齐家大岘引水隧洞施工支洞布设方案研究

张玉仁

(甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730000)

1 工程概况

甘肃中部生态移民扶贫开发供水工程位于甘肃省白银市靖远县、平川区与宁夏回族自治区海源县、中卫四县(市)区接壤地带，属温带荒漠区。骨干工程主要建设内容为总干渠、干渠(分干渠)、支渠及供水管线和调蓄水池工程，其中总干渠1条，长28.684 km；干渠3条，长108.426 km；分干渠4条，长43.318 km；支干渠1条长5.4 km；支渠29条总长126.343 km；调蓄水池3座。本工程渠首取水泵站均处于黄河干流兰州至黑山峡河段间，该河段已建工程有柴家峡电站、小峡水电站、大峡水电站、乌金峡水电站、五佛水电站。本工程拟发展灌溉面积30万亩，全部采用高效节水灌溉，其中管灌配套7.05万亩，大田微灌配套21.75万亩，温室微灌配套1.20万亩。该项目为输水渠(管)线线性工程，主要建筑物为管道、隧洞、调蓄水池、渠道、倒虹吸、管桥、渡槽等，管(渠)道、倒虹吸、渡槽等建筑物施工强度及难度不大，对工程进度不起控制作用。隧洞工程主要由施工断面控制，多属特小断面，作业空间狭小，物料运输强度受限，施工进尺缓慢，其施工方案选择为研究重点。

2 隧洞施工特性

本工程隧洞总计共24座，其中总干渠所属渠系7座，全长约11.35km。东干渠所属渠系10座，全长约14.811km。北干渠所属渠系6座，全长约4.692km。南干渠所属渠系1座，全长约2.0km。超过3km的长隧洞共3座，分别为总干渠5#隧洞(3.246km)、总干渠7#隧洞(5.913km)、东干渠8#隧洞(3.591km)，结合地形地质条件及施工条件，总干渠7#隧洞拟采用增设施工支洞，长洞短打、多工作面同时作业的施工方案，总干5#隧洞和东干渠8#隧洞采用进、出口工作面同时相向作业的施工方案。本文主要以总干渠7#隧洞(齐家大岘隧洞)为研究对象，对其施工方案展开论述。

齐家大岘隧洞断面型式为城门洞型式和三心圆拱型断面，衬砌结构型式为现浇钢筋砼衬砌，主要采用施工断面控制，二衬后净断面尺寸为1.6m×1.9m(B×H)。根据出渣方式、出渣强度和运输设备，设计主洞出渣方式分无轨出渣和有轨出渣两种。有轨出渣方式主要集中于总干7#隧洞3处斜井所控制的洞段，总干7#隧洞进出口及其他干渠隧洞出渣方式采用无轨出渣方式。有轨出渣洞段主洞内每间隔470m设置一处错车道，设计错车道长度20m、横断面尺寸为B×H=3.8m×3.668m；无轨出渣洞段规划每间隔224m设置一处错车道，设计错车道长度20m、横断面尺寸B×H=4.2m×3.868m。主洞错车道布置断面示意图如图1所示。

图1 主洞错车道布置断面示意图

本工程需布设施工支洞长隧洞1条，为总干7#齐家大岘隧洞，该隧洞在可研阶段对利用已完建齐家大岘隧洞施工支洞方案和新建施工支洞方案在工期和技术经济方面进行了分析论证，最终选定了利用已完建齐家大岘隧洞施工支洞方案。原齐家大岘隧洞施工支洞关键参数见表1。

表1 原齐家大岘隧洞施工支洞关键参数

1#施工支洞洞身段采用三心圆拱型断面，量测断面尺寸B×H=2.8m×3.0m；主支洞交叉处有约20m长现浇钢筋砼二次衬砌加固洞段，断面形式为城门洞型，量测断面尺寸B×H=2.8m×3.0m；洞身拱架采用I12工字钢，低拱封闭，拱架间距约为1m。全洞段无地下水溢出，洞身未发现明显变形，洞底板无鼓起或塌陷，顶拱侧墙无掉块，坍塌；采用地质锤随机敲击侧墙，未出现侧墙破碎掉块现象，支洞洞身一次支护整体状况良好；洞身存在的主要问题为洞身喷砼裂缝及部分洞段拱架表面裸露、锈蚀，量测裂缝宽度约1～2mm，如图2(a)所示。

2#施工支洞进口处设置有约20m长加强洞段，加强段采用城门洞型断面，量测断面尺寸B×H=2.2m×2.43m，洞身段采用三心圆拱型断面，量测断面尺寸B×H=2.8m×3.0m；洞身拱架采用I12工字钢，低拱封闭，拱架间距约为1m。全洞段无地下水溢出，洞身未发现明显变形，洞底板无鼓起或塌陷，顶拱侧墙无掉块，坍塌；采用地质锤随机敲击侧墙，未出现侧墙破碎掉块现象，支洞洞身一次支护整体情况良好；洞身存在的主要问题为洞身喷砼裂缝及部分洞段拱架表面裸露、锈蚀，量测裂缝宽度约1～2mm，如图2(b)所示。

3#施工支洞进口处设置有约20m长加强洞段，全洞身段采用三心圆拱型断面，量测断面尺寸B×H=2.7m×3.0m；洞身拱架采用I12工字钢，低拱封闭，拱架间距约为1m。全洞段无地下水溢出，洞身未发现明显变形，洞底板无鼓起或塌陷，顶拱侧墙无掉块，坍塌；采用地质锤随机敲击侧墙，未出现侧墙破碎掉块现象，支洞洞身一次支护整体情况良好；洞身存在的主要问题为洞身喷砼裂缝及部分洞段拱架表面裸露、锈蚀，量测裂缝宽度约1～2mm，如图2(c)所示。

图2 施工支洞现状

3 施工支洞布设方案比选

通过现场踏勘比对，支洞进口位置与原设计基本相符，但斜井未按原设计进行放坡和设置平洞段，均采用一坡到底的方式与主洞相交。依据现场踏勘情况并结合原设中施工支洞特征点位，拟建齐家大岘隧洞与原3条施工支洞位置关系如图3所示。由于新建主隧洞均从原支洞底部穿过，针对原施工支洞利用方案有以下三种。

图3 拟建隧洞与原施工支洞位置关系

(1)完全利用方案

维持支洞纵坡不变，主支洞交叉段开挖成直坎连接，其优点为可充分利用现状施工支洞；缺点为不利于主洞出渣作业，同时，主支洞交叉段处由于覆盖层较薄，主洞开挖造成主支洞交叉段贯穿扩大洞室段，交叉段处支洞一次支护需要全部拆除进行重新支护，施工难度较大，施工过程中存在一定的施工安全风险。

(2)调坡后利用方案

支洞内通过调坡与主洞相连接，其优点为可部分利用现状支洞，主洞出渣条件得到改善；缺点为支洞调坡段一次支护需全部拆除并进行洞室扩挖，主支洞间将形成特大洞室，施工难度大，施工过程存在较高的施工安全风险，施工临建费用较(1)方案高。支洞扩挖调坡示意图如图4所示。

图4 调坡后利用方案

(3)支洞内设衔接旁支洞方案

既在现状支洞内一定位置处向左或向右开挖旁支洞与主洞相交，优点为可通过调节旁支洞的长度保持支洞纵坡不出现较大变化而可平顺衔接，更有利于出渣作业，且施工难度不大，施工安全风险降低；缺点为临建费用较②方案略高。旁支洞布设示意图如图5所示。

图5 支洞内设衔接旁支洞方案

综上所述，齐家大岘隧洞支洞利用方案推荐采用(3)方案。改造利用后齐家大岘隧洞施工支洞特性见表2。

表2 改造后齐家大岘隧洞施工支洞关键参数

4 旁支洞设计方案

以原主、支洞交叉处为基准，向支洞进口方向约60m平距处向左或向右设置旁支洞，旁支洞轴线与原支洞轴线间夹角为20°，旁支洞采用城门洞型断面，设计断面尺寸B×H=2.8m×3m，洞底纵坡i=7%～9%；旁支洞开挖完成后，紧贴岩面架设I14全封闭钢拱架，钢拱架间距洞身段设计为1m，主、支洞交叉段处为0.5m；顶拱及侧墙喷C20砼护面，厚度15cm，喷层中设置φ6.5@200×200钢筋网；考虑到交叉洞段洞室较大，交叉洞段一次衬砌完成后采用现浇C25钢筋进行补强，衬砌厚度0.3～0.5m。

另外，考虑到旁支洞与主洞交叉段开挖后洞室较大，在开挖前先对其进行φ42超前管棚注浆支护，以防止开挖过程中扩大洞室段洞顶坍塌。为不破坏原支洞一次支护结构，主洞施工前需对其下穿支洞洞段进行加固处理，采用φ20，L=2m锁脚锚杆对支洞原钢拱架进行锁脚固定，主洞开挖时则采用φ42超前管棚注浆支护措施穿越该洞段，交叉段应采取铣挖法等非爆破开挖方法，开挖完成后及时二衬，以防止主洞下穿支洞段出现位移、坍塌等安全隐患。

5 结语

引水隧洞工程多属特小断面，作业空间狭小、物料运输强度受限、施工进尺缓慢，是影响工程工期的关键因素。本文以齐家大岘引水隧洞施工支洞为研究对象，结合地形地质条件及施工条件，拟采用增设施工支洞，长洞短打、多工作面同时作业的施工方案。首先对原齐家大岘隧洞3个施工支洞关键参数进行测量，对比研究了完全利用、调坡后利用、支洞内设衔接旁支洞三种方案的优缺点，确定了支洞内设衔接旁支洞方案为最佳方案。该方案的优点在于通过调节旁支洞的长度，保持了支洞纵坡不出现较大变化，更有利于出渣作业，有效降低了施工安全风险，缺点为施工费用高于其他两种方案。