高寒地區(qū)灌溉工程中軟巖隧洞支護(hù)施工技術(shù)

力巷措

(青海省海南藏族自治州貴德拉西瓦灌溉工程建設(shè)局，青海 海南藏族自治州 811700)

在農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)性發(fā)展的條件下，高寒地區(qū)灌溉工程是確保當(dāng)?shù)孛裆闹匾こ?，以拉西瓦灌溉工程為例，通過高寒地區(qū)灌溉工程中軟巖隧洞設(shè)計(jì)，打破缺水“瓶頸”，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和民生工程發(fā)展，拉西瓦灌溉工程位于貴德縣境內(nèi)黃河上游拉西瓦電站大壩和李家峽電站水庫庫尾之間的黃河南岸，東依尖扎縣，西鄰共和縣，北連湟中縣、湟源縣，南通貴南縣、同仁縣，海拔2190～2560m，多年平均氣溫為7.2℃，是典型的高原嚴(yán)寒地區(qū)。在拉西瓦灌溉工程施工中，灌溉工程的隧洞支護(hù)設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，通過對高寒地區(qū)灌溉工程中軟巖隧洞支護(hù)設(shè)計(jì)，緩解項(xiàng)目區(qū)供水壓力，合理配置管理水資源，提高高寒地區(qū)灌溉工程中軟巖隧洞支護(hù)穩(wěn)定性[1]。

對高寒地區(qū)灌溉工程中軟巖隧洞支護(hù)施工設(shè)計(jì)建立在對軟巖洞室襯砌結(jié)構(gòu)特征參數(shù)分析基礎(chǔ)上，根據(jù)運(yùn)行期受到的應(yīng)力結(jié)構(gòu)參數(shù)分析，采用襯砌結(jié)構(gòu)軸線特征分析的方法，對襯砌結(jié)構(gòu)運(yùn)行過程進(jìn)行選材、清理和焊接處理，采用全站儀、水準(zhǔn)儀配合將激光導(dǎo)向儀固定安裝在洞頂?shù)倪m宜位置，通過有限元分析的方法，進(jìn)行高寒地區(qū)灌溉工程軟巖隧洞變形破壞機(jī)理分析并進(jìn)行支護(hù)對策的優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用固定錨桿固定、裂隙充填、攔石墻漿砌、危巖清方等方法進(jìn)行支護(hù)施工設(shè)計(jì)[2- 3]。比如，文獻(xiàn)[4]中提出分析了常規(guī)條件下巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的原理與方法，綜合地考慮地應(yīng)力量級、圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)與指標(biāo)、圍巖體強(qiáng)度、圍巖分級等影響因素，并準(zhǔn)確地取值或估算，但該方法進(jìn)行巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的彈塑性變形階段的解析能力不好。文獻(xiàn)[5]進(jìn)行了深井切頂留巷頂板錯動判據(jù)與支護(hù)參數(shù)量化分析，通過引入埋深因素，分析不同埋深臨時(shí)支護(hù)與主動支護(hù)的量化關(guān)系，并將深井切頂留巷頂板支護(hù)應(yīng)用在工程實(shí)踐中，提高留巷期間巷道頂板穩(wěn)定性，但該方法的施工可靠性不好。針對上述問題，本文以拉西瓦灌溉工程為例，實(shí)現(xiàn)對高寒地區(qū)灌溉工程中軟巖隧洞支護(hù)施工技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先用襯砌邊值法進(jìn)行高寒地區(qū)灌溉工程中軟巖隧洞的結(jié)構(gòu)參數(shù)分析，采用鋼筋混凝土襯砌聯(lián)合結(jié)構(gòu)參數(shù)分析的方法，然后通過盾構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高寒地區(qū)灌溉工程中軟巖隧洞支護(hù)施工優(yōu)化。最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試分析，得出有效性結(jié)論。

1 隧洞支護(hù)工程設(shè)計(jì)及基礎(chǔ)布置

1.1 洞線選擇及工程布置

在高寒地區(qū)拉西瓦灌溉工程中軟巖隧洞支護(hù)施工工程設(shè)計(jì)中，根據(jù)干渠線路布置，共有隧洞16座，總長30.60km，占干渠總長的58.54%，均為無壓隧洞，其中單個(gè)隧洞最長為6134.67m(3#隧洞)、最短的134.52m(15#隧洞)。隧洞所經(jīng)地層巖性復(fù)雜，即有三疊系堅(jiān)硬巖，又有新近系軟巖，還有第四系松散砂礫石地層和部分黃土類地層，并且變質(zhì)巖區(qū)地下水豐富，隧洞工程地質(zhì)條件較為復(fù)雜。設(shè)計(jì)的基本原則是根據(jù)高寒地區(qū)拉西瓦灌溉工程地形、地質(zhì)、地下水等自然條件[6]，合理地選擇高寒地區(qū)拉西瓦灌溉工程的洞線，盡量使洞線短而直，力求沿線巖石堅(jiān)固完整，無大斷層、大破碎帶，并使洞線與巖層走向和構(gòu)造具有較大夾角。本次設(shè)計(jì)，Ⅴ類圍巖、黃土及砂礫石隧洞斷面采用馬蹄型，馬蹄型斷面襯砌結(jié)構(gòu)受力條件較城門洞型好，而且過水能力強(qiáng)，但施工放線復(fù)雜。按類似工程經(jīng)驗(yàn)Ⅲ、Ⅳ類圍巖隧洞斷面采用城門洞型，雖然在外荷載較大的情況下，襯砌的壓力線與襯砌軸線有較大的偏離，但這種型式特別適用于鉆爆法施工，開挖、出渣、襯砌都很方便，而且有利于長隧洞的運(yùn)行。本次設(shè)計(jì)3#～13#隧洞采用馬蹄型斷面，其余隧洞采用城門洞型斷面[7]。洞口邊坡開挖和支護(hù)完成后，可進(jìn)行洞身開挖，洞身開挖從3#隧洞出口及施工支洞上、下游段3個(gè)掌子面同時(shí)掘進(jìn)，由3個(gè)作業(yè)組分別作業(yè)。施工時(shí)嚴(yán)格按“新奧法”施工技術(shù)組織施工，對軟弱圍巖段采用短進(jìn)尺弱爆破強(qiáng)支護(hù)方法進(jìn)行開挖支護(hù)。隧洞洞身施工流程如圖1所示。

圖1 隧洞洞身施工流程

在高寒地區(qū)拉西瓦灌溉工程軟巖隧洞支護(hù)施工中，邊坡開挖和支護(hù)是關(guān)鍵。在支護(hù)體結(jié)構(gòu)開挖中，可將高寒地區(qū)拉西瓦灌溉工程軟巖隧洞的洞身處作為起點(diǎn)開挖[8]，洞身開挖從3#隧洞出口及施工支洞上、下游段3個(gè)掌子面同時(shí)掘進(jìn)，由3個(gè)作業(yè)組分別作業(yè)。施工時(shí)嚴(yán)格按“新奧法”施工技術(shù)組織施工，在洞線選擇及工程布置過程中，3#隧洞洞身開挖采用光面爆破施工，氣腿式風(fēng)鉆造孔，人工裝藥，毫秒延期導(dǎo)爆管。Ⅳ類圍巖采用全斷面光面爆破法開挖，每個(gè)循環(huán)進(jìn)尺1.8m。對于Ⅳ類圍巖破碎段和有軟弱夾層段采用間距120cm鋼拱架(H160×88)支護(hù)，噴射厚度為10cm的C20砼加鋼筋網(wǎng)片支護(hù)和頂拱和邊墻，對此，得到軟巖隧洞支護(hù)的基坑平面圖和澆筑參數(shù)分布見表1。

表1 高寒地區(qū)灌溉工程軟巖隧洞支護(hù)的基坑平面參數(shù)

1.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算及特征分析

根據(jù)表1的荷載結(jié)構(gòu)參數(shù)分析，考慮巖土的彈性抗力，考慮巖土的彈性抗力[9]，用襯砌邊值法進(jìn)行高寒地區(qū)灌溉工程中軟巖隧洞的結(jié)構(gòu)參數(shù)分析，采用鋼筋混凝土襯砌聯(lián)合結(jié)構(gòu)參數(shù)分析的方法，得到抗剪承載力輸出矩陣：

(1)

式中，kb—側(cè)墻及底板內(nèi)緣的凈應(yīng)力，kPa;xb—隧洞凈寬高，m；mb—11#隧洞進(jìn)口施工交通洞寬，m;ms—矩形斷面為過水?dāng)嗝?，m;ub—凈空面積，m2;us—隧洞全面積，m2;dei—鋼筋拉伸荷載,kN/m2。隧洞過水?dāng)嗝婢鶠楝F(xiàn)澆砼襯砌，糙率采用0.014，渠輸水隧洞均為無壓隧洞，通常按洞內(nèi)保持均勻流設(shè)計(jì)[10]，隧洞水力計(jì)算按等流速，混凝土襯砌的結(jié)構(gòu)計(jì)算，采用襯砌與圍巖分開，以研究襯砌為主，計(jì)算公式為：

(2)

式中，ρ—襯砌的邊值；xi—地下水?dāng)鄬佣蔚臉O限承載能力，kPa。

分析在移動負(fù)荷加載下高寒地區(qū)拉西瓦灌溉工程中軟巖隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)體的彈性模量、屈服強(qiáng)度動力學(xué)關(guān)系，表達(dá)式為：

(3)

式中，α1—巖土的彈性抗力，a1=1/2MPa;α2—允許裂縫寬度，a2=25m;α3—膨脹巖洞段的寬度，a3=8m;α4—巖石堅(jiān)固系數(shù)，a4=20;k—垂直山巖壓力，kPa;wk—荷載梯形分布特征量;xk-1—斷層洞段側(cè)向山巖壓力，kPa。

結(jié)合工程土洞段、膨脹巖洞段均按限裂要求對隧洞支護(hù)荷載組合進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用盾構(gòu)參數(shù)與有限元計(jì)算的方法，得到應(yīng)變-剪力的強(qiáng)度為：

(4)

表2 拉西瓦灌區(qū)干渠隧洞襯砌計(jì)算基本數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

根據(jù)表2的參數(shù)配置，采用盾構(gòu)參數(shù)與有限元計(jì)算的方法，結(jié)合湟水北干渠工程經(jīng)驗(yàn)，采用全斷面襯砌，頂拱、直墻襯砌厚度為25cm，底板厚度為30cm，分析側(cè)向山巖黃土及松散土體對隧洞的支護(hù)結(jié)構(gòu)。

2 隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)施工設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

支護(hù)施工中對高寒地區(qū)灌溉工程軟巖隧洞保護(hù)的擋墻部分施工需要進(jìn)行基坑開挖，土方開挖435m3，回填4.8m3，高寒地區(qū)拉西瓦灌溉工程中軟巖隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)的大樣圖和工程表如圖2所示。

圖2 高寒地區(qū)拉西瓦灌溉工程中軟巖隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)的大樣圖和工程表

采用全斷面襯砌，頂拱、直墻襯砌厚度為25cm，底板厚度為30cm，采用厚度為8cm的 C20噴砼進(jìn)行支護(hù)。對于局部節(jié)理裂隙密集、破碎的部位加設(shè)局部錨桿，既減小了滲漏和糙率，又起到加固洞壁和洞頂防止風(fēng)化的作用。對于局部節(jié)理裂隙密集、破碎的部位加設(shè)隨機(jī)錨桿。頂寬和底寬規(guī)定值或允許偏差為+10%，在支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，危巖體清除符合設(shè)計(jì)要求和規(guī)范規(guī)定，高寒地區(qū)灌溉工程軟巖隧洞支護(hù)的危巖體清方工程的完成樣圖如圖3所示。

圖3 危巖體清方工程的完成樣圖

縱向間距3.0m，砂為充填首先把裂縫口混凝土堵好，以防灌混凝土的時(shí)候混凝土往外滲漏，在支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，隧洞Ⅲ類圍巖洞身混凝土襯砌的結(jié)構(gòu)計(jì)算，圍巖穩(wěn)定受結(jié)構(gòu)面組合控制，可發(fā)生小-中等坍落，采用對稱配筋，混凝土強(qiáng)度標(biāo)號采用C25，受力主筋等級采用Ⅱ級，鉆孔入射角18度，錨桿鋼筋直經(jīng)32mm。根據(jù)上述設(shè)計(jì)，得到高寒地區(qū)拉西瓦灌溉工程中軟巖隧洞支護(hù)的錨桿安制及注漿平面圖和斷面圖如圖4所示。

圖4 隧洞支護(hù)的錨桿安制及注漿平面圖和斷面圖

3 實(shí)驗(yàn)測試分析

在實(shí)驗(yàn)測試中，高寒地區(qū)灌溉工程軟巖隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)的孔徑50mm，外傾角3°～6°，鋼支撐在加工車間制作加工，分為圓弧和拱腿2個(gè)部分，用厚度為10mm的鋼板螺栓連接。拱腿加工，按尺寸直接下料。圓弧部分加工，則采用彎拱機(jī)直接加工成型。鋼架加工后應(yīng)進(jìn)行試拼，其誤差控制在：沿隧洞周邊輪廓誤差±3cm，各單元螺栓連接的螺栓孔中心間距公差不超過±0.5mm。鋼架平放時(shí)，平面翹曲要小于±2mm，噴射混凝土的骨料級配表見表3。

表3 噴射混凝土的骨料級配 單位：%

高寒地區(qū)灌溉工程軟巖隧洞的裂隙分為W1危巖體裂隙和W3危巖體裂隙，邊頂拱鋼模臺車長度為12.2m，混凝土襯砌標(biāo)準(zhǔn)段長度按12m一段進(jìn)行施工。鋼筋及倉面驗(yàn)收合格后，調(diào)整液壓千斤頂和絲桿，展開鋼模，端頭模板主要采用組合鋼模板、輔以木模。隧洞及斜井底板混凝土全部采用組合鋼模板并輔以木模施工，裂隙充填工程施工的立面圖如圖5所示。

圖5 裂隙充填工程施工立面圖

砼振搗采用插入式振搗器振搗，采用插入式振搗器振搗時(shí)，每一振點(diǎn)的搗固延續(xù)時(shí)間，都能使混凝土表面呈現(xiàn)浮漿和不再沉落。為了避免碰撞鋼筋、模板、預(yù)埋件等，將振動棒的移動間距控制在振搗器作用半徑的1.5倍以內(nèi)，搗動棒與模板的距離控制在其作用半徑的0.5倍，振動棒插入下層混凝土內(nèi)的深度不小于50mm，由此實(shí)現(xiàn)高寒地區(qū)拉西瓦灌溉工程中軟巖隧洞支護(hù)施工，測試荷載，如圖6所示。

由圖6的測試結(jié)果得知，高寒地區(qū)灌溉工程中軟巖隧洞支護(hù)施工，對水平位移、軸力、沉降都有明顯的抑制作用，提高了高寒地區(qū)灌溉工程中軟巖隧洞的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，數(shù)值計(jì)算結(jié)果較好地反映了實(shí)際開挖過程，提高了隧洞的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)可靠性。

圖6 支護(hù)結(jié)構(gòu)的荷載測試

4 結(jié)語

總而言之，高海拔地區(qū)擁有的惡劣環(huán)境和復(fù)雜氣候，使軟弱圍巖在這種環(huán)境施工時(shí)難度極大。對高寒地區(qū)灌溉工程中軟巖隧洞支護(hù)設(shè)計(jì)，緩解項(xiàng)目區(qū)供水壓力，合理配置管理水資源，實(shí)現(xiàn)對高寒地區(qū)灌溉工程中軟巖隧洞支護(hù)施工技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，危巖體清除符合設(shè)計(jì)要求和規(guī)范規(guī)定，并通過試驗(yàn)測試進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能分析。測試結(jié)果得出，采用本文方法進(jìn)行高寒地區(qū)灌溉工程中軟巖隧洞支護(hù)施工，對水平位移、軸力、沉降都有明顯的抑制作用，數(shù)值計(jì)算結(jié)果較好地反映了實(shí)際開挖過程，提高了隧洞的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)可靠性，具有很好的工程實(shí)踐價(jià)值。