盘道岭隧洞除险加固工程实施效果评析

【摘要】已建工程病险问题除险加固是确保工程安全运行、延长工程使用寿命的重要工程措施。病险工程除险加固首要任务分析清楚病险问题产生的原因，针对性提出解决问题的设计方案，及时组织施工消除安全隐患。

【关键词】除险加固；效果；评析

一、盘道岭隧洞除险加固工程概况

盘道岭隧洞长15.728km，设计断面为城门洞型反拱直墙断面，净宽4.2m，净高4.4m，设计流量为29 m3/s，加大流量为34 m3/s，纵坡I=1/1000，洞身砼衬砌糙率系数N=0.015。洞身为复合式衬砌型式，一次支护衬砌采用锚杆、钢筋网和钢拱架喷C20砼厚0.1-0.15m，二次衬砌支护采用C20素砼浇筑。盘道岭隧洞是在软～极软岩地层和少量的第四系地层通过，其地层岩性复杂，地质条件恶劣。通水运行22年来，几经大的加固处理，洞内仍多处存在安全隐患：如多处洞身侧墙和拱顶衬砌砼裂缝、鼓胀变形，不断有新裂缝产生，原裂缝有发展变化趋势；部分洞段地下水伴有白色析出物渗出；洞底、侧墙及拱顶有砼腐蚀剥落现象。根据2010年3月管理局与省水利科学研究院对隧洞砼裂缝进行的调查结果，其主要病险段长2756.6m，一般病险段长642m，普查观测洞段长11378.4m，无裂缝洞段长946.154m。主要病险地段是洞身裂缝纵横交错、裂缝错位、宽度大，渗水量严重，影响工程安全运行。除险加固病险段桩号为64+482.68～66+554.68、71+740.68～71+923.68、76+719.68～78+309.68三段共长3845m。

二、设计优化方案选择

本次设计初步考虑三种加固维修方案，分述如下：

方案一（现浇C30钢筋砼套衬方案）：该方案设计在尽可能小的占用隧洞过流断面的前提下，现浇C30钢筋砼衬砌加固方案，衬砌内断面型式为马蹄形，厚度为0.25m。在裂缝严重段设随机锚杆，锚杆直径φ25，长6m，排拒1.5m，梅花型布置；洞顶拱120?范围内布设回填灌浆孔，排距3.0m，梅花型布置；洞顶和侧墙布设深8.0m固结灌浆孔，排距3.0m，梅花型布置。在洞内迎水面为降低糙率、满足过流要求，采用塑料板护壁。洞身设计水位以上随机布设φ50排水孔，排拒3.0m。

方案二（钢拱架+锚杆加固方案）：根据盘道岭隧洞现状存在的问题， 该加固方案设计在尽可能小的占用隧洞过流断面的前提下，采用钢拱架结合锚杆加固处理方案， 系统锚杆采用直径φ25，长6m，间距3m，梅花型布置， 隧洞底部拱脚处布设拱架锁脚锚杆（与拱架同间距，0.5m）。钢拱架（I18工字钢）的布设在二次衬砌砼结构表面，在洞内迎水面为降低糙率、满足过流要求，采用厚8mm钢板护壁，钢板背部浇筑C25自密实砼，厚度为18cm。洞顶拱120?范围内布设回填灌浆孔，间距3.0m，梅花型布置；洞顶和侧墙布设深8.0m固结灌浆孔，间距3.0m，梅花型布置。洞身设计水位以上随机布设φ50排水孔，排距3.0m。

方案三（病险洞段绕线方案）：由于盘道岭隧洞破损段不连续，重点病线段主要集中在1#斜井～2#斜井、7#斜井～洞出口段，1#、2#、7#斜井出口均位于盘洞左侧，该方案需利用原来的斜井在盘洞左侧平行新建两段隧洞，替换现状盘洞重点病险段。根据地形条件，在地形图上量测得1#斜井～2#斜井段绕线新建洞身长度为1.45km，7#斜井～洞出口段绕线新建洞身长度为2.3km。综合分析三种加固方案，各方案的优缺点如下：

方案一：主要优点是除险加固方案比较常规；施工相对较简单，工期容易保证。主要缺点是套衬断面最小衬砌厚度为0.25m，隧洞过流断面缩小，需在洞壁采取减糙措施。方案二：主要优点是隧洞过流断面面积相对较大，内衬钢板可以当做砼浇筑的模板，避免了砼浇筑时的临时支护。主要缺点内衬钢板距原洞壁仅18cm，焊接困难；内衬钢板需要防腐。方案三：主要优点是隧洞施工可以连续进行，不受灌溉期供水影响，施工干扰小。主要缺点新建隧洞不可预见的因素较多，施工难度较难预测，需做一定的地质勘查工作进一步论证可行性。

综上所述，三种加固维修方案均可行，但从施工难度、工期、风险因素等方面综合考虑，方案三需要做一定的地质勘查工作做技术支撑。方案一、方案二是在原洞身内除险加固，原洞段地質情况、支护、衬砌情况比较清楚，除险加固方案可靠性大，所以，本次设计重点将方案一和方案二作为主选方案进行技术、经济方面比较。

经比较：方案一施工相对较简单，工期短，建筑工程投资低，在套衬断面减糙（n=0.012）的情况下，可以满足隧洞过流要求。方案二较方案一难度大，内衬钢板焊接难度较大，进度慢，工期长，建筑工程投资高（方案二每公里投资比方案一高292.57万元）。综合考虑分析，本次设计推荐方案一为盘道岭隧洞除险加固方案。

三、施工管理效果显著

盘道岭隧洞除险加固工程三段总长3845m，加固断面型式为马蹄型，断面尺寸3.7×3.9m（宽×高），衬砌混凝土为现浇C30（抗酸、抗冻F200、抗渗W4），δ=25CM。混凝土工程量15146 m3，钢筋制安1963t。划分为两个施工标段，分别由两家施工单位中标承建，隧洞进、出口方向设两个施工断面。

（一）现场施工的难度分析

1、施工空间比较狭窄。施工作业场地均在隧洞内，侧墙、拱顶混凝土浇筑以20米为单元，采用2台轨道行走全自动液压模板台车流水作业。混凝土拌合场地设在洞外，由混凝土罐车从拌合场地运输到浇筑现场，混凝土泵送入仓，平均运输距离为2.5km，施工车辆洞内无法掉头，只能倒进顺出。现场作业环境狭窄，洞内渗水较多，环境潮湿，机械设备倒转存放、人员进出不便，施工进度受现场各种因素制约，无法加快。

2、施工合同工期为2013年9月20日至2015年12月31日，有效施工时段均为灌溉停水期。其中秋季8月10日至9月30日50天，冬春季为11月15日至次年3月25日，有效施工天数为130天。灌溉停水期结束前，按要求及时撤出施工设备，通水运行。施工连续性较差，混凝土工程质量控制难度较大，冬季混凝土拌合工程需采取严格保温措施。

（二）施工进度控制

施工开始后，由于施工单位管理人员缺少类似工程施工经验，对施工难度估计不足，施工准备不充分，导致混凝土工程开工后，施工工序错乱，先后衔接不顺，机械设备故障频出。冬春季130天施工期，实际完成200m，和计划施工进度相差600m。施工进度严重滞后。针对施工过程中出现的困难和问题，建设方、施工单位、监理单位认真分析施工过程，分解施工段，确定采用流水施工组织方法控制施工进度。

流水施工组织作业法进度控制计划编制

将隧洞加固工程分解为6个施工过程，按施工过程成立相应工作队，各工作队按施工过程顺序依次完成施工任务，施工在施工过程上连续、均衡地进行，是相应专业工作对间最大限度地实现搭接施工。

1.1 施工过程顺序分解。刨毛→排水防渗→钢筋绑扎→钢模台车就位校正→混凝土浇筑→拆模养护。

1.2流水施工组织形式及步距的确定。盘道岭隧洞除险加固工程进度控制经过施工劳力调整分配，进度计划控制采用了等节奏流水施工。

1.3将隧洞混凝土浇筑施工过程流水线进度安排画成横道图。

1.4把多条流水线搭接起来，成为初步进度计划。搭接方法与确定流水步距相同，只是把各相邻流水线，在前施工的最后一个队组与在后施工流水线的最先施工队组搭接即可，各流水线内各队组相对间隔时间不变。

1.5调整进度计划。检查进度计划是否符合工期要求，如果不符合则要进行调整，可以通过加强关键线路上施工投入来缩短工期。

盘道岭隧洞除险加固项目按照流水施工编制了施工进度总计划，总进度计划按照合同工期控制；按年度编制进度年度计划；并编制了秋季停水期50天施工进度计划和冬季停水期130天施工进度计划。

施工进度计划监测依据编制的施工计划进度和每天实际施工进度记录的进行对照检查，找出进度计划和实际进度偏差，对进度偏差时间较小的工序适当的增加专业施工队劳力和機械设备，尽量调整到进度计划控制的进度时间。由于施工进度监测期间，随着施工工艺的熟练，实际施工过程各专业队施工进度均有进步，不断压缩施工时间，施工进度计划均提前完成，总的施工实际进度超计划进度15天完成。

（三）施工质量控制

施工质量控制是施工管理的重点工作。盘道岭隧洞除险加固工程施工质量控制的核心工作是C30钢筋混凝土衬砌施工浇筑质量，从设计到施工阶段建设单位进行了全过程、全方位、全天候的质量控制。

1.施工设计阶段设计单位认真分析盘道岭隧洞衬砌混凝土受破坏的原因，结合混凝土工程的生产使用特殊环境，从混凝土抗压、抗剪、抗拉、抗酸、抗冻、抗渗等指标方面，反复计算校核，选择了抗压强度为C30钢筋混凝土，抗酸、抗冻为F200，抗渗W4，δ=25CM的混凝土设计指标。

2.混凝土工程开工前，在监理人员的监督下，施工单位将混凝土拌合所采购的水泥、砂石骨料、外加剂等材料送到省水科所水工实验室进行材料合格检验和施工用配合比确定。施工过程中监理人严格按照实验室确定的配合比监督执行，对进场水泥、砂石料进行严格检查，严格执行不同批次和数量进行送检的规范要求，合格后方可使用，检验不合格材料及时清理出场地。

3.严格控制混凝土拌合、运输、入仓操作等施工工序。

在隧洞进、口设置两座混凝土拌合站，分别配置1台JS500双卧轴强制式拌和机，1台3斗HPD-800自动配料机，1台200T散装水泥储罐，1台ZL50D装载机后台上料，2台6m3混凝土搅拌运输车辆，配备一台HB40柴油混凝土输送泵。混凝土工程拌合上料配比称重全部实行自动化控制，混凝土运输由2台搅拌运输车辆轮流运输至浇筑面，配合输送泵快速入仓。混凝土运输期间罐车保持搅拌筒转动，有效防止混凝土运输过程中产生凝固现象和污染。

4.混凝土衬砌浇筑模板均采用钢模台车，保证了浇筑质量。洞身顶拱混凝土浇筑模板，按照浇筑尺寸在中铁二十局定制加工4台钢模台车，模板采用8mm钢板加工成型后，现场焊接拼制，以电机驱动行走机构带动台车行，利用液压油缸和螺旋千斤顶调整模板到位及收模。通过台车的移位→模板到位→混凝土浇筑→收模→养护，完成一段混凝土浇筑的施工过程。钢模台车具有结构可靠、操作方便、移动速度快、隧洞成型面光滑等优点，钢模台车衬砌时混凝土大面积衬砌成型，减少了小型模板施工时模板接缝空隙对壁面糙率的影响；表面经抛光处理，相对糙度较低，大大减小了混凝土表面的蜂窝麻面、微小凹凸物，使混凝土表面光滑、糙率减小。

施工质量控制从审查施工单位质量管理体系是否健全有效，严把施工材料进场检验关口，监督 “三检制”交接班制度执行，严格规范施工工序，监理单位落实旁站、巡视、平行检验等制度，施工质量得到有效控制。

四、混凝土浇筑面渗漏水处理

隧洞洞身、拱顶混凝土浇筑面地下水从缝隙不断渗水，混凝土浇筑时，内部渗水在混凝土洞身形成渗水通道，致使混凝土终凝后形成裂缝。未解决混凝土浇筑面渗水，采取了深孔集流引排（导流）和表面双模盲沟引渗水的工程措施，取的了良好的效果。

1. 深孔集流引排（导流）：在施工段洞内视地下水出水部位分别在洞顶、拱肩、洞壁设深孔集流引排设施，首先选适当位置造孔，孔深6米、孔径42mm，而后用土工布将Φ32聚乙烯花管包裹并用铁丝缠绕置入孔内，并在洞壁临界接触面将花管周边用防水材料封堵，用同型号聚乙烯弯头将花管与引水管连接，固定后沿洞壁至洞底面，接弯头伸向二次浇筑层外用来排水。

2. 双模盲沟网引排渗水：为防止洞壁渗水进入混凝土浇筑仓内，在洞身渗水面安放双模盲沟网，外护1mm镀锌铁皮，用射钉枪将钢钉打入洞壁混凝土固定，将渗水引入钢模台车底部缝隙处排出。

五、盘道岭隧洞除险加固工程实施效果评价

1.有效解决隧洞存在的主要病险问题，保证了工程安全运行

盤道岭隧洞除险加固段工程在设计阶段对加固方案进行了优化筛选，将加固段隧洞城门洞反拱直墙断面型式改建为马蹄形断面型式，混凝土衬砌洞身承压得到加强，特别是洞身穿越软岩-极软岩地质构造，增强了洞身的承压力，防止外力对洞身破坏。经过三年的运行观测，加固段衬砌混凝土洞身结构未产生裂缝等破坏情况，除险加固项目设计方案优选比较成功，消除了隧洞安全隐患，达到项目建设预期目的。

2.混凝土工程施工工艺先进，质量控制效果显著，节省了施工工序，节约了预算投资

混凝土衬砌工程模板全部采用钢模台车，衬砌时混凝土大面积衬砌成型，减少了小型模板施工时模板接缝空隙对壁面糙率的影响；表面经抛光处理，相对糙度较低，大大减小了混凝土表面的蜂窝麻面、微小凹凸物，使混凝土表面光滑、糙率减小。2015年10月至2016年10月，总干渠管理处对盘道岭隧洞除险加固段进行了糙率原型值观测，隧洞进口CH64+482.68-66+554.68已加固中间段为0.01116、隧洞出口CH76+719.68-78+309.68已加固中间段为0.01052。实际输水工程总是存在弯道、断面变化以及渠系建筑物等阻水因素，工程设计为保证安全，应将壁面粗糙度、断面几何形状、弯道、渐变段、渠系建筑物、渠道淤积物、施工质量、使用年限、养护条件等因素归并到糙率中考虑，这时的糙率系数为综合糙率。在结合试验结果并综合考虑上述因素的前提下，省水科所根据试验结果推荐糙率取值为0.0112，并以此糙率计算分析盘道岭隧道加固段过流能力。

盘道岭隧洞除险加固工程原设计中利用粘贴塑料板护壁来减少糙率（n=0.012），以该种方法达到隧洞断面减小，但不影响过流能力的效果。粘贴塑料板护壁预算投资1195.62万元，经除险加固后未粘贴塑料板护壁洞段的糙率原型观测和过流能力分析，糙率原型观测值为0.01116、0.01052，小于原设计粘贴塑料板护壁后的设计值。在先进的钢模台车施工条件下，混凝土避免糙率大幅减小，隧洞过流能力明显提高的前提下，可不再实施粘贴塑料板护壁的措施，减少工程投资1195.62万元。

参考文献：

[1]盘道岭隧洞过流能力观测分析研究

作者简介：吕青春，（1974.09--），男， 汉族，甘肃永登人 ，专科工程师，甘肃省引大入秦工程管理局，研究方向，水利工程管理。