公路隧道下穿水电站导水隧洞设计施工技术研究

王仁鹏

甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃 兰州 730030

随着山区高速公路建设项目的不断增加，隧道之间上跨或下穿逐渐成为普遍的工程现象，在下穿隧道施工时，会引起周围围岩应力重分布，继而造成既有隧洞产生附加应力及变形，如果上下隧道之间的垂直距离较小，其影响就越大。如何确保下穿隧道的结构安全及运营安全，且不影响既有导水隧洞的安全运行，是这类工程设计及施工中的重点。针对这一问题，文章以S38线王夏高速公路达尔宗隧道下穿夏河县蒲黄水电站的工程实例为例，分析了设计中采取的工程措施，以及施工中采用的技术手段的可行性，为解决类似工程问题提供了参考。

1 工程概况及工程地质条件

1.1 工程概况

S38线王夏高速达尔宗隧道在K9+627～ZK9+595处下穿夏河县蒲黄电站导水隧洞，交叉角度为36°，导水隧洞底距公路隧道右线拱顶垂直距离为11.5m，导水隧洞底距公路隧道左线拱顶垂直距离为12.1m，导水隧洞宽2.7m，高3.0m，纵坡设计为1/1500，未衬砌，为无压力隧洞。公路隧道为双向四车道，建筑限界10.25m，高5.0m，开挖断面面积为90m2，交叉长度为60m，影响长度约150m，为近接隧道工程，存在较高的施工风险。

1.2 工程地质条件

根据地质调绘及钻探揭露，该段地层岩性为燕山期花岗闪长岩，灰白色，中细粒结构，块状构造，层间结合一般，单轴饱和抗压强度为48MPa，属较坚硬岩，岩体破碎，地下水不发育，围岩级别为Ⅲ级，由于既有导水隧洞经历施工爆破且运营了一定的时间，导致围岩产生了较多的裂隙，局部有掉块现象[1]。

2 设计方案

公路隧道在下穿段围岩级别为Ⅲ级，支护参数如下：初期支护喷射混凝土厚度为12cm，挂φ8mm钢筋网，间距为20cm×20cm，φ22mm水泥药卷锚杆L=2.5m，间距为120cm（纵)×120cm（环)，二次衬砌采用35cm厚的C30混凝土，交叉点前后75m采用径向注浆封闭围岩裂隙，注浆导管采用φ42mm×4mm无缝钢管，长度为3.5m，环向间距为2.0m，纵向间距为1.8m，每环设计9根，注浆材料为水泥水玻璃双液浆（添加水泥重量5%左右的水玻璃），水灰比为1∶1，注浆压力为0.5～2.5MPa[2]。

对既有导水隧洞进行衬砌，支护参数如下：初期支护喷射混凝土厚度为12cm，挂φ8mm钢筋网，间距为20cm×20cm，二次衬砌为30cm厚的C30混凝土，初期支护与二次衬砌之间铺设防水层，交叉点前后75m采用径向注浆封闭围岩裂隙，注浆导管采用φ42mm×4mm无缝钢管，长度为2.0m，环向间距为0.5m，纵向间距为1.0m，每环13根，注浆材料为水泥水玻璃双液浆（添加水泥重量5%左右的水玻璃)，水灰比1∶1，注浆压力为0.5～2.5MPa。注浆完成后，应进行钻孔压水试验，由于导水隧洞为无压力隧洞，下穿段要求为防渗工程，根据《公路隧道设计手册》，可采用如下公式计算出吸水量：

式中：ω为地层单位吸水量，L/（m2·min）；Q为地层总吸水量，L；L为压水试验段长，m；H为压水压力，m；t为试验时间，min。

根据《公路隧道设计手册》计算渗透系数k，当k≤10～6cm/s时，根据《水利水电工程勘察设计规范》（GB 50487—2008），认为围岩处于极微透水状态，对公路隧道及导水隧洞的结构安全及运营无影响，否则应进行补注浆[3]。

3 施工技术

3.1 交叉段爆破振动控制计算

根据《爆破安全规程》（GB 6722－2014)中的相关规定，公路隧道爆破属于地下浅孔爆破，频率大于50Hz，对于水工隧洞安全允许质点振动速度为10～15cm/s，可根据下式计算振动安全距离：

由式（2）可反算出一次起爆最大装药量，具体计算公式如下：

式（2）、式（3）中：V为允许最大震动速，该工程取10cm/s；K、α分别为与爆破点至保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数，考虑到之前修建导水隧洞时爆破已对交叉段围岩产生扰动，故该工程按中硬岩石取值，K取220、α取1.7；R为爆破振动安全允许距离，该工程取公路隧道与导水隧洞之间的最小净距为11.5m。

通过计算得出：公路隧道与导水隧洞交叉段距离为11.5m，单段最大爆破用药量不超过6.5kg；公路隧道与导水隧洞交叉段距离为15m，单段最大爆破用药量不超过14.5kg。

因公路隧道的纵坡为0.8%，纵坡较缓，故在交叉桩号K9+627～ZK9+595前后75m范围内公路隧道与导水隧洞最大垂直距离不超过15m，故交叉桩号前后30m单段最大起爆药量需控制在6.50kg以下，剩余前后45m单段最大起爆药量需控制在14.5kg以下。

隧道爆破对围岩产生的振动受围岩强度、完整程度、节理裂隙发育程度等因素的影响，爆破施工存在诸多不确定性，同时导水隧洞为毛洞，无衬砌，且公路隧道左洞衬砌边界距右洞衬砌边界宽约29m，交叉段长60m。因此，为确保蒲黄电站正常运行不受影响，该工程在爆破设计中，控制爆破长度取1.5的保证系数，得出控制爆破范围：交叉段前后各45m，最终确定交叉段控制爆破总长度为150m，桩号范围为K9+552～K9+702、ZK9+520～ZK9+670。

每段最大允许装药量，计算结果如表1所示。

表1 一次爆破进尺及每段最大装药量

3.2 交叉段爆破参数设计

爆破应按照“短进尺、弱爆破、多循环”的要求开展施工。

（1）炮眼数目。炮眼数目N可根据下式计算：

式中：N为炮眼数目，个；k为单位炸药耗量，kg/m3；s为开挖面积，m2；r为每延米炸药的用量，kg/m；η为炮眼装药系数，无量纲。

计算结果总炮眼数为上台阶96个（其中掏槽眼6个、辅助眼36个、周边眼54个），下台阶68个（其中掏槽眼4个、辅助眼26个、周边及底板眼38个）。

（2）每个炮眼的装药量。掏槽眼装药量根据下式计算：

式中：Q1为掏槽眼装药量，kg；L1为掏槽眼深度，m；r为每延米炸药的用量，kg/m。

辅助眼装药量按下式计算：

式中：Q2为辅助眼装药量，kg；L2为辅助眼深度，m；r为每延米炸药的用量，kg/m。

光面爆破参数。由于交叉段围岩节理、裂隙发育，光面爆破炮孔的孔距根据工程类比取值，光爆炮孔的孔距取0.5m，最小抵抗线W取0.6m。

装药起爆方面。光面爆破宜采用小药卷，起爆时注意以下事项：周边孔应该延后起爆；起爆顺序为先掏槽眼，再辅助眼，后周边眼，底板眼最后起爆；为了减少超欠挖，施工过程中需加强断面量测，及时处理欠挖的部位。

3.3 爆破施工注意事项

公路隧道在下穿导水隧洞时应注意以下内容：（1）公路隧道开挖后应立即施作初期支护，缩短二次衬砌距掌子面的步距，减少围岩暴露的时间；（2）施工时应加强监控量测，确保上方导水隧洞的安全；（3）交叉段施工采用上下台阶法施工，不得全断面开挖。

4 结束语

随着山区高速公路建设项目的不断增加，隧道之间上跨或下穿逐渐成为普遍的工程现象，在下穿隧道施工时会引起周围围岩应力重分布，造成既有隧洞产生附加应力及变形，如果上下隧道之间的垂直距离较小，其影响就越大。如何确保下穿隧道的结构安全及运营安全，且不影响既有导水隧洞的安全运行，是这类工程设计及施工中的重点。文章结合工程实例，研究了公路隧道下穿水电站导水隧洞的设计方案与施工技术，给出了具体的要求及施工注意事项，对于类似工程具有参考意义。