下穿越居民區(qū)的淺埋輸水隧洞擴建設(shè)計

劉甲奇 王濤

當(dāng)下，國家對水利工程的投入力度大，加快水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工作，目前我國已建的許多水利工程設(shè)施大都建設(shè)于20 世紀60—70 年代，迄今為止，這批已建水利工程的使用壽命大部分超過50 年，已經(jīng)達到使用年限，需要改造升級或拆除重建。

輸水隧洞工程在引調(diào)水工程、灌區(qū)灌溉工程中發(fā)揮著重要作用，其技術(shù)也相對較為復(fù)雜，20 世紀60—70 年代建設(shè)的一些隧洞，其設(shè)計過流能力已經(jīng)不能滿足現(xiàn)階段當(dāng)?shù)鼐用裆a(chǎn)生活，需要對其進行處理，在處理措施中，隧洞的擴建工程技術(shù)應(yīng)用就應(yīng)運而生。水利工程引水隧洞擴建工程領(lǐng)域，研究的結(jié)果較少，大部分水利工程還未進行隧洞的擴建，這可能是由于隧洞擴建工程技術(shù)復(fù)雜，危險性較大。隧洞的擴建一般分為雙側(cè)擴建、單側(cè)擴建和四周擴建[1]，無論哪種擴建方法，原有隧洞支護結(jié)構(gòu)的拆除和擴挖都是危險性較大的工程。擴建隧洞中，首先需拆除原有隧洞的襯砌結(jié)構(gòu)，然后再擴挖隧洞斷面，這樣一來就破壞了圍巖原來保持的平衡狀態(tài)，使得圍巖的受力情況變得較為復(fù)雜。特別是遇到隧洞圍巖是軟弱松散巖體，洞頂埋深較淺，圍巖的承載力較差，滲透穩(wěn)定性不足，在洞頂上的巖土體較難構(gòu)成完整的拱形支撐結(jié)構(gòu)，容易坍塌而產(chǎn)生較大的地面下沉[2]。特別是當(dāng)淺埋隧洞穿越既有居民樓或其他工程時，由于施工擾動地層，導(dǎo)致圍巖虧空，從而引起地表發(fā)生明顯位移，對地表上的建筑物及周邊環(huán)境造成較大的影響。

所以，擴建隧洞設(shè)計方法的研究就顯得格外重要。本文依托某隧洞擴建工程，探索了原位擴建隧洞淺埋段的設(shè)計方法與思路，以期為后續(xù)類似隧洞工程的設(shè)計和施工提供一些參考與借鑒。

1 工程概況

1.1 項目介紹

某供水工程設(shè)計引水流量為31 m3/s，為Ⅱ等大（2）型工程。輸水隧洞長193 m，為無壓隧洞，洞身斷面采用標準馬蹄形斷面，設(shè)計凈尺寸為4.3 m×4.3 m，設(shè)計洞身底坡為1/600。隧洞上方與一條公路相交，并穿越一個居民聚集點。隧洞沿線埋深0~12 m。原隧洞設(shè)計流量23.4 m3/s，加大流量25.7 m3/s，洞身底坡為1/600。

經(jīng)現(xiàn)場查勘，現(xiàn)狀隧洞洞身為蛋形斷面，襯砌后最大高度為4.15 m，最大寬度為3.4 m，采用裝配式混凝土襯砌，由2 塊側(cè)墻和2 塊頂拱拼裝而成。頂拱為混凝土襯砌，厚300 mm；側(cè)墻為混凝土襯砌，頂部厚300 mm，底部厚800 mm，洞底為300 mm厚的漿砌塊石。隧洞運行至今已達50年之久，存在襯砌混凝土老化、止水破壞接縫漏水等問題；根據(jù)對現(xiàn)狀隧洞的復(fù)核計算，現(xiàn)狀隧洞結(jié)構(gòu)強度不能滿足正常使用功能，結(jié)構(gòu)安全性為C級。且現(xiàn)狀隧洞襯砌凈斷面尺寸較小，不能滿足現(xiàn)階段的過流要求，經(jīng)經(jīng)濟技術(shù)分析比較后，隧洞需進行擴建，增加其過流能力，滿足輸水要求。

1.2 工程地質(zhì)

現(xiàn)狀隧洞地質(zhì)條件：地表為坡殘積壤土或細粒土質(zhì)砂，厚約3 m；下伏為粗粒結(jié)構(gòu)花崗巖，隧洞洞頂巖層厚度7~10 m。隧洞穿越地層大部分為全風(fēng)化花崗巖，風(fēng)化呈壤土狀，遇水飽和后極易崩解，部分為強風(fēng)化花崗巖。隧洞沿線地下水位較低，出露位置低于洞頂板2 m 以下，且地下水水量不大，對開挖影響不嚴重。隧洞頂部房屋密集，圍巖地質(zhì)條件較差，施工過程中發(fā)生過塌方，本隧洞圍巖主要為細粒土質(zhì)砂狀全風(fēng)化花崗巖，局部為強風(fēng)化或弱風(fēng)化花崗巖，圍巖類別為Ⅳ、Ⅴ類。鉆探揭露深度24.0 m范圍內(nèi)，地層巖性分別為：

（3）高村單元（P2g）巖性為細粒斑狀黑云母二長花崗巖，強風(fēng)化帶為斑狀結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造，巖體不完整；弱風(fēng)化帶較完整，隱裂隙發(fā)育，巖質(zhì)較硬。

（4）三疊系侵入巖竹山嶺單元（T1zh）巖性是中細粒斑狀二長花崗巖，強風(fēng)化帶為中細粒結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造，巖體破碎；弱風(fēng)化帶較為完整，隱裂隙發(fā)育，巖質(zhì)堅硬。

擴建隧洞的三維地質(zhì)模型如圖1所示。

圖1 隧洞三維地質(zhì)模型

2 設(shè)計技術(shù)要點

（1）隧洞斷面形式的選擇。通過比選確定隧洞的斷面形式。

（2）荷載選擇與確定。在隧洞上部，有許多房屋，還有1 條國道公路，在考慮淺埋隧洞作用荷載時，需考慮隧洞上部房屋荷載、車輛活荷載等的作用。

（3）淺埋隧洞的支護方式選擇。超前支護、一次支護、二次支護等支護方式需根據(jù)淺埋隧洞埋深淺，上部覆土薄等特點進行特殊設(shè)計。

（4）隧洞擴挖的施工方法。解決擴挖隧洞中，選擇合適的開挖方式，使其對周邊巖土體擾動最小，避免出現(xiàn)大面積的坍塌。

（5）在居民區(qū)，盡可能減少對居民生產(chǎn)生活的影響，選擇易于當(dāng)?shù)厝罕娊邮艿姆雷o措施，減少安全隱患。

3 輸水隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 斷面形式及洞徑選擇

隧洞斷面形式比選了圓形、馬蹄形、城門洞形3 種斷面形式[3]。本工程隧洞為輸水隧洞，根據(jù)地質(zhì)情況，該洞段圍巖破碎，大部分圍巖為Ⅳ~Ⅴ類，少部分Ⅲ類。從過流條件、隧洞結(jié)構(gòu)受力條件、運行管理條件、施工難易性、經(jīng)濟性等多方面考慮，推薦采用馬蹄形斷面。3 種比選方案的詳細內(nèi)容見表1。

3.2 超前支護設(shè)計

3.2.1 長管棚、小導(dǎo)管注漿加固

超前支護根據(jù)洞頂土層厚度及圍巖相關(guān)條件采用長管棚、小導(dǎo)管注漿加固[4]。超前小導(dǎo)管為Φ42×5 mm 的熱軋無縫鋼管，長度為5 m。對于淺埋隧洞的施工，采用雙層小導(dǎo)管注漿，內(nèi)側(cè)小導(dǎo)管的外傾角在6°～10°之間，外側(cè)小導(dǎo)管外傾角在14°～20°之間，每循環(huán)超前小導(dǎo)管之間的搭接長度為1.5 m。

大剛度管棚選用Φ108×3.5 mm熱軋無縫鋼管，長度30 m，外傾角1°~3°，形成有效的擴散型的保護殼，管棚間距為2.0～2.5 倍鋼管直徑，管棚內(nèi)壓注水泥漿或化學(xué)漿液，形成一定厚度的傘狀保護殼，然后在大管棚的保護下保證開挖隧洞的順利。

3.2.2 洞頂沿線固結(jié)灌漿

在隧洞頂部采用沿線固結(jié)灌漿：對洞頂土層進行加固，形成“結(jié)石體”，使原來破碎松散的圍巖膠結(jié)成一個整體，提高其凝聚力與巖土體剛度。從而使隧洞頂部的圍巖保持穩(wěn)定，達到保證工程安全及順利掘進的目的。

注漿壓力：初壓0.2 MPa，終壓2~3 MPa，采用孔口阻塞純壓式灌漿法施工[5]。注漿順序：先灌注外側(cè)兩排孔，此后依次向內(nèi)推進；每排注漿孔內(nèi)，先灌注兩端的孔，然后間隔灌注。豎向灌漿范圍為隧洞開挖輪廓以外到地表1.5 m以下，詳細的地基加固范圍如圖2所示。

圖2 隧洞頂部地基加固注漿示意圖

3.3 一次支護設(shè)計

圍巖開挖導(dǎo)致地層發(fā)生松動，其承載能力必然下降，如支護不及時或強度不夠，則會增加施加在支護上的荷載，甚至發(fā)生坍塌[6]。因此，一次支護應(yīng)及時跟進，并有足夠的剛度與強度，以便有效限制地層發(fā)生過大過快變形。早支護不僅可以減少作用在支護結(jié)構(gòu)上的荷載，而且能夠避免地層過大變形，防止施工塌方。

一次支護的支護型式及相關(guān)設(shè)計參數(shù)應(yīng)依據(jù)隧洞的工程地質(zhì)勘察成果，并結(jié)合已建類似工程確定，通常采取錨桿、掛網(wǎng)、噴混凝土、鋼拱架等組合加固形式，各圍巖洞段典型斷面的開挖及一次支護型式見表2。針對某些地質(zhì)條件較差的施工地段，需根據(jù)隧洞圍巖的變形情況，采取及時調(diào)整鋼拱架的間距及形式、封閉底板、盡快進行二次襯砌等方法解決。

表2 一次支護參數(shù)情況

3.4 二次襯砌設(shè)計

隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計的工程措施目的是加固不良圍巖、保證圍巖穩(wěn)定[7]，因此要把所采用的工程措施與圍巖視作一個統(tǒng)一的復(fù)合整體，考慮一次支護、二次襯砌與圍巖的共同作用。在考慮隧洞圍巖承載力的基礎(chǔ)上，襯砌采取鋼筋混凝土，混凝土襯砌結(jié)構(gòu)按照限裂進行設(shè)計，無壓隧洞按限制裂縫寬度為0.3 mm 進行設(shè)計。在二次襯砌施工完畢后，一次支護與二次襯砌一起承擔(dān)載荷，計算荷載包括：山巖壓力、襯砌自重、內(nèi)水壓力、外水壓力、上部房屋壓力、車輛荷載等。

隧洞襯砌結(jié)構(gòu)采取程序計算，通過計算成果進行分析確定[8]。對于復(fù)合式襯砌的內(nèi)力分析，一次支護與二次襯砌兩部分剛度之和為復(fù)合襯砌剛度，按照隧洞襯砌的整體結(jié)構(gòu)計算襯砌內(nèi)力。分配比例為一次支護承擔(dān)40%、二次襯砌承擔(dān)60%進行計算[9]。最后得出的二次襯砌計算結(jié)果見表3。

表3 二次襯砌參數(shù)情況

4 施工期間措施設(shè)計

4.1 擴挖施工設(shè)計

隧洞擴建具備進、出口作為工作面施工的條件，最長工作面長度分別為97 m和136.5 m，平洞可采用無軌運輸施工。現(xiàn)狀隧洞全斷面采用預(yù)制鋼筋混凝土襯砌，埋深約16 m，本段圍巖較差，圍巖類別以Ⅳ、Ⅴ類為主，隧洞中部地表有國道公路穿過，公路兩側(cè)為民房或商鋪。隧洞軸線橫貫公路及居民點，考慮覆蓋層薄，距離居民點較近，預(yù)制混凝土拆除主要采用小型挖掘機配合破碎錘拆除，擴挖無法采用常規(guī)爆破擴挖，為保證隧洞頂部道路與居民的住房安全，選用靜態(tài)破碎開挖，減小土體擾動，并加強超前支護，采取管棚、小導(dǎo)管注漿、鋼格柵拱架及時支護等措施。施工過程中應(yīng)編制詳細的監(jiān)測方案和應(yīng)急措施，按時整理分析監(jiān)測數(shù)據(jù)資料，發(fā)現(xiàn)異常情況要及時采取有效措施。隧洞擴建施工流程如圖3所示。

圖3 隧洞擴挖施工流程

具體施工工藝如下：

（1）進口鋼筋混凝土套拱施工。對已有隧洞進、出口擴挖后，澆筑鋼筋混凝土套拱，管棚套拱長度3.0 m，并在該管棚套拱內(nèi)預(yù)留管棚套管，用于設(shè)置長鋼管，在套拱結(jié)構(gòu)施工完成后，即可進行后續(xù)進洞拆除擴挖。

（2）設(shè)置管棚。管棚鋼管采用Φ108無縫鋼管，Φ89注漿鋼花管，鋼管每節(jié)長度控制在4~6 m，采用絲扣聯(lián)接，并設(shè)注漿孔，通過套拱預(yù)留管棚套管頂進、灌漿，進、出口管棚長度各30 m，仰角1°~3°。

（3）進出口的拆除、擴挖。在管棚超前保護下，采用液壓破碎錘輔助小型挖掘機，拆除原隧洞預(yù)制構(gòu)件，每拆除2~3環(huán)預(yù)制構(gòu)件，即進行擴挖?？紤]為隧洞擴挖，不需要創(chuàng)造臨空面，沿擴挖斷面，鉆周邊孔及輔助孔，裝靜態(tài)破碎劑脹裂巖石，進行輔助眼和周邊眼破碎。破碎后開挖采用液壓破碎錘與小型挖掘機相結(jié)合的開挖方式，裝小型農(nóng)用汽車出渣。

（4）一次支護。每擴挖2 段后，停止掌子面開挖施工，對掌子面進行初噴混凝土封閉，設(shè)置鋼拱架及掛網(wǎng)噴錨支護，對已擴挖巖面進行封閉，支護后即進入下一循環(huán)。鋼拱架按要求彎制，鋼拱架底腳必須坐落在牢固的基礎(chǔ)上。

（5）隧洞拆除、擴挖。洞內(nèi)開挖選用小導(dǎo)管注漿超前支護，小導(dǎo)管與管棚在圍巖內(nèi)搭接均不小于3 m。隧洞預(yù)制構(gòu)件拆除、擴挖方式同進、出口，采用靜態(tài)破碎劑脹裂巖體。隧洞一次支護采用超前小導(dǎo)管和鋼拱架支護，小導(dǎo)管在圍巖內(nèi)的搭接不小于3.0 m。

4.2 安全監(jiān)測設(shè)計

淺埋隧洞監(jiān)測設(shè)計包括監(jiān)測項目、儀器布置、量測頻率、監(jiān)測預(yù)警值等[10]，監(jiān)測項目分為洞內(nèi)監(jiān)測和洞外建（構(gòu)）筑物監(jiān)測兩方面，主要監(jiān)測部位包括淺埋段隧洞位置的地表建筑物、施工影響范圍內(nèi)的永久建筑物、基坑開挖邊坡附近的建筑物等。

4.2.1 隧洞內(nèi)監(jiān)測

（1）在施工期對隧洞進行收斂變形監(jiān)測，每間隔30 m左右設(shè)置監(jiān)測斷面，根據(jù)現(xiàn)場實際地質(zhì)情況進行調(diào)整，采用收斂計進行觀測，每個監(jiān)測斷面分別布置3支測縫計監(jiān)測圍巖與襯砌接縫變形，監(jiān)測點應(yīng)在隧洞開挖后及時進行埋設(shè)。為使初始讀數(shù)盡可能準確，監(jiān)測斷面距離開挖斷面不應(yīng)超過2 m。

（2）根據(jù)隧洞實際地質(zhì)情況，在靠近隧洞進出口洞口部位監(jiān)測斷面布置3套多點位移計監(jiān)測圍巖變形。

（3）隧洞沿軸線方向每隔10 m設(shè)置1個觀測斷面，在拱頂處設(shè)1個測點用來觀測隧洞拱頂?shù)南鲁林?。根?jù)規(guī)范[11]要求，隧洞洞頂允許沉降值為隧洞開挖寬度的0.6%，考慮臨時支護后隧洞開挖寬度為4.3 m，則洞頂允許沉降值為25.8 mm。如果測得的隧洞洞頂沉降值大于等于該值時，或者噴混凝土的表面已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有肉眼可見的明顯裂縫，或?qū)崪y的位移變化速度快速增大時，應(yīng)立即停止向前開挖，采取噴射混凝土封閉隧洞工作面等加固措施后才能夠繼續(xù)進行施工。

4.2.2 隧洞外監(jiān)測

（1）對距離隧洞軸線左右20 m 范圍內(nèi)的房屋，監(jiān)測其沉降和水平位移情況，并實時在房屋永久縫的地方布設(shè)測縫計，觀測縫隙的變形情況。

（2）對洞周圍巖土體設(shè)置觀測點，觀測隧洞上部巖土體的變形情況。在洞頂、邊坡等部位埋設(shè)多點位移計，觀測隧洞上部巖土體的變形。

（3）對洞頂上部道路進行監(jiān)測，主要觀測隧洞上部道路的變化情況，包括道路的裂縫、變形、位移情況。

4.3 特殊防護措施設(shè)計

（1）隧洞施工過程中可能對隧洞上方居民的正常生活造成一定影響，為防止造成人員傷害，對上部影響房屋的人員采取臨時搬遷、減少施工期內(nèi)居民在房屋內(nèi)活動等措施。

（2）施工過程中實行道路交通管制，大型或者裝載數(shù)量大的汽車不應(yīng)在隧洞上方道路上通行；根據(jù)各隧洞實際情況架設(shè)便橋或鋪設(shè)鋼板過渡進行限速，盡可能降低行駛車輛對隧洞施工的影響。

（3）該隧洞為淺埋隧洞，圍巖自穩(wěn)能力差，易坍塌，施工期應(yīng)全程進行安全監(jiān)測，做好超前地質(zhì)預(yù)報及預(yù)防對策。施工中嚴格按照超前支護、注漿、靜態(tài)破碎圍巖、短進尺、勤測量、強支護、一次支護及時跟進的施工程序[12-13]。施工過程中需加強對隧洞的圍巖與支護體系的監(jiān)測，在發(fā)現(xiàn)圍巖與支護體系的變化速率發(fā)生異常情況時，需采取適當(dāng)有效措施；情況嚴重時應(yīng)安排所有危險區(qū)域的人員立即撤離。

（4）洞外房屋，由于大部分都為居民自建房，上部居民樓房屋質(zhì)量參差不齊，需根據(jù)需要進行房屋質(zhì)量鑒定，并決定是否需要提前加固處理。

4.4 工程實施情況

隧洞采用靜態(tài)破碎等施工開挖方法成功實施?，F(xiàn)場的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，該工程所采取的開挖施工方法和支護設(shè)計參數(shù)對控制隧洞圍巖變形效果顯著。該工程施工中所采取的施工方法成功限制了圍巖的較大變形，順利地完成了隧洞的擴挖施工。

5 結(jié) 語

（1）淺埋隧洞施工除與水文地質(zhì)條件、臨時支護形式等條件有關(guān)之外，采取適當(dāng)?shù)氖┕すに?、安全監(jiān)測等措施也是不可或缺的條件，實際施工中要根據(jù)不同工藝及安全監(jiān)測成果及時調(diào)整支護參數(shù)。

（2）淺埋隧洞設(shè)計應(yīng)遵循“強支護、短進尺、早襯砌、勤監(jiān)測”的原則。超前支護、初期支護需具有足夠的強度與剛度，并根據(jù)地層情況選擇合理的開挖方式與施工工序。

（3）采用洞頂沿線固結(jié)灌漿進行超前加固處理，能夠提高洞頂巖土體的結(jié)構(gòu)強度、提升巖土體的力學(xué)特性，防止隧洞擴挖施工時發(fā)生大面積塌陷，并能夠有效限制后期拱頂?shù)某两怠?/p>

（4）超前支護采用大管棚與小導(dǎo)管組合，形成發(fā)散的外部保護殼，能夠有效限制地面發(fā)生的沉降與隧洞頂部變形。

（5）由于隧洞穿越居民區(qū)，所以采取洞頂沿線加固地基、對上部居民、房屋、道路采取適當(dāng)?shù)拇胧┦欠浅Ｓ斜匾摹?/p>