公路引水隧洞关键技术研究

2010-07-30李钰玺

山西建筑 2010年9期

李钰玺

1 概述

拟建项目位于地形地质极为复杂的山区,桥隧比例高,隧道弃渣、桥梁施工开挖基坑及清除危石弃渣量达到310万m3。为了保证主线线形顺畅,满足规范要求,保证河道的正常泄洪,设置合理的隧道弃渣场,保护脆弱的生态环境,根据沿线河道、山体分布情况,在沿线河道转弯山体处设置引水隧洞,原河道利用隧道弃渣填平作为弃渣场,前期可作为主线桥梁预制场地,后期可造地还田,该段落通过设置6个引水隧洞,同时还可进一步改善高速公路主线线形,减少桥梁、隧道等大型构造物的设置,打造安全、环保、舒适、和谐的生态公路。

2 隧址区基础资料

1)地形地貌:沿线地形复杂,山陡沟深,洛塘河、大团鱼河沟道狭窄,沟谷深切呈“V”字形,沟道底最宽处有 80 m左右,最窄处仅有20 m左右,公路建设条件艰难。

2)地质:隧址区揭露的地层主要为第四系坡积碎石土(Qdl4)以及下古生界碧口群石英片岩夹砂质板岩(PZ1bk13)。

3 面临的关键技术问题

1)隧洞水文、水力计算难度大和方法复杂,断面确定困难;

2)引水隧洞净空断面大,结构安全要求高;

3)隧洞进出口处理和消能防冲刷要求高。

4 隧洞断面形式选择与尺寸拟定

4.1 水文计算

对于山区公路引水隧洞,河道改移之后隧洞断面有限,它们所面临的威胁不在于调蓄功能,主要在于其对河流洪峰流量的抵御。水文计算采用形态调查法和暴雨推理公式计算方法实现。

4.2 断面形式的定性选择和尺寸拟定

断面形式的选择主要考虑断面的受力性能和过水的顺畅程度。断面形状直接影响隧道结构的形状,对于大断面隧洞,其开挖断面大、受力不利,导致其结构设计风险增大、施工工序较多、工法复杂,受力合理的隧洞断面形状对改善隧洞的受力有很大帮助。

尺寸拟定主要考虑过流能力和隧洞的高宽比。考虑隧洞正常情况(不考虑紧急情况)过流能力时,1/100(百年一遇)流量过流按洞顶以下1 m考虑,1/300(三百年一遇)流量过流允许隧洞有短暂壅水。由于隧址区以板岩为主,其水平地应力较小,采用高宽比为2左右,可以增大隧洞的过流能力。断面形式及尺寸拟定比较见表1,方案2断面形式及尺寸见图1。

表1 断面形式及尺寸拟定比较表

方案2和方案3均为马蹄形断面,其受力性能要优于方案1的直墙圆拱形断面,其中方案2在受力和水力特性初步判定上又优于其他方案,过水能力也强于其他方案,其圆弧底更接近于河道的自然断面,更有利于与河道的衔接,并能降低水流对隧洞结构的构造冲刷,因此引水隧洞断面选择方案2。

4.3 水力验算

引水隧洞水力计算步骤如下:1)长短洞判别;2)隧洞底坡陡缓的判别;3)根据设计流量求出洞内正常水深和临界水深;4)洞内水面线;5)判断断面是否合适。

5 大断面引水隧洞结构设计

根据水文水力的要求,采用了方案1断面,该断面开挖宽度和高度较大,结合公路隧道的设计经验,对引水隧洞的设计采取经验类比与数值分析相结合的方法,首先根据经验按新奥法和矿山法拟定衬砌支护参数,然后采取理论计算的方法验算结构是否满足结构安全要求。

1)根据经验按新奥法和矿山法拟定衬砌支护参数(见表2)。

表2 隧道结构设计隧道复合式衬砌支护参数表

2)采取理论计算的方法验算结构是否满足结构安全要求。

按照经验类比选定的支护参数对结构进行模拟检验,计算模型水平宽度70 m,垂直高度80 m,覆盖层50 m;围岩采用平面单元模拟,喷混凝土及二次衬砌采用梁单元模拟,锚杆采用植入式桁架单元模拟,钢拱架及导洞临时支护采用梁单元模拟;边界约束为:左、右边界水平约束,下部边界垂直约束,上部边界自由;模型总共1 724个单元;计算荷载仅考虑岩土体自重及开挖释放荷载。

隧洞施工分为四个阶段:1)上台阶开挖并预留核心土,完成初期支护,应力释放按40%考虑;2)核心土开挖应力释放按10%考虑;3)下台阶开挖及初期支护,应力释放按35%考虑;4)二衬施作,应力释放为15%。

下部围岩开挖初支后及二衬完成后竖向应力图见图2,图3。相关参数见表3。

经过对隧洞支护、结构、围岩以及施工顺序进行分析可以知道,隧洞衬砌结构位移在容许范围内,结构安全可靠,选取的参数可以使用。

表3 隧洞相关参数结果表

6 隧洞进出口处理和消能防冲刷要求高

1)结合隧洞进出口的地形、地质、水力特性,在隧洞洞门处理上主要采用少量开挖、直接贴壁进洞,在洞口边仰坡坡面设计水位范围内采取喷锚防护以达到防冲刷、抗风化的效果。2)在弃土场顶部设置溢洪道,溢洪道底标高比导水隧洞洞顶标高低1.5 m,作为洪水的紧急输送通道,确保导水隧洞始终处于无压力工作状态。3)通过计算出口消能措施的选择,通过对底流式、挑流式、面流式、人工加糙、跌水等处理方法进行比较,因地制宜的选择消能措施,对进出口均设置抑水墙。