨時渡過暗河施工處理方案是得當(dāng)有效的。雨季來臨前對該段進行了混凝土襯砌施工，汛期洞內(nèi)未出現(xiàn)暗河水流涌入，順利的通過了驗收小組和水利專家組的驗收，專家們對過暗河段施工予以肯定，為我公司在處理大型地質(zhì)災(zāi)害段及突發(fā)事件方面積累了經(jīng)驗。