某大型灌区总干渠隧洞改造方案比选研究

2024-02-27兰庆琳

陕西水利 2024年2期

兰庆琳

（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）

本文实例为景电灌区一期总干渠1#隧洞改造。景电灌区是甘肃省景泰县、古浪县以及内蒙古阿拉善左旗经济发展的重要基础设施,为景泰川当地提供了坚实的水资源保障。同时,灌区百万亩良田与十余万亩三北防护林带连成一片,阻止了腾格里沙漠和巴丹吉林沙漠的南侵,生态地位尤为突出。由于改造工程受灌区上水制约,因此施工都安排在灌区停水期进行。根据灌溉制度,景电一期每年9 月1 日～10 月10 日、11 月15 日～翌年3 月10 日为灌区停水期,每年可供连续施工的天数为154 天左右。总干渠1#隧洞全长460 m,作为骨干输水工程的重要控制节点,能否在停水期完成施工并顺利通水,对整个灌区正常运行至关重要。因此,对1#隧洞的改造方案研究十分有必要,同时,也可以为其他灌区隧洞工程改造提供借鉴。

1 隧洞现状及存在问题

一期总干渠现状隧洞共计5 座隧洞,其中3#、4#隧洞已经改造成为明渠,剩余跃进隧洞、1#及2#隧洞未进行改造,隧洞主要存在的问题有以下2 类。

（1）过流能力严重不足。2019 年,景电一期大型泵站更新改造项目对景电一期灌区规模进行复核,受灌区旱情逐年加重、农作物种植结构变化、各级泵站控制灌溉面积调整等因素的影响,复核后各级泵站流量由原设计流量10.67 m3/s增大为13.17 m3/s。通过实施大泵改造项目,总干6 座泵站均已改造完成,但是渠道及渠系建筑物均未改造。1#隧洞原设计为城门洞型式,洞宽3 m,高3 m,隧洞最大过流12 m3/s,现状隧洞过流能力严重不足。受限于隧洞等渠系建筑物过流能力不足,一期自泵站改造后一直达不到设计流量运行,渠系建筑物亟待改造。

（2）隧洞运行年限过长,结构破损严重。一期总干渠1#隧洞自建成至今已运行50 年,远超一期渠系建筑物合理使用年限,隧洞存在混凝土破损剥落,洞身衬砌接缝止水及施工缝局部漏水等问题,在拱顶、直墙见有1 mm～2 mm 宽的细小裂缝（沿洞轴向）。

2 隧洞地质条件

1#隧洞全长460 m,隧洞埋深17 m～49.5 m,围岩为新近系砂砾岩夹砾岩,以泥质胶结为主,局部段为泥钙质胶结,岩性软弱,属极软岩；隧洞位于刀楞山北坡大断层下盘,距断层约25 m～30 m；受刀楞山断层影响,使近于水平的岩层产状变陡至30°,岩体结构面以层面裂隙为主,层间结合差,岩体中发育陡倾角裂隙；根据收集的施工地质编录资料,桩号0+000～0+156 段砂砾岩夹砾岩泥质胶结,围岩中裂隙发育少且小,围岩较完整,发育1 条大裂隙,地表宽约20 cm,其中,桩号0+075～0+090 段地表发育冲沟,洞顶围岩厚约17 m,前期施工中岩体湿度大,围岩变软；桩号0+156～0+260 段砂砾岩夹砾岩泥质胶结,围岩中大裂隙发育,部分裂隙宽度>10 cm,岩体破碎；桩号0+260～0+335 段砂砾岩夹砾岩泥钙质胶结,较坚硬,围岩中裂隙较发育,岩体较破碎；桩号0+335～0+402段砂砾岩夹砾岩泥钙质胶结,较坚硬,围岩中裂隙发育,岩体破碎,为刀楞山断层影响的裂隙密集带；桩号0+402～0+420段砂砾岩夹砾岩泥质胶结,岩性软弱,围岩中裂隙发育较少,岩体较完整；桩号0+420～0+460 段砂砾岩夹砾岩泥质胶结差,岩性软弱。围岩中无地下水活动,隧洞围岩为极不稳定的Ⅴ类围岩。

3 隧洞线路的拟定

根据隧洞前后建筑物衔接关系以及地形地质条件,隧洞改造初拟原址扩建及改线重建方案进行比选。

3.1 方案一：原址扩建方案

方案一在现有隧洞基础上进行扩挖,1#隧洞改造沿用城门洞型式,经过水力学计算,改造后洞宽3.5 m,洞高3.7 m,直墙高2.7 m,顶拱半径2.02 m。根据地质条件,围岩中无地下水活动,隧洞围岩为极不稳定的Ⅴ类围岩。原隧洞断面宽×高为3 m×3 m 断面,扩挖后宽×高为3.5 m×3.7 m,隧洞采用喷锚支护方案,在顶拱、侧墙及底板喷15 cm 厚C20 砼,顶拱及侧墙范围采用φ25 砂浆锚杆,排距1 m,梅花形布置,全断面采用I16 型钢拱架,榀距1.0 m。必要时掌子面随机超前注浆加固措施[1]。隧洞衬砌采用C30 钢筋砼,厚度0.5 m。

3.2 方案二：改线重建方案

方案二为改线重建方案,根据现状隧洞位置,1#隧洞右侧山体覆盖层较薄,且沿线冲沟较多,左侧山体覆盖层较厚,因此,在1#隧洞左侧重新选址新建隧洞,新建隧洞长度约521 m,由于地质条件相同,隧洞围岩为不稳定的V 类围岩,隧洞衬砌型式同扩建相同,均为一次喷锚支护,二次砼衬砌。

图1 1#隧洞方案比选示意图

4 隧洞改造方案比选

4.1 工程布置的比较

方案一原址扩建方案,隧洞线路未发生变化,渠线前后衔接顺直,水流流态好。方案二改线重建方案,改线后渠线中心线发生偏移,流态较差,同时前后衔接的建筑物均需拆除重建,施工难度较大。同时,方案二新建隧洞长度521 m,较现状隧洞长61 m,因此,就工程布置而言,方案一优于方案二。

4.2 工程地质条件

方案一和方案二水平轴线间距为50 m,工程地质条件相似,围岩为新近系砂砾岩夹砾岩,以泥质胶结为主,围岩中无地下水活动,均为不稳定的Ⅴ类围岩。但是方案二线路距离刀楞山北坡大断层下盘更近,受刀楞山断层影响程度更大。

4.3 施工技术方案的比较

就施工工艺而言,方案一为现有隧洞基础上扩挖,方案二为新鲜岩面。隧洞断面具备机械化施工的条件,方案一施工强调采用短进尺、弱振动拆除、强支护措施施工[2],原则上拆除、扩挖一米,支护一榀,每循环进尺控制0.5 m～1.0 m。必要时（破碎带洞段）采用钢管管棚注浆超前支护的加固措施。隧洞内原钢筋混凝土凿除采用HW-26 型挖改破碎锤配合混凝土切割机进行凿除,局部采用人工持手持式风镐施工,凿除弃渣由1 m3装载机装,隧洞内采用四不像汽车或农用三轮车运输。方案二的施工可以采用常见超前管棚配合钻爆法施工方案,管棚超前小导管注浆超前支护加固,开挖严格按照光面爆破控制,锚喷作业应紧跟在爆破工作后及时完成。钻爆作业按照“短进尺、弱爆破、少扰动”的原则施工[3]。开挖按浅孔、小药量、多循环钻爆,先开挖下导洞超前1～2 排炮,再扩挖跟进,钻爆循环进尺1.0 m。

两方案就施工技术而言,方案一采用钻爆法安全风险较大,只能通过小型机械和混凝土切割机进行凿除,局部采用人工持手持式风镐施工,工序较为复杂,施工工期较长。