牛栏江干河泵站地下厂房主交通洞设计

沈 英

（云南水利水电职业学院,云南 昆明650021）

引言

牛栏江干河泵站采取一级提水,安装4 台机组,水泵单机功率23 MW,总装机92 MW,设计流量23 m3/s,设计扬程219.23 m,最大提水扬程233.31 m。泵站枢纽建筑物主要有：进水建筑物、地下厂房、交通洞、工作竖井、辅助交通洞、出水建筑物、地面厂区等。主泵房为地下厂房,副厂房及降压开关站等布置于地面干河右岸山坡高程约1 858 m 处。泵站进水口、地面厂区、地下泵房分别采用场内公路、主交通洞、工作竖井等连接。主交通隧洞全长1 037.2 m,在隧洞转弯处扩宽断面,底宽5.2 m,最大宽度7.62 m,最大高度7.69 m。隧洞每200 m 设一宽2 m、高2 m、深2 m 的人员避车侧洞[1]。

图1 牛栏江干河泵站布置示意图

1 工程地质概述

工程区为“U”型谷地形,河床高程1 772 m,两岸分布有Ⅰ级阶地,阶面宽20 m～45 m,阶面平坦,谷坡陡峭,地形坡度40°～70°,坡高约100 m～150 m,谷顶山顶地形一般较缓,地形坡度5°～25°,分布高1 926 m～2 032 m。干河泵站区地下洞室围岩、管线基础均为P1q+m 灰岩,岩体风化浅,以弱风化、微风化为主,局部地表有强风化零星分布。厂房区位于地下水位以下,P1q+m 灰岩为强透水地层,区内岩溶发育,主要表现为溶洞、溶沟、溶槽。以最低地下水位1 760 m 为强岩溶带、弱岩溶带界限,以相对隔水层（约1 695 m）为弱岩溶带、微岩溶带界限,干河泵站地下厂房区主要位于弱岩溶带内,局部地段受构造节理影响（如沿P2 陡倾节理密集带）岩溶相对发育,为强岩溶带。主交通洞地处岩溶发育的栖霞、茅口地层,P1q+m岩性为浅灰～深灰色厚层状灰岩、白云质灰岩[1]。

2 主交通洞布置设计

泵站地下隧洞群规模大、项目繁多、工程量大,地下隧洞断面形式多样,尺寸大小不一,地下厂房工程的进厂交通洞断面形式和尺寸主要受运送输水系统钢管和机电设备等大件尺寸的限制[2],牛栏江干河泵站主交通洞为地下厂房主要交通运输通道,连接地下厂房电机层和地面,主要功能为地下厂房交通运输,承担地下结构施工、材料设备运输、运行期车辆对外交通等任务,根据设备运输要求,设备运输采用载重汽车。工程竣工后,泵站交通由白石岩至李子箐公路较高位置分岔引接至地面厂区、调压井、主交通洞口,新建公路按4 级路面设计。

2.1 主交通洞轴线选择

主交通洞进口位于天生桥下游干河右岸约400 m 处,为方便施工和满足设备运输要求,进口高程1 797.00 m,末端高程1 736.05 m。主交通洞轴线的布置综合考虑如下因素：

（1） 厂房进场公路与主交通洞进出口布置情况。（2） 主交通洞进出口高程,满足主交通洞运输底坡要求,同时考虑交通洞轴线线路最短。（3） 主交通洞桁车大梁、机组定子转子等大件运输要求,同时考虑牵引机车及挂车长度。（4） 主交通洞转弯半径要求。（5） 对相邻建筑物的不利影响。（6） 地质构造情况、满足最小覆盖层厚度要求。

综合,主交通洞轴线平面上布置4 段转弯段和5段直线段,依照《公路隧道设计规范》及地下厂房主交通洞实际情况,转弯半径设计为100 m。转弯段里程分别为：交0+124.27～交0+220.21 m、交0+367.94～交0+463.88 m、交0+677.14 ～交0+773.08 m、交0+948.82～交1+013.36 m,前面三段平面转弯角度为55°、第四段为37°,隧洞进口高程1 797.00 m,末端泵站厂房安装间电机层高程1 736.05 m,结合隧洞进洞位置、安装间位置,主交通洞布置长度为1 037.20 m,转弯段坡度为3%,直线段坡度为5.12～7.9%[3]。干河泵站主交通洞平面布置图见图2。

图2 干河泵站主交通洞平面布置图

2.2 主交通洞断面设计及结构设计

考虑隧洞岩体地质构造条件以及地下水活动情况,主交通洞全洞采用钢筋混凝土衬砌。另外,主交通洞为满足泵站大件运输要求,洞径较大,从受力及经济方面考虑采用蛋形断面形式,底宽5.3 m,最大宽度7.62 m,最大高度7.69 m。交通洞洞身段根据地质、地下水位深度及防渗要求,衬砌厚度分两种：里程交0-003.72～交0+511.88 衬砌厚0.6 m,交0+511.88～交1+037.20 衬砌厚0.8 m,结构断面见图3。

图3 干河泵站主交通洞断面图

主交通洞段除Ⅱ、Ⅲ类围岩外,全范围内进行固结灌浆和回填灌浆。隧洞固结灌浆排距3 m,每排布置6 孔,孔深4.5 m；主交通洞与厂房帷幕灌浆处排距2 m,回填灌浆在顶拱中心角120°范围内进行,灌浆孔深入围岩10 cm。施工浇筑长度为12 m,在地质条件、结构变化处设置永久缝,永久缝采用泡沫板和紫铜片止水；施工缝缝面凿毛清洗后,设置651 型橡胶止水带。主交通洞处于库内,工程建成后长期处于库水位以下,泵站校核洪水位1 791.96 m,设计洪水位1 791.53 m,正常蓄水位1 790.00 m。

（1） 隧洞衬砌依据《水工隧洞设计规范》进行结构计算,衬砌厚度分别为0.6 cm、0.8 cm。按不同工况进行计算,计算情况如下[4]：

a.正常运用情况：围岩压力+衬砌自重+外水压力(正常蓄水位)；

b.施工情况：围岩压力+衬砌自重+灌浆压力+外水压力；

c.非常运用情况：围岩压力+衬砌自重+外水压力(校核洪水位)。

（2） 计算方法及结果

根据不同工况荷载组合,采用SDCAD 软件计算。综合以上正常运用情况、施工情况及非常运用情况,计算得出主交通洞沿高程从上至下,结构内力加大,结构配筋由上至下分段按不同配筋面积进行配筋,强度及裂缝宽度均满足设计要求,计算结果见表1[5]。

表1 主交通洞结构计算结果表

3 施工过程中需要重点关注的问题

牛栏江干河泵站地下厂房洞室群位于岩溶地区,岩溶发育,且大部分洞段均在地下水位以下,施工中可能遇到的溶洞,在数量、尺寸、产状、部位、水文地质条件、是否含有充填物以及充填物特性等方面都是难以确定,隧洞施工过程中可能发生涌水、突泥、岩溶漏斗塌陷等岩溶水文地质问题,存在较大的施工风险。此外,主交通洞具有隧道洞口段地质条件差、隧道断面大、跨度大、部分隧洞段埋深浅的特点,主交通洞施工前期一定要做好充足的施工准备和预警措施,以确保工程建设的安全、顺利进行[6]。

3.1 主交通洞围岩变形问题

为了全面了解交通洞开挖过程中围岩的稳定性、衬砌在施工期和运行期间的受力变形情况,隧洞设计时采用三维应力应变分析法对该区域进行了分析。

交通洞开挖后应力分布平顺,除与地下厂房交接处有局部应力集中外,其余没有明显应力集中区,开挖引起的位移变化很小,最大不超过3 mm,塑性区分布范围很小,说明交通洞开挖对整体围岩稳定性影响很小。根据工程实际情况,在隧洞施工过程中,需要注意以下两点：

（1） 隧洞遇到裂隙或土夹层不良地质情况时,可采用随机锚杆、系统锚杆、挂网钢筋和喷C20 混凝土联合支护的处理方式,随机锚杆为φ22 (L=4～5 m),系统锚杆为φ22(L=3 m、间排距1.5 m)梅花形布置,挂网钢筋为Φ6.5,网距为150 mm×150 mm,喷C20 混凝土厚度为50～80 mm。

（2） 主交通洞与主厂房连接处全范围内钢筋混凝土支护应结合施工支护进行,并进行固结灌浆。固结灌浆孔、排距3.0 m,平均深度4 m。施工支护采用φ28 mm 锚杆、喷150 mm 厚C20 混凝土支护,锚杆采用Ⅱ级筋,单根长6 m,间、排距均为2 m。伸入岩石4.0 m,外露部分结合顶供C25 钢筋混凝土衬砌支护。

3.2 主交通洞防渗及溶洞处理问题

（1） 在岩溶发育地段进行洞室开挖时,为确保进洞安全,应加强超前勘探及超前预报等措施,尽早查明岩溶类型、溶蚀形态、充填及堆积物性质、分布范围及地下水活动规律。根据对富水岩溶区复杂的岩溶水文地质勘探分析研究,隧洞施工期间,极易发生围岩失稳、涌水突泥等岩溶地质灾害,施工时可根据实际情况采用临界距离开挖、超前处理、加强支护等措施。由于岩溶突水主要发生在开挖和初期支护两个环节,一次支护采用钢支承加强支护,对围岩条件差的地段考虑“二衬紧跟”,确保支护体系的及时性和有效性[7]。在开挖露出岩面后,根据岩石情况,对溶洞部位先进行超前锚杆和钢支撑施工,锚杆参数按Ⅴ类围岩临时支护设计图纸施工,视围岩情况,当遇到断层破碎带、节理密集带等不良地质段,可采用洞口段支护方案进行加强支护处理,随机锚杆加密配合支护。

（2） 隧洞顶拱溶洞无充填物时,采用回填混凝土,再进行灌浆处理。若顶拱溶洞高度超过隧洞宽1/2时,回填混凝土高度为隧洞宽的1/2。边墙溶洞采用M7.5 浆砌石砌筑至设计开挖线,然后架设工字钢,挂网喷混凝土按设计施工。若隧洞边墙外侧的溶洞宽度超过隧洞宽1/2 时,回填宽度为隧洞宽的1/2。边墙与M7.5 浆砌石之间采用回填灌浆处理,灌浆压力0.1 MPa。底板溶洞处理需分两种情况进行处理：底板有空洞的采用回填块石料；底板有充填物的或者有较大溶洞的情况应先采取钻孔探测深度,根据现场实际情况确定清除充填物的深度,然后再回填块石料进行处理,之后再回填灌浆处理,灌浆压力0.1 MPa。

（3） 主交通洞运行期间应考虑隧洞路面渗水,渗水处理采取设随机排水孔引至排水沟,再用水泵经排水管排至洞外, 本工程在主交通洞底板两侧布置150 mm×100 mm 排水沟,水经排水沟汇入集水井。分别在里程交0+551.00 ～交0+555.00 m、交1+031.03～交1+035.03 m 布置集水井,集水井长2.0 m、宽5.728 m、高2.0 m。集水井布置水泵将水抽出洞外。

4 结论

本工程主交通洞位于库水位以下,应重点做好防渗和排水措施；灰岩地区,尤其岩溶发育地段进行洞室开挖,要做好施工处理措施。对断层带、水平溶洞发育段及浅埋段垂直岩溶（漏斗）发育段等易发生大规模涌水的施工风险控制段,隧洞开挖掘进进行爆破作业时,应将人员和设备撤离到支洞与主洞交岔口,保证人员和设备的安全。地下厂房交通洞在确定隧洞轴线时,需综合考虑材料设备运输、隧洞底坡及转弯半径要求,得出合理的轴线长度及转弯半径。确定隧洞洞径及衬砌断面和形式时,需综合考虑泵站大件运输、地质及施工等多方面因素进行比较,才能选择合理的经济断面。本工程地下厂房交通洞已竣工,在地下厂房的施工、机电安装及工程的运行管理中发挥了重要作用,目前运行良好。