公路隧道下穿水電站導(dǎo)水隧洞設(shè)計施工技術(shù)研究

王仁鵬

甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030

隨著山區(qū)高速公路建設(shè)項目的不斷增加，隧道之間上跨或下穿逐漸成為普遍的工程現(xiàn)象，在下穿隧道施工時，會引起周圍圍巖應(yīng)力重分布，繼而造成既有隧洞產(chǎn)生附加應(yīng)力及變形，如果上下隧道之間的垂直距離較小，其影響就越大。如何確保下穿隧道的結(jié)構(gòu)安全及運營安全，且不影響既有導(dǎo)水隧洞的安全運行，是這類工程設(shè)計及施工中的重點。針對這一問題，文章以S38線王夏高速公路達爾宗隧道下穿夏河縣蒲黃水電站的工程實例為例，分析了設(shè)計中采取的工程措施，以及施工中采用的技術(shù)手段的可行性，為解決類似工程問題提供了參考。

1 工程概況及工程地質(zhì)條件

1.1 工程概況

S38線王夏高速達爾宗隧道在K9+627～ZK9+595處下穿夏河縣蒲黃電站導(dǎo)水隧洞，交叉角度為36°，導(dǎo)水隧洞底距公路隧道右線拱頂垂直距離為11.5m，導(dǎo)水隧洞底距公路隧道左線拱頂垂直距離為12.1m，導(dǎo)水隧洞寬2.7m，高3.0m，縱坡設(shè)計為1/1500，未襯砌，為無壓力隧洞。公路隧道為雙向四車道，建筑限界10.25m，高5.0m，開挖斷面面積為90m2，交叉長度為60m，影響長度約150m，為近接隧道工程，存在較高的施工風(fēng)險。

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪及鉆探揭露，該段地層巖性為燕山期花崗閃長巖，灰白色，中細粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，層間結(jié)合一般，單軸飽和抗壓強度為48MPa，屬較堅硬巖，巖體破碎，地下水不發(fā)育，圍巖級別為Ⅲ級，由于既有導(dǎo)水隧洞經(jīng)歷施工爆破且運營了一定的時間，導(dǎo)致圍巖產(chǎn)生了較多的裂隙，局部有掉塊現(xiàn)象[1]。

2 設(shè)計方案

公路隧道在下穿段圍巖級別為Ⅲ級，支護參數(shù)如下：初期支護噴射混凝土厚度為12cm，掛φ8mm鋼筋網(wǎng)，間距為20cm×20cm，φ22mm水泥藥卷錨桿L=2.5m，間距為120cm（縱)×120cm（環(huán))，二次襯砌采用35cm厚的C30混凝土，交叉點前后75m采用徑向注漿封閉圍巖裂隙，注漿導(dǎo)管采用φ42mm×4mm無縫鋼管，長度為3.5m，環(huán)向間距為2.0m，縱向間距為1.8m，每環(huán)設(shè)計9根，注漿材料為水泥水玻璃雙液漿（添加水泥重量5%左右的水玻璃），水灰比為1∶1，注漿壓力為0.5～2.5MPa[2]。

對既有導(dǎo)水隧洞進行襯砌，支護參數(shù)如下：初期支護噴射混凝土厚度為12cm，掛φ8mm鋼筋網(wǎng)，間距為20cm×20cm，二次襯砌為30cm厚的C30混凝土，初期支護與二次襯砌之間鋪設(shè)防水層，交叉點前后75m采用徑向注漿封閉圍巖裂隙，注漿導(dǎo)管采用φ42mm×4mm無縫鋼管，長度為2.0m，環(huán)向間距為0.5m，縱向間距為1.0m，每環(huán)13根，注漿材料為水泥水玻璃雙液漿（添加水泥重量5%左右的水玻璃)，水灰比1∶1，注漿壓力為0.5～2.5MPa。注漿完成后，應(yīng)進行鉆孔壓水試驗，由于導(dǎo)水隧洞為無壓力隧洞，下穿段要求為防滲工程，根據(jù)《公路隧道設(shè)計手冊》，可采用如下公式計算出吸水量：

式中：ω為地層單位吸水量，L/（m2·min）；Q為地層總吸水量，L；L為壓水試驗段長，m；H為壓水壓力，m；t為試驗時間，min。

根據(jù)《公路隧道設(shè)計手冊》計算滲透系數(shù)k，當k≤10～6cm/s時，根據(jù)《水利水電工程勘察設(shè)計規(guī)范》（GB 50487—2008），認為圍巖處于極微透水狀態(tài)，對公路隧道及導(dǎo)水隧洞的結(jié)構(gòu)安全及運營無影響，否則應(yīng)進行補注漿[3]。

3 施工技術(shù)

3.1 交叉段爆破振動控制計算

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》（GB 6722－2014)中的相關(guān)規(guī)定，公路隧道爆破屬于地下淺孔爆破，頻率大于50Hz，對于水工隧洞安全允許質(zhì)點振動速度為10～15cm/s，可根據(jù)下式計算振動安全距離：

由式（2）可反算出一次起爆最大裝藥量，具體計算公式如下：

式（2）、式（3）中：V為允許最大震動速，該工程取10cm/s；K、α分別為與爆破點至保護對象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，考慮到之前修建導(dǎo)水隧洞時爆破已對交叉段圍巖產(chǎn)生擾動，故該工程按中硬巖石取值，K取220、α取1.7；R為爆破振動安全允許距離，該工程取公路隧道與導(dǎo)水隧洞之間的最小凈距為11.5m。

通過計算得出：公路隧道與導(dǎo)水隧洞交叉段距離為11.5m，單段最大爆破用藥量不超過6.5kg；公路隧道與導(dǎo)水隧洞交叉段距離為15m，單段最大爆破用藥量不超過14.5kg。

因公路隧道的縱坡為0.8%，縱坡較緩，故在交叉樁號K9+627～ZK9+595前后75m范圍內(nèi)公路隧道與導(dǎo)水隧洞最大垂直距離不超過15m，故交叉樁號前后30m單段最大起爆藥量需控制在6.50kg以下，剩余前后45m單段最大起爆藥量需控制在14.5kg以下。

隧道爆破對圍巖產(chǎn)生的振動受圍巖強度、完整程度、節(jié)理裂隙發(fā)育程度等因素的影響，爆破施工存在諸多不確定性，同時導(dǎo)水隧洞為毛洞，無襯砌，且公路隧道左洞襯砌邊界距右洞襯砌邊界寬約29m，交叉段長60m。因此，為確保蒲黃電站正常運行不受影響，該工程在爆破設(shè)計中，控制爆破長度取1.5的保證系數(shù)，得出控制爆破范圍：交叉段前后各45m，最終確定交叉段控制爆破總長度為150m，樁號范圍為K9+552～K9+702、ZK9+520～ZK9+670。

每段最大允許裝藥量，計算結(jié)果如表1所示。

表1 一次爆破進尺及每段最大裝藥量

3.2 交叉段爆破參數(shù)設(shè)計

爆破應(yīng)按照“短進尺、弱爆破、多循環(huán)”的要求開展施工。

（1）炮眼數(shù)目。炮眼數(shù)目N可根據(jù)下式計算：

式中：N為炮眼數(shù)目，個；k為單位炸藥耗量，kg/m3；s為開挖面積，m2；r為每延米炸藥的用量，kg/m；η為炮眼裝藥系數(shù)，無量綱。

計算結(jié)果總炮眼數(shù)為上臺階96個（其中掏槽眼6個、輔助眼36個、周邊眼54個），下臺階68個（其中掏槽眼4個、輔助眼26個、周邊及底板眼38個）。

（2）每個炮眼的裝藥量。掏槽眼裝藥量根據(jù)下式計算：

式中：Q1為掏槽眼裝藥量，kg；L1為掏槽眼深度，m；r為每延米炸藥的用量，kg/m。

輔助眼裝藥量按下式計算：

式中：Q2為輔助眼裝藥量，kg；L2為輔助眼深度，m；r為每延米炸藥的用量，kg/m。

光面爆破參數(shù)。由于交叉段圍巖節(jié)理、裂隙發(fā)育，光面爆破炮孔的孔距根據(jù)工程類比取值，光爆炮孔的孔距取0.5m，最小抵抗線W取0.6m。

裝藥起爆方面。光面爆破宜采用小藥卷，起爆時注意以下事項：周邊孔應(yīng)該延后起爆；起爆順序為先掏槽眼，再輔助眼，后周邊眼，底板眼最后起爆；為了減少超欠挖，施工過程中需加強斷面量測，及時處理欠挖的部位。

3.3 爆破施工注意事項

公路隧道在下穿導(dǎo)水隧洞時應(yīng)注意以下內(nèi)容：（1）公路隧道開挖后應(yīng)立即施作初期支護，縮短二次襯砌距掌子面的步距，減少圍巖暴露的時間；（2）施工時應(yīng)加強監(jiān)控量測，確保上方導(dǎo)水隧洞的安全；（3）交叉段施工采用上下臺階法施工，不得全斷面開挖。

4 結(jié)束語

隨著山區(qū)高速公路建設(shè)項目的不斷增加，隧道之間上跨或下穿逐漸成為普遍的工程現(xiàn)象，在下穿隧道施工時會引起周圍圍巖應(yīng)力重分布，造成既有隧洞產(chǎn)生附加應(yīng)力及變形，如果上下隧道之間的垂直距離較小，其影響就越大。如何確保下穿隧道的結(jié)構(gòu)安全及運營安全，且不影響既有導(dǎo)水隧洞的安全運行，是這類工程設(shè)計及施工中的重點。文章結(jié)合工程實例，研究了公路隧道下穿水電站導(dǎo)水隧洞的設(shè)計方案與施工技術(shù)，給出了具體的要求及施工注意事項，對于類似工程具有參考意義。