秦嶺特長隧洞下穿椒溪河設計與施工關鍵技術

李凌志

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安710043)

秦嶺特長隧洞下穿椒溪河設計與施工關鍵技術

李凌志

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安710043)

秦嶺隧洞下穿椒溪河段為工程的重難點之一。設計時充分考慮了埋深淺、高外水壓的特點，采用ANSYS有限元軟件對二次襯砌結構強度進行了計算。施工中運用多種超前地質預報方法，結合超前水平鉆孔，較準確地預測了掌子面前方圍巖地質狀況及富水性，并根據預測結果制定應對措施。鑒于涌水通道與洞頂椒溪河的連通性，采取修筑簡易擋水圍堰和防滲墻，有效地減小了洞內涌水量。面對三次大的涌水，及時配置抽水設施，靈活采取多種形式的注漿措施，使該段順利通過。實踐證明，設計與施工方案切實可行，對類似工程具有借鑒意義。

隧洞 下穿河流 設計 施工 超前預報

1 工程概況

陜西省引漢濟渭工程是一項解決關中地區城市群缺水和生態缺水的跨流域調水工程，地跨長江、黃河兩大流域，穿越秦嶺山脈，工程浩大，意義深遠。秦嶺隧洞越嶺段全長81.779 km，為引漢濟渭調水項目的控制性關鍵工程。隧洞于K2+840附近下穿漢江二級支流椒溪河，其最小埋深僅20 m(上層9 m鵝卵石層+下層11 m大理巖、石英片巖)。且隧洞上方為三河口水庫蓄水區，最大蓄水深度為78 m。可見，下穿椒溪河段施工難度大、風險高，對設計和施工均有極高要求。

隧洞下穿椒溪河段工程范圍內主要巖性為志留系中統大理巖夾石英片巖。同時，該段發育一條逆斷層，斷層帶內主要為斷層角礫及斷層泥，斷層帶寬度5～15 m。該段地質縱斷面詳見圖1。

圖1 隧洞下穿椒溪河段縱斷面

椒溪河流域地處秦嶺南坡，為漢江二級支流，水量較大，主要受大氣降水補給，隨季節性變化較大。其中，12～3月總降水量為85 mm，僅占全年降水量的9.2%。地下水為基巖裂隙水及巖溶水，水量較豐富，受大氣降水補給，屬于中等富水區(Ⅱ)。

2 設計參數及方案

結合地質縱斷面和現場地形情況，并考慮運營期三河口水庫影響，對下穿椒溪河長370 m段(里程K2 +710—K3+080)進行加強設計。采用復合式襯砌，其中初期支護采用噴、錨、網支護，Ⅳ，Ⅴ類圍巖設置I16型鋼鋼架，同時拱部120°范圍設φ42超前小導管預注漿加固地層;二次襯砌采用C30鋼筋混凝土結構，考慮后期高外水壓力，襯砌厚度為100 cm;襯砌背后全斷面設防水板，且不設排水孔。具體支護參數見表1。

表1 隧洞下穿椒溪河段支護參數

由于本段巖體較破碎，節理裂隙貫通性較好，導水性強，施工時易出現突水、涌泥，因此設計中明確要求施工前進行超前地質預報，并將其納入正常施工工序，采用多種超前預報方法相互印證，達到超前預警的作用，同時制定完善的處理措施及應急預案，做好超前支護和監控量測，確保施工安全。

3 二次襯砌數值模擬計算

本段隧洞結構后期運營時需承受78 m水頭的外水壓力，對二次襯砌強度要求較高，設計中進行了結構強度檢算分析。

本次數值分析通過采用ANSYS有限元軟件建立荷載—結構模型，對復合式襯砌結構進行計算分析，意在使襯砌結構滿足各階段的承載能力和正常使用要求。荷載—結構模型是我國隧道設計規范中推薦采用的一種方法。該理論認為地層對結構的作用只是產生作用在地下建筑結構上的荷載(包括主動地層壓力和被動地層抗力)，襯砌在荷載的作用下產生內力和變形。

計算模型如圖2所示。二次襯砌內力及變形如圖3所示。

二次襯砌內力計算結果見表2。

圖2 計算模型示意

圖3 二次襯砌內力及變形

表2 二次襯砌內力計算結果

根據圖3和表2，再結合工程造價和工程類比，考慮全水頭外水壓力，隧洞下穿椒溪河段選取厚度為100 cm、每延米配5φ32受力鋼筋的混凝土襯砌結構。該結構亦能滿足抗裂要求。

4 隧道涌水處理措施

4.1 施工準備

施工前需做好突涌水應急預案，配置相應抽水設備，同時采取多種方法，對掌子面前方圍巖進行超前地質預報。綜合TSP、地質雷達、紅外探測等多種手段的預報結果，并配合超前水平鉆孔，力爭對前方地質情況尤其是巖體富水性做出較準確預報，提前采取局部注漿等措施，保證施工順利進行。

4.2 涌水處理過程

4.2.1 第一次涌水及處理

2013年2月20日，隧洞開挖至里程K2+692.5處(距原設計下穿椒溪河段約17.5 m)，爆破后掌子面中上部突然發生較大涌水，實測初期涌水量約11 000 m3/d，隨后衰減至4 800 m3/d，后由于受大氣降水補給影響及巖石節理裂隙中的充填物被涌水疏排，正常涌水量增至約9 600 m3/d。現場采用2臺WQ200-40-37型和2臺WQ150-50-37型潛水泵及2條φ300 mm水管進行抽排水，至3月11日將積水排完。

為順利通過涌水段，對該段落進行周邊帷幕注漿處理。于里程K2+688.5處設止漿墻，止漿墻上布置4環28個注漿孔(第1環注漿孔3個，第2環注漿孔12個，第3環注漿孔10個，第4環注漿孔3個)，5個超前探孔，超前探孔必要時可做為注漿孔，檢查孔4個。具體布置詳見圖4。

根據現場施工情況和超前地質預報結果，將原設計下穿椒溪河段自K2+710提前至K2+685，采用加強襯砌斷面。

4.2.2 第二次涌水及處理

2013年6月15日，隧洞開挖至K2+706.9處，爆破后并無涌水現象。在出渣過程中，掌子面底部及左側邊墻底部突然涌水，實測初期涌水量約9 800 m3/d，隨后有一定衰減，后由于受大氣降水補給影響及巖石節理裂隙中的充填物被涌水疏排，涌水量最大增至23 600 m3/d。現場采用2臺KQSN300-M6/486型離心泵、2臺WQ200-40-37型潛水泵、2臺WQ150-50-37型潛水泵和2條φ300 mm水管、2條φ200 mm水管抽排水。

在抽排水期間，由于雨季汛期來臨，隧洞內涌水隨椒溪河水位突漲，說明洞內涌水與椒溪河流水有一定水力聯系。結合現場出水點特征本次采用局部注漿方案，并于止漿墻內側預留部分虛渣以防止清渣導致涌水進一步加大。止漿墻侵入圍巖不小于1 m，渣體內部預埋3根4 m長DN300排水管排水，并安裝DN300閘閥。待關閉閘閥后周邊無滲水時，對涌水部位注雙液漿進行處理。具體布置如圖5所示。

圖4 第一次注漿孔布置

圖5 第二次注漿孔布置(單位:m)

為進一步探明前方圍巖富水性情況，自里程K2+ 715起，每開挖20 m施作9個水平探孔(孔深25 m)，并對探孔進行注漿。

4.2.3 第三次涌水及處理

2013年9月16日，隧洞K2+735處施作的9個水平探孔中有5個孔存在不同程度的出水，其中3個為有壓力的涌水孔(噴射平距2.5 m)，現場按要求提前注漿。在檢查孔無出水的情況下，繼續開挖至K2+ 738處。此時，左側邊墻上部由少量滲水變為股狀涌水并逐漸增大，隨著沖刷范圍擴大形成涌水通道，涌水量最大增至24 000 m3/d。現場采用既有的第二次涌水抽排設備。

本次涌水量大小隨河水水位變化明顯，可以確定涌水通道與河道連通，為了減小洞內抽排水壓力，對河床疑似連通通道口周邊進行開挖，回填黃土修筑簡易防滲墻，并在防滲墻前修筑擋水圍堰，減小洞內涌水量。同時，對涌水點部位布孔注漿堵水。注漿孔布置如圖6所示。

圖6 第三次注漿孔布置

本次涌水處理過程中，超前水平探孔較準確地探明了前方的涌水情況，并提前進行注漿處理。此外，由于洞內涌水與河道有一定的連通關系，通過擋水圍堰和防滲墻的修筑，有效地減小了洞內涌水量，使得本次涌水處理時間較前兩次大大減少，僅用時12 d即處理完成。

4.2.4 后續段落施工

通過三次大的涌水事故處理，為后續段落的施工積累了經驗。后續施工時，采用TSP、地質雷達、紅外探測等多種超前地質預報技術，嚴格執行9孔超前水平探孔，根據探測結果進行提前注漿處理。下穿椒溪河段施工過程中共計實施超前水平探孔7次。

由于洞內涌水與河水有一定的水力聯系，采取分段修筑擋水圍堰和防滲墻的措施，減小洞內涌水，逐段下穿通過椒溪河河床。

通過以上處理措施，后續施工得以順利進行，無大的涌水事故發生。2014年1月，隧洞施工至K2+932時，掌子面已基本無基巖裂隙水。2014年3月，隧洞施工至K3+080，標志著下穿椒溪河段順利完工。

5 結語

隧洞下穿椒溪河段埋深淺、地質條件差。巖體導水性強，與洞頂河流有一定水力聯系。對施工過程總結如下:

1)綜合多種方法(TSP、地質雷達、紅外探測)的超前地質預報能更好地探測前方地質情況，施工中所揭示的地質情況與預測結果大致相符。

2)超前水平鉆孔對前方巖體富水性的探測具有良好的效果，同時對探孔進行注漿可以減少洞內涌水量。施工中K2+735處的9個探孔很好地預測了第三次大的涌水，提前做好處理預案，大大縮短了處理時間。

3)結合超前地質預報和水平探孔預測結果，可有效針對掌子面前方圍巖進行處理，采用預注漿時，注漿方式、部位、漿液類型均可靈活選擇。

4)在涌水通道與洞頂有一定水力聯系時，通過分段修筑擋水圍堰和防滲墻，隧洞逐段施工的方法，可有效減小洞內涌水。

5)施工開挖過程中盡量減少一次性進入斷層或富水段的工作面積及長度，爆破時堅持多打眼、少裝藥的弱爆破施工方法，以減少對圍巖的擾動。

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(責任審編葛全紅)

U455．4

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．22

1003-1995(2015)04-0081-04

2014-10-20;

2015-02-13

李凌志(1971—)，男，陜西大荔人，高級工程師。