張寅寅

(甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅省 蘭州 73000)

1 工程概況

甘肅省引洮供水工程是旨在解決甘肅省中部干旱地區(qū)11個(gè)國(guó)家扶貧重點(diǎn)縣城鄉(xiāng)用水問(wèn)題的大型跨流域調(diào)水工程，因其建設(shè)內(nèi)容多，投資規(guī)模大，工程分兩期進(jìn)行建設(shè)，其中引洮供水一期工程于2006年11月開(kāi)工，2015年8月正式通水運(yùn)行，二期工程于2015年10月開(kāi)工，總工期70個(gè)月，目前仍在建設(shè)之中。

引洮一期工程渠管線主要分布于甘肅中部黃河以東的隴西黃土高原區(qū)，區(qū)內(nèi)溝壑縱橫，地形破碎。受地形條件的制約，總干渠采用以隧洞為主的布置方式，總干渠總長(zhǎng)109.4km，其中共布置隧洞18座，總長(zhǎng)96.35km，占總干渠線路總長(zhǎng)的88.05%，是總干渠最重要的建筑物。工程區(qū)內(nèi)前震旦系至第四系地層和太古代至中生代各期侵入巖均有分布，以中新生代及第四系地層分布范圍最廣，隧洞圍巖以Ⅳ、Ⅴ類軟巖、極軟巖及黃土為主，工程地質(zhì)性質(zhì)差，其中第四系飽水土隧洞圍巖是工程比較突出的地質(zhì)問(wèn)題，施工過(guò)程中極易發(fā)生掌子面塌方、涌泥及支護(hù)變形等問(wèn)題，也是設(shè)計(jì)、施工需重點(diǎn)面對(duì)的難題。本文以引洮供水一期工程總干渠楊家坪隧洞為例，針對(duì)飽水土隧洞一次支護(hù)變形后帶來(lái)的二次混凝土襯砌結(jié)構(gòu)不能滿足設(shè)計(jì)要求的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)計(jì)算參數(shù)及復(fù)核計(jì)算成果進(jìn)行綜合分析后，研究確定其處理措施。

2 工程地質(zhì)特性、支護(hù)設(shè)計(jì)及變形問(wèn)題

2.1 工程地質(zhì)特性

楊家坪隧洞位于總干渠樁號(hào)86+550m～87+656m之間，長(zhǎng)1106m，實(shí)際開(kāi)挖揭示出的隧洞分段工程地質(zhì)特性如表1。

2.2 支護(hù)設(shè)計(jì)

針對(duì)飽水土的工程地質(zhì)特性，為適應(yīng)極差的圍巖工程地質(zhì)條件，承擔(dān)較大的圍巖荷載，設(shè)計(jì)采取了有針對(duì)的措施，一是斷面采用三心圓拱形斷面型式(蛋形斷面)，更能適應(yīng)于地質(zhì)條件差，山巖壓力大的情況；二是采用復(fù)合式支護(hù)襯砌型式做為隧洞的支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)加強(qiáng)隧洞一次支護(hù)結(jié)構(gòu)及施工工藝。一次支護(hù)采用強(qiáng)支護(hù)體系，具體措施為噴混凝土、掛鋼筋網(wǎng)、鋼拱架及超前鋼管管棚相結(jié)合，二次襯砌現(xiàn)澆模筑鋼筋混凝土，構(gòu)成復(fù)合式的支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)聯(lián)合體系，具體如下：

表1 楊家坪隧洞分段工程地質(zhì)特性

楊家坪隧洞開(kāi)挖后毛洞斷面寬度為5.3m，高度為5.4m，一次支護(hù)拱墻噴混凝土150mm，緊貼巖面架設(shè)I14工字鋼鋼拱架，間距0.6～1.0m；鋼拱架未封閉底拱，采用20～25cm厚的干硬性混凝土仰拱封閉底板；頂拱噴層中部布設(shè)Φ6.5×200×200mm鋼筋網(wǎng)；同時(shí)采用管棚輔助施工，在拱頂180°范圍鋼拱架腹板上以外傾角5°～10°架設(shè)Φ42、長(zhǎng)3.5m熱軋無(wú)縫鋼管管棚，間距200～300mm。二次襯砌全斷面整體現(xiàn)澆鋼筋混凝土，厚350mm。在施工過(guò)程中，嚴(yán)格按“短進(jìn)尺、快支護(hù)、強(qiáng)支護(hù)、勤排水、勤觀測(cè)”的原則進(jìn)行開(kāi)挖及支護(hù)，總體施工順利。

2.3 實(shí)際施工中出現(xiàn)的支護(hù)變形問(wèn)題

楊家坪隧洞于2008年8月底貫通，因隧洞開(kāi)挖在土體中形成了臨空面，加之前述2.1節(jié)的原因，土體中重力水析出，使洞壁內(nèi)出現(xiàn)了大量點(diǎn)狀及線狀滲水，洞壁周圍土體含水率增高，土體性質(zhì)惡化，作用在支護(hù)上的水土壓力加大，且出現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)不均勻受力的情況。此外，本隧洞一次支護(hù)中鋼拱架未封閉底拱，采用干硬性混凝土仰拱作為底部支撐，受滲水浸泡及洞內(nèi)施工運(yùn)輸機(jī)械碾壓的雙重影響，仰拱整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)開(kāi)裂等問(wèn)題，對(duì)鋼拱架底部的約束能力變?nèi)?，在圍巖壓力作用下，洞室兩側(cè)壁一次支護(hù)結(jié)構(gòu)中的鋼拱架及混凝土噴層發(fā)生變形，并侵入邊墻二襯混凝土斷面范圍內(nèi)。洞壁變形出現(xiàn)后，施工單位立即采取了相應(yīng)的處理和防護(hù)措施，恢復(fù)了鋼拱架底拱，重新施工了干硬性混凝土墊層，并對(duì)洞內(nèi)滲水進(jìn)行了外排，有效控制了收斂變形的進(jìn)一步發(fā)展，之后圍巖及一次支護(hù)體系變形已基本趨于穩(wěn)定。

根據(jù)施工單位統(tǒng)計(jì)，至2008年11月底，楊家坪隧洞已形成的變形情況如下：

(1)單側(cè)侵入邊墻二襯混凝土斷面小于5cm、邊墻二襯混凝土厚度大于30cm的洞段84m；

(2)單側(cè)侵入邊墻二襯混凝土斷面在5～10cm、邊墻二襯混凝土厚度25～30cm的洞段長(zhǎng)57m；

(3)單側(cè)侵入邊墻二襯混凝土斷面大于10cm、邊墻二襯混凝土厚度小于25cm的洞段長(zhǎng)206m。

上述洞段因一次支護(hù)結(jié)構(gòu)變形后側(cè)墻部位侵占了二次混凝土襯砌厚度范圍，必須采取相應(yīng)措施進(jìn)行處理方可進(jìn)行二次混凝土襯砌施工。

3 二次混凝土襯砌可行方案及計(jì)算參數(shù)分析

3.1 可行方案分析

考慮到本隧洞地質(zhì)條件的復(fù)雜性，如采取拆除并按原設(shè)計(jì)斷面重新恢復(fù)一次支護(hù)的措施，施工安全風(fēng)險(xiǎn)極大，不易采用；而按照現(xiàn)狀條件直接進(jìn)行二襯，則存在部分洞段襯砌后混凝土邊墻厚度達(dá)不到原設(shè)計(jì)厚度的問(wèn)題。

根據(jù)施工單位提供的監(jiān)測(cè)資料，受一次支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響，楊家坪隧洞部分洞段側(cè)墻二次混凝土襯砌結(jié)構(gòu)無(wú)法達(dá)到原設(shè)計(jì)厚度350mm；原設(shè)計(jì)底板襯砌厚度為400mm不受影響。為保證該段洞身設(shè)計(jì)過(guò)水能力不變，洞身凈斷面尺寸不能改變，則現(xiàn)狀條件下隧洞側(cè)墻二次襯砌厚度將小于原設(shè)計(jì)厚度。根據(jù)變形情況、隧洞斷面大小及類似工程襯砌厚度并結(jié)合SL 279—2016《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，雙層鋼筋混凝土襯砌厚度不宜小于300mm。因此，在滿足規(guī)范要求的前提下將側(cè)墻襯砌厚度減小為300mm是可行的方案，但需要進(jìn)行進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)復(fù)核計(jì)算，以便根據(jù)計(jì)算結(jié)果提出有針對(duì)性的處理措施。

3.2 復(fù)核計(jì)算工況及參數(shù)分析

根據(jù)前文分析，對(duì)于支護(hù)變形洞段，側(cè)頂拱混凝土襯砌厚度無(wú)法滿足原設(shè)計(jì)350mm厚度的要求，減為300mm；底板混凝土襯砌厚度仍為原設(shè)計(jì)400mm。襯砌厚度變化后，原計(jì)算條件下結(jié)構(gòu)安全將不能滿足要求，需對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算所采用的工況及參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析，研究圍巖土體物理力學(xué)指標(biāo)、內(nèi)外水壓力、圍巖壓力、回填灌漿壓力、混凝土標(biāo)號(hào)、鋼筋類型等各項(xiàng)參數(shù)取值的合理性及是否具有優(yōu)化調(diào)整的條件。

原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)計(jì)算采用桿系有限元法，共定義3種計(jì)算工況，分別為：運(yùn)行期組合工況、檢修期組合工況、施工期組合工況，經(jīng)計(jì)算施工期工況為控制工況，本次復(fù)核計(jì)算與原設(shè)計(jì)相同；原設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)已充分考慮了飽水土土體地質(zhì)性質(zhì)極差的特性，通過(guò)試驗(yàn)及類似工程經(jīng)驗(yàn)，確定飽水土天然容重20kN/m3，內(nèi)摩擦角19°，泊松比0.45，堅(jiān)固系數(shù)0.35，本次復(fù)核分析后認(rèn)為其取值合理；本段隧洞為無(wú)壓隧洞，運(yùn)行期內(nèi)水水頭3.342m，內(nèi)水不是主要控制荷載；根據(jù)地質(zhì)勘察成果，該段隧洞最大外水水頭約13m，計(jì)算中外水壓力折減系數(shù)采用規(guī)范規(guī)定的限值，運(yùn)行期折減系數(shù)取0.6，施工期考慮可采取相應(yīng)的施工排水措施，折減系數(shù)取0.2。分析認(rèn)為原設(shè)計(jì)計(jì)算采用的計(jì)算方法、工況組合及以上參數(shù)取值均是合理的，已無(wú)優(yōu)化調(diào)整的余地，本次復(fù)核計(jì)算繼續(xù)采用。

原計(jì)算圍巖壓力采用普氏法計(jì)算，將一次支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用作為安全儲(chǔ)備，全部荷載均由二次混凝土襯砌結(jié)構(gòu)承擔(dān)，圍巖壓力折減系數(shù)取值為1.0。由于楊家坪隧洞目前已貫通，根據(jù)目前支護(hù)的實(shí)際效果和施工單位提供的變形收斂數(shù)據(jù)，該洞段收斂變形已趨于穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)SL279—2016第8.1.3條及條文說(shuō)明，若支護(hù)結(jié)構(gòu)控制住變形，即洞周土體變形達(dá)到基本穩(wěn)定，可視具體情況適當(dāng)減少襯砌結(jié)構(gòu)承擔(dān)的土壓力。綜合分析后，本次復(fù)核計(jì)算圍巖壓力折減系數(shù)優(yōu)化調(diào)整為0.7。

根據(jù)規(guī)范及施工實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，土洞的回填灌漿宜采用低壓灌漿，一般小于0.2MPa，原設(shè)計(jì)按0.2MPa進(jìn)行控制，計(jì)算表明回填灌漿壓力是控制本隧洞二襯混凝土結(jié)構(gòu)及配筋的主要影響因素之一?？紤]到洞室周邊圍巖土體受重力水析出及含水率增高的原因，土體性質(zhì)發(fā)生惡化，過(guò)高的回填灌漿壓力會(huì)加劇土體惡化情況。因此，現(xiàn)狀條件下回填灌漿宜采用較低壓力充填一次支護(hù)與二次襯砌之間的空隙為主，綜合分析后確定回填灌漿壓力調(diào)整為0.1MPa。

原設(shè)計(jì)二次襯砌混凝土標(biāo)號(hào)為C20，鋼筋采用II級(jí)鋼筋，可考慮將混凝土標(biāo)號(hào)由C20提高至C30，鋼筋由II級(jí)提高至III級(jí)鋼筋，是否可行還需根據(jù)復(fù)核計(jì)算、材料采購(gòu)、生產(chǎn)條件及合同條件等方面的影響綜合分析后確定。

4 二次混凝土襯砌處理措施分析

4.1 結(jié)構(gòu)復(fù)核計(jì)算成果對(duì)比分析

原設(shè)計(jì)隧洞二次混凝土襯砌每米寬度頂拱內(nèi)側(cè)所配受拉鋼筋為5Φ18，鋼筋面積1272.5mm2；側(cè)墻中部?jī)?nèi)側(cè)所配受拉鋼筋為5Φ14，鋼筋面積769.5mm2；側(cè)墻低部外側(cè)所配受拉鋼筋為5Φ20+5Φ18，鋼筋面積2843.5mm2；底板上部所配受拉鋼筋為10Φ25，鋼筋面積4909mm2。根據(jù)3.2節(jié)分析確定的計(jì)算參數(shù)，以施工期為控制工況對(duì)側(cè)墻襯砌厚度減小為300mm的工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)復(fù)核，并與原設(shè)計(jì)配筋結(jié)果進(jìn)行比較，同時(shí)對(duì)提高混凝土標(biāo)號(hào)及鋼筋級(jí)別的工況進(jìn)行分析，主要分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 施工期工況結(jié)構(gòu)復(fù)核計(jì)算成果對(duì)比分析表

從上表計(jì)算成果對(duì)比分析可知，隧洞二次混凝土襯砌厚度在側(cè)墻由350mm減為300mm、底板厚度不變的情況下，通過(guò)對(duì)圍巖壓力折減系數(shù)、回填灌漿壓力等主要計(jì)算進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整后，針對(duì)兩種混凝土強(qiáng)度及兩種鋼筋類型，原設(shè)計(jì)頂拱、側(cè)墻中部及底板配筋成果均可滿足側(cè)墻厚度變化后結(jié)構(gòu)配筋要求，但側(cè)墻下部計(jì)算配筋面積均大于原設(shè)計(jì)成果，需對(duì)配筋進(jìn)行調(diào)整。在混凝土強(qiáng)度及鋼筋類型維持原設(shè)計(jì)的條件下，側(cè)墻下部配筋需由原設(shè)計(jì)5Φ20+5Φ18調(diào)整為10Φ22(配筋面積3801mm2)；單獨(dú)將混凝土強(qiáng)度提高至C30或?qū)摻铑愋吞岣咧罥II級(jí)鋼筋，受鋼筋直徑級(jí)差制約，側(cè)墻下部配筋也需調(diào)整為10Φ22；同時(shí)將混凝土強(qiáng)度提高至C30、鋼筋類型提高至III級(jí)鋼筋，側(cè)墻下部配筋調(diào)整為10Φ20可滿足要求(配筋面積3142mm2)。

在水利工程鋼筋混凝土構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通常的原則是高標(biāo)號(hào)混凝土配高強(qiáng)度鋼筋，對(duì)C20或C30混凝土而言，采用III級(jí)鋼筋，鋼筋的設(shè)計(jì)強(qiáng)度得不到充分發(fā)揮，受力效果增強(qiáng)并不明顯且造成了材料及投資浪費(fèi)。且調(diào)整混凝土標(biāo)號(hào)及鋼筋類型后，將出現(xiàn)與同標(biāo)段其他洞段施工參數(shù)不一致的問(wèn)題，加大了連續(xù)施工的難度；同時(shí)需重新進(jìn)行混凝土配合比試驗(yàn)，且支護(hù)變形洞段調(diào)整的III級(jí)鋼筋用量較小，材料采購(gòu)存在難度，將對(duì)施工工期、施工條件及合同條件帶來(lái)不利變化。因此，采用混凝土強(qiáng)度及鋼筋類型維持原設(shè)計(jì)不變，將側(cè)墻下部配筋進(jìn)行調(diào)整的方案最為可行。

4.2 針對(duì)性措施確定

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況、施工條件以及對(duì)可行方案結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)的分析及優(yōu)化調(diào)整，根據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)核分析計(jì)算成果，在最大限度確保施工及運(yùn)行安全的前提下，確定楊家坪隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)變形后二次混凝土襯砌處理措施為：

(1)如拆除已變形的鋼拱架，按原設(shè)計(jì)斷面重新恢復(fù)一次支護(hù)，施工安全風(fēng)險(xiǎn)極大，所以保留原一次支護(hù)中的鋼拱架，對(duì)于局部侵入二襯混凝土斷面的鋼拱架可直接澆筑于混凝土中，形成聯(lián)合受力體系。鑒于鋼拱架在一次支護(hù)中的重要作用，處理過(guò)程中禁止對(duì)其擾動(dòng)。

(2)在滿足規(guī)范規(guī)定的前提下，經(jīng)結(jié)構(gòu)復(fù)核計(jì)算，可將側(cè)墻襯砌厚度減小為不小于30cm，底板襯砌厚度不變。局部襯砌厚度不滿足要求時(shí)，對(duì)兩榀鋼拱架之間的邊墻混凝土噴層進(jìn)行適當(dāng)鑿除處理以確保襯砌厚度。

(3)為保證施工的連續(xù)性，原設(shè)計(jì)混凝土標(biāo)號(hào)(C20)和鋼筋類型(II級(jí)鋼筋)均不變，只需將側(cè)墻下部配筋由原設(shè)計(jì)5Φ20+5Φ18調(diào)整為10Φ22即可滿足計(jì)算參數(shù)優(yōu)化調(diào)整后的工況。

(4)后期回填灌漿施工時(shí)，將回填灌漿壓力控制在0.1MPa以下?；靥罟酀{前必須進(jìn)行準(zhǔn)確性較高的灌漿試驗(yàn)，合理確定灌漿參數(shù)，以保證灌漿質(zhì)量；

(5)因側(cè)墻二襯混凝土厚度已是規(guī)范規(guī)定的最小值，因此在施工中必須嚴(yán)格保證混凝土密實(shí)度及施工質(zhì)量的手段。

(6)處理過(guò)程中必須做好支護(hù)斷面的監(jiān)控量測(cè)工作，同時(shí)要加強(qiáng)排水。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)楊家坪隧洞一次支護(hù)變形的具體情況、隧洞地質(zhì)條件的復(fù)雜性及從施工安全角度出發(fā)無(wú)法拆除并重新恢復(fù)原一次支護(hù)的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，經(jīng)過(guò)對(duì)計(jì)算參數(shù)合理性的進(jìn)一步復(fù)核及優(yōu)化調(diào)整，對(duì)滿足規(guī)范要求的可行方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)復(fù)核計(jì)算，依據(jù)其計(jì)算成果，最終確定適當(dāng)減少側(cè)墻襯砌厚度、調(diào)整配筋并降低回填灌漿壓力的二次混凝土襯砌處理措施，符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，方案合理可行并保證了施工的連續(xù)性。根據(jù)確定的方案，工程于2010年實(shí)施完成隧洞二次混凝土襯砌，2014年開(kāi)始通水運(yùn)行。經(jīng)多年運(yùn)行實(shí)踐證明，隧洞二次襯砌混凝土結(jié)構(gòu)安全可靠，完全滿足設(shè)計(jì)要求。