引大入秦工程盘道岭隧洞病害分析及加固方案

2020-04-05

水利建设与管理 2020年1期

(甘肃省引大入秦工程管理局，甘肃兰州 730300)

1 工程概况

盘道岭隧洞是甘肃省引大入秦工程总干渠最长的无压隧洞，隧洞断面为圆拱直墙，仰拱底板。成洞尺寸4.2m×4.4m(宽×高)，设计水深2.92m，加大水深3.37m，隧洞最大埋深404m，隧洞全长15723.15m，盘道岭隧洞在软～极软岩地层和少量的第四系地层通过，地层岩性复杂，地质条件较差。围岩主要为第三系沉积砂岩、含砂砾石、泥质砂岩、砂质泥岩。岩石柔软、贫弱或未固化，遇水软化和崩解。隧洞位于湟水河一级支流苦水沟、大通河和庄浪河的分水岭地带。隧洞采用新奥法施工，由于围岩软弱破碎，地下水出露较大，在施工过程中，发生了较大的变形和塌缩。

2 盘道岭隧洞工程地质条件

盘道岭隧洞位于黄土中低山区黄土覆盖侵蚀剥蚀构造中，第四纪地层广泛分布于大沙沟至黑台沟段，古近系和白垩系地层以孢粉状暴露，基岩大多从黑台沟裸露至隧洞出口段。由于该地区气候干燥，植被稀疏，第四纪黄土分布广泛，沟底积累了大量松散的沉积物。地形的坡度很大，所有通道都具有产生黏性泥石流的条件。

隧洞穿越地层主要为上第三系咸水河组软—极软地层，其次为下白垩统河口组软—中硬地层和少量第四纪地层。隧洞周围的岩石长度为2985m，占溶洞长度的18.99%，上层三级地层长度为12234.65m，占溶洞长度的77.81%；上三级体系与白垩纪体系之间的非整体接触带长度为297.5m，占孔长的1.89%，第四纪地层长度为206m，占洞穴长度的1.31%。根据施工地质测井资料及《锚杆喷射混凝土支护技术规范》(GBJ 86—1985)的分类原则，隧洞围岩分类结果为：Ⅲ类围岩、Ⅳ类围岩长度为3，122.33m，Ⅴ类围岩长度为9418.67m。

隧洞开挖后，多数部位无地下水，有地下水分布段总长4299.65m，占洞长的27.35%，地下水硫酸根离子含量在3332～6878mg/L之间，对普通混凝土和钢结构有腐蚀性破坏。另外，施工开挖中，沿断裂破碎带和疏松砂岩或含砾砂岩、泥质砂岩段的围岩中往往有较大的地下水涌出，易发生流砂突泥事故。

3 盘道岭隧洞存在的问题分析

a.盘道岭隧洞围岩由软～极软岩组成，岩体强度较低～极低，据施工地质编录统计，岩体质量坏～极坏类占89.4%，具塑性流变特征岩体占33.6%，因而隧洞的圆拱直墙平底(或反拱)断面形状与围岩的变形特征是不相适应的，部分洞段锚杆长度不够。

b.对于盘道岭隧洞大量涌水的围岩洞段,由于涌水会产生流沙现象的围岩洞段，极为破碎、锚杆钻孔安装都极为困难的围岩洞段，开挖面完全不能自稳的围岩洞段，在施工中易造成洞身冒顶、塌方事故，施工单位在处理冒顶、塌方事故时，措施偏于简单，给工程运行留下隐患。

c.盘道岭隧洞二次衬砌混凝土多为素混凝土。经过多年的地下水腐蚀、冲刷等，二次衬砌混凝土抵抗围岩变形的能力和强度均有所下降。素衬段也是现洞内裂缝多发段。

d.盘道岭隧洞洞内大量渗水，水质对普通混凝土具有结晶类硫酸盐型强腐蚀性，这样的排泄，对洞周地质条件可能带来危害和影响。在停水期若地下水流出洞外，会对洞下游用普通混凝土衬砌的明洞、明渠段产生侵蚀。

e.盘道岭隧洞洞内原有的永久排水孔，部分已堵塞；洞内原武汉岩土所、南京水科院、成都水电岩土工程技术开发服务中心在洞内所埋设的观测设备2003年已损坏，洞顶光缆多已腐烂、断裂；洞内原除险加固的五榀矩形钢拱架未拆除，现已锈迹斑斑(见图1)。

图1 曾经除险加固段

4 盘道岭隧洞裂缝监测及除险加固情况

盘道岭隧洞二次衬砌混凝土在施工期及运行期，均发现了不同程度的纵斜向裂缝及环向裂缝，给隧洞长期运行安全造成影响。为此，在1991—1993年期间开展了四次裂缝调查，每次考查后均对二次衬砌混凝土裂痕缘由进行了剖析，综合原因主要有：地质条件复杂的问题、隧洞断面型式的效果、新奥法施工中存在的问题。

1994—1995年，甘肃省引大入秦工程管理局根据《盘道岭隧洞运行期原位监测设计报告》《引大入秦灌溉工程总干渠盘道岭隧洞遗留工程技施设计报告》，完成了盘道岭隧洞原位监测和加固处理。处理措施分为对围岩及衬砌的加固与裂缝本身的修补两方面。之后的几年都在对裂缝进行观测。

5 盘道岭隧洞目前工程现状

1994年总干渠正式通水运行，盘洞的水流一直持续到现在。经过几次大型加固后，洞内仍存在许多安全隐患：例如，侧墙和拱门出现新的裂缝,原裂缝有发展的趋势(见图2);部分洞段有地下水渗出(见图3)，个别洞段地下水成股状流出(见图4),并伴有白色沉淀物析出物(见图5～图6)，伴随着白色沉淀，洞的底部、侧壁和拱顶被腐蚀并剥落。关键危险地段长2756.6m，有四个部分：

图2 侧墙股状水流

图3 侧墙纵缝贯通、伴有析出物

图4 隧洞洞壁渗水

图5 隧洞底板裂缝

图6 侧墙破裂为多片

a. 77+833-79+097段，长1264m。隧洞岩性为上第三系粉砂岩、砂质泥岩、泥质砂岩、砂砾岩等。结构类型以分层结构和破碎结构为主，地下水暴露，在目前的情况下，纵向斜裂缝密集，渗流大，沉淀物多，裂纹仍处于略微变化的状态。

b. 79+435-79+475段，长40m，由上第三系粉砂岩、泥质砂岩、砂质泥岩、砂岩、砂砾岩、砾质砂岩组成。结构类型以分层结构和破碎结构为主，地下水暴露。目前隧洞左侧和右侧的纵向斜裂缝密集，处理后大部分裂缝渗漏量大，有许多沉淀物，右直墙衬砌混凝土在隧洞内侧出现隆起现象。

c. 385+091～85+113.6段，长22.6m，隧洞岩性为上第三系砂岩、卵石砂岩、泥质砂岩和砂质泥岩。385+091～85+113.6段，长22.6m，隧洞岩性为上第三系砂岩、卵石砂岩、泥质砂岩和砂质泥岩。1994年对该段裂缝进行处理加固后，2000—2009年连续观测后，裂缝一直处于略有变化的状态。

d. 90+070-91+500段，长1430m，隧洞岩性为白垩系砂岩、碎石砂岩、泥质砂岩、砂质泥岩、细砂岩、砂质黏土岩。它们大多是泥浆颗粒的接触黏结(或胶结)。局部为泥质钙质胶结，强度低，遇水易软化、崩解。结构类型主要为分层结构，地下水外露。一些洞穴部分在1996年和1999年没有得到加强(例如90+140～90+265段和91+365～91+500段)。顶拱倾斜裂隙密集分布，地下水渗漏，白色沉淀。侧壁纵、斜裂缝处于轻微变化状态。一般观测洞段：79+097～79+435，长338m；79+475～79+779，长304m，全长642m。纵向偏差对裂纹的影响较小，裂缝的含水量小于孔洞的含水量。

6 工程加固改造设计的原则及主要内容

2012年11月30日，甘肃省发改委批准了《兰州新区供水工程加固工程实施方案》。工程的建设任务是加固主干渠和两条干渠及部分建筑，提高主干渠和两条干渠工程的安全运行，提高供水保障率，为兰州新区的开发建设提供稳定可靠的供水。为解决重大安全隐患,这次除险加固将盘道岭隧洞存在较大安全隐患的洞段列入除险加固建设内容。

本次加固在尽可能小地占用隧洞过流断面的前提下，现浇C30钢筋混凝土衬砌加固方案，衬砌内部为马蹄形，截面尺寸为3.7m×3.9m(宽×高)，顶圆弧半径为1.85m，侧壁圆弧半径为5.55m，底板圆弧半径为5.55m。最小衬里厚度为0.25m。在严重开裂的地段安装直径25mm、长度6m、间距1.5m，梅花状排列的随机螺栓。排距3.0m的回填式灌浆孔和屋顶拱120°范围内的梅花状排列；孔顶和侧壁设置深8.0m的实心固结灌浆孔，排距3.0m，梅花状排列。将φ50排水孔随机布置在洞室设计水位之上。

加固过程中要特别进行锚杆注浆加固处理和钢拱架加固衬砌，同时加强防渗处理，进行回填、固结灌浆或接触灌浆，尤其要注重灌浆质量。对洞内裂缝，特别是纵环向裂缝和浇筑仓接缝等进行处理，并采取防渗、防腐蚀措施；对底板鼓起变形，因冲刷、冻胀等引起的底板凹坑、混凝土护面破损段及侧墙、拱顶混凝土剥落、掉块洞段进行加固处理，并采取防冻胀、防渗、防腐蚀措施；疏通原排水孔，加强、完善排水设施。

兰州新区供水工程引水渠加固工程原设计方案是在临水面粘贴塑料板降低糙率，在施工过程中，考虑到迎水面粘贴塑料板护壁降糙施工难度大，且目前粘贴材料无法保证塑料板与洞壁粘贴牢固，难以达到设计降糙的目的，故隧洞加固采用钢模台车浇筑混凝土，并严格控制施工质量，确保迎水面具有良好的光洁度，尽量满足过流能力要求。盘道岭隧洞原断面见图7，加固后断面见图8。