吉林引松工程超長(zhǎng)有壓隧洞關(guān)鍵技術(shù)

齊文彪, 劉 陽(yáng), 薛興祖, 徐世明, 馬振洲

(吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院, 吉林 長(zhǎng)春 130021)

0 引言

吉林省中部城市引松供水工程(簡(jiǎn)稱(chēng)“吉林引松工程”)是國(guó)家“十三五”規(guī)劃的172項(xiàng)重大節(jié)水供水工程之一,同時(shí)也是吉林省有史以來(lái)規(guī)模最大、技術(shù)難度最大的大型跨區(qū)域引調(diào)水工程。國(guó)內(nèi)已建和在建的超長(zhǎng)引水隧洞如引大入秦工程、引黃入晉工程、遼寧大伙房輸水工程、引大濟(jì)湟工程等均為無(wú)壓隧洞,吉林引松工程采用超長(zhǎng)有壓隧洞技術(shù),具有增加調(diào)水量等顯著優(yōu)勢(shì)。沈家俊[1]從工程布置、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工程施工角度對(duì)錦屏二級(jí)水電站有壓隧洞進(jìn)行了詳細(xì)介紹; 宋岳[2]結(jié)合引黃入晉工程從地質(zhì)方面對(duì)TBM施工穿越灰?guī)r地區(qū)技術(shù)進(jìn)行了分析; 林秀山等[3]針對(duì)小浪底工程后張法無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力隧洞襯砌模型試驗(yàn)進(jìn)行了研究; 蔡斌等[4]對(duì)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》與Q分類(lèi)法、RMR分類(lèi)法的關(guān)系進(jìn)行了對(duì)比分析; 嚴(yán)振瑞等[5]結(jié)合東深供水改造工程對(duì)直徑4.8 m大型無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力涵管進(jìn)行了有限元仿真數(shù)值分析; 鄔愛(ài)清等[6]結(jié)合三峽工程對(duì)地下廠房巖體穩(wěn)定性分析的塊體理論方法進(jìn)行了探討。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)超長(zhǎng)隧洞的研究方向一般限于施工布置、施工方法,一些結(jié)構(gòu)性的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題如超長(zhǎng)有壓隧洞圍巖分級(jí)、TBM穿越灰?guī)r區(qū)技術(shù)、大型現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力環(huán)錨襯砌現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)等,目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)成熟設(shè)計(jì)理論和規(guī)范可供借鑒,本文從上述幾方面對(duì)超長(zhǎng)有壓隧洞的關(guān)鍵創(chuàng)新技術(shù)進(jìn)行探討。

1 工程概況

吉林引松工程從松花江上豐滿(mǎn)水庫(kù)引水至吉林省中部地區(qū),向長(zhǎng)春市、四平市、遼源市等11個(gè)市(縣、區(qū))的城區(qū),以及供水線(xiàn)路附近可直接供水的26個(gè)鎮(zhèn)供水,同時(shí)退還和增加農(nóng)業(yè)用水及河道生態(tài)用水,改善生態(tài)環(huán)境。工程年最大引水量為10.29億m3,設(shè)計(jì)引水流量為38.0 m3/s。工程由豐滿(mǎn)水庫(kù)取水口、1條輸水總干線(xiàn)、1處分水樞紐、3條輸水干線(xiàn)、3個(gè)調(diào)蓄水庫(kù)、11條輸水支線(xiàn)組成。

輸水干線(xiàn)全長(zhǎng)263.45 km,包括總干線(xiàn)、長(zhǎng)春干線(xiàn)、四平干線(xiàn)和遼源干線(xiàn),在總干線(xiàn)末端馮家?guī)X分水樞紐調(diào)壓井下游連接2座提水泵站(四平干線(xiàn)、遼源干線(xiàn));輸水支線(xiàn)全長(zhǎng)274.465 km[7]。總干線(xiàn)及下游的長(zhǎng)春干線(xiàn),采用全程自流有壓輸水方式,有壓隧洞總長(zhǎng)99.2 km,其中豐滿(mǎn)水庫(kù)—飲馬河段最大自然洞長(zhǎng)72.1 km,開(kāi)挖洞徑7.90 m,使用3臺(tái)開(kāi)敞式TBM組合鉆爆法施工。

2 TBM穿越灰?guī)r地區(qū)技術(shù)

2.1 地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造

總干線(xiàn)石門(mén)子河—飲馬河段線(xiàn)路,在飲馬河右岸TBM穿越7 921 m的灰?guī)r地層, TBM開(kāi)挖施工歷時(shí)376 d。本段線(xiàn)路穿越的地層巖性主要為古生代石炭系與泥盆系灰?guī)r、石炭系凝灰?guī)r、三疊系凝灰?guī)r、華力西晚期閃長(zhǎng)巖等。其中灰?guī)r地層中見(jiàn)砂巖、炭質(zhì)板巖、泥巖、細(xì)粒閃長(zhǎng)巖等,巖石多見(jiàn)蝕變現(xiàn)象。

TBM穿越灰?guī)r線(xiàn)路勘察主要工作量包括勘探鉆孔45個(gè),物探(電法、地震、電磁法、聲波測(cè)試等)全線(xiàn),鉆孔抽水試驗(yàn)2處,鉆孔長(zhǎng)觀井9個(gè),調(diào)查泉水16個(gè),調(diào)查民井32個(gè),分析水樣51組,分析礦物成分和鑒定磨片55組,降雨、長(zhǎng)觀井水位、泉水流量動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)121個(gè)。對(duì)總干線(xiàn)隧洞地下水動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)分析時(shí)間跨度為2009—2018年,即從工程可行性研究至隧洞施工開(kāi)挖及襯砌階段。

本段線(xiàn)路共穿越斷層23條,寬度大于10 m的斷層有6條,最大斷層寬度為50 m,組成物質(zhì)為泥及巖屑,斷層泥厚度為0.5～5 cm。

2.2 初步設(shè)計(jì)階段巖溶地質(zhì)

地下巖溶主要是近淺表的溶溝、溶槽、溶蝕裂隙、溶洞,充填有紫紅色殘積土及塊石,溶洞中見(jiàn)水流沉積物,發(fā)育的深度為30～50 m。30 m以上到基巖面之間相對(duì)較發(fā)育,發(fā)育的部位主要位于較大的溝谷及附近,分水嶺地段發(fā)育相對(duì)較弱。基巖面到30 m深度內(nèi)類(lèi)似地下石林,溝槽相間; 30 m以下巖溶溝、槽密度和規(guī)模減小。巖體中非巖溶夾層較多,難以形成大的巖溶系統(tǒng)。發(fā)生類(lèi)似南方大規(guī)模涌水涌泥的概率不大,但在小河沿溝、堿草甸子溝及北溝附近可能發(fā)生中小規(guī)模的涌水涌泥。

2.3 施工期TBM開(kāi)挖揭露巖溶地質(zhì)

施工期TBM開(kāi)挖共發(fā)現(xiàn)大型溶洞、中型溶洞、小型溶洞、溶孔、溶蝕裂隙、溶蝕寬縫和溶蝕條帶52處。1)洞線(xiàn)高程以上: 溶蝕裂隙、溶蝕寬縫; 2)洞線(xiàn)高程: 溶蝕條帶、溶腔、溶洞; 3)洞線(xiàn)高程以下: 巖溶不發(fā)育。大中型溶洞9處,主要分布在頂拱、上斷面和側(cè)壁,個(gè)別全斷面分布,看不出明顯形狀。最大尺寸溶洞長(zhǎng)度為22 m、寬度大于8 m、深度為4～5 m。溶洞內(nèi)充填泥、碎塊石及巖屑等,個(gè)別位置發(fā)育方解石晶簇,局部位置存在無(wú)填充空腔。

2.4 施工期涌水

施工期發(fā)生2次較大的涌水,在掌子面涌水急劇增加。刀盤(pán)水位上升至主大梁從刀艙孔涌出和盾尾邊墻涌出,刀盤(pán)前方石渣輸出困難、連續(xù)皮帶機(jī)系統(tǒng)打滑、TBM行走及運(yùn)輸軌線(xiàn)被淹、電氣設(shè)備故障頻發(fā),迫使TBM掘進(jìn)停止,隧洞積水急劇上升并自流出洞,分述如下。

2.4.1 小河沿段(樁號(hào)66+342～+338)涌水

2016年2月29日,小河沿段發(fā)生涌水,涌水類(lèi)型為脈狀巖溶管道涌水。3月1—9日觀測(cè)到的最大涌水量為921.82 m3/h,最小涌水量為415.38 m3/h。附近有鉆孔長(zhǎng)觀井2個(gè),民井觀測(cè)井2個(gè),泉水觀測(cè)點(diǎn)1個(gè)。地下水有2個(gè)來(lái)源: 1)沿著F34-1斷層破碎帶流向洞內(nèi); 2)沿著東側(cè)溝谷溶蝕裂隙、溶洞流向洞內(nèi)。涌水對(duì)斷層破碎帶上的村屯民井和泉水影響很大,地下水下降40～50 m。涌水沒(méi)有影響到鄰谷的地下水。樁號(hào)66+356～+340隧洞左上側(cè)有一溶蝕寬縫。小河沿溝段涌水如圖1所示。

圖1 小河沿溝段涌水Fig. 1 Little river line water inflow

2.4.2 北溝段(樁號(hào)64+746.5～+699)涌水

2016年5月30日,北溝段發(fā)生涌水,涌水類(lèi)型為脈狀巖溶管道涌水,涌水中含泥砂、碎塊石量大。5月31日—6月2日觀測(cè)到的最大涌水量為718.04 m3/h,最小涌水量為324.37 m3/h。附近有鉆孔長(zhǎng)觀井2個(gè),民井觀測(cè)井2個(gè),自來(lái)水井觀測(cè)井1個(gè),泉水觀測(cè)點(diǎn)1個(gè)。地下水有2個(gè)來(lái)源: 1)沿著斷層破碎帶溶蝕裂隙、溶洞流向洞內(nèi); 2)沿著東側(cè)溝谷溶蝕裂隙、溶洞流向洞內(nèi)。涌水對(duì)村屯民井影響很大,地下水下降12～79.4 m。涌水沒(méi)有影響到鄰谷的地下水。北溝段共3處涌水,均在溶蝕槽位置。

2.5 TBM穿越巖溶涌水技術(shù)

1)隧洞洞線(xiàn)主要沿山脊或分水嶺布置,在灰?guī)r邊部的高位置穿過(guò),屬于補(bǔ)給區(qū),徑流排泄條件較好,降雨徑流經(jīng)溝谷很快排泄到飲馬河; 2)采用開(kāi)敞式TBM施工,在飲馬河階地洞外組裝逆坡掘進(jìn),涌水可直接自流排入飲馬河; 3)在洞內(nèi)鉆孔勘察,TBM刀盤(pán)后退,在掌子面采用坑道鉆機(jī)進(jìn)行鉆探; 4)在洞內(nèi)采用搭載在TBM刀盤(pán)上的三維激發(fā)極化超前探測(cè)儀器探測(cè)掌子面上游地下水情況; 5)在地表鉆孔跨孔電阻率CT探測(cè)法、高密度電法勘察掌子面上游巖溶情況; 6)在洞內(nèi)對(duì)涌水巖溶灌漿,控制涌水,將出水點(diǎn)集中引排; 7)在下游小河沿豎井、堿草甸子豎井和隧洞出口設(shè)置涌水搶險(xiǎn)排水系統(tǒng); 8)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)分析鉆孔長(zhǎng)觀井、民井觀測(cè)井、泉水觀測(cè)點(diǎn)長(zhǎng)期和涌水同期系統(tǒng)的地下水,判斷地下水來(lái)源,預(yù)測(cè)可能的最大涌水量; 9)涌水流量減小到TBM電氣設(shè)備能正常工作后,TBM刀盤(pán)頂著巖溶涌水逆坡掘進(jìn)。

3 工程巖體質(zhì)量分級(jí)和巖體物理力學(xué)研究

3.1 總干線(xiàn)隧洞地質(zhì)條件

總干線(xiàn)隧洞巖性共有35種,主要有花崗巖、凝灰?guī)r、安山巖、砂巖、砂礫巖、泥巖、灰?guī)r,共查得與洞身相交斷層56條、物探異常帶42條、遙感解譯斷層7條。

3.2 總干線(xiàn)隧洞巖體力學(xué)試驗(yàn)

在總干線(xiàn)隧洞段布設(shè)的2個(gè)勘探試驗(yàn)洞進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)巖體變形和直剪試驗(yàn),如圖2所示。在TBM隧洞開(kāi)挖后的灰?guī)r段主洞內(nèi)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)承壓板法巖體變形試驗(yàn),如圖3所示。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)主要內(nèi)容如下: 1)針對(duì)閃長(zhǎng)巖、凝灰?guī)r開(kāi)展巖體變形、抗剪試驗(yàn),以獲得主要圍巖變形、抗剪強(qiáng)度參數(shù); 2)針對(duì)微新閃長(zhǎng)巖、弱風(fēng)化凝灰?guī)r開(kāi)展彈性抗力的液壓枕試驗(yàn),以獲得其彈性抗力系數(shù)及大尺度巖體變形參數(shù); 3)針對(duì)灰?guī)r開(kāi)展巖體變形試驗(yàn),以獲得圍巖變形參數(shù)。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)液壓枕試驗(yàn)Fig. 2 Site hydraulic pillow test

圖3 承壓板法巖體變形試驗(yàn)Fig. 3 Rock mass deformation test

3.3 總干線(xiàn)隧洞圍巖質(zhì)量分級(jí)及力學(xué)參數(shù)綜合取值研究

總干線(xiàn)隧洞初步設(shè)計(jì)階段圍巖分類(lèi)采用水電HC法,考慮本工程洞線(xiàn)長(zhǎng)、地質(zhì)條件復(fù)雜、沿線(xiàn)路定量分級(jí)和提供物理力學(xué)參數(shù)有一定局限性,根據(jù)室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)巖體力學(xué)試驗(yàn)資料,采用BQ分類(lèi)法進(jìn)行圍巖質(zhì)量分級(jí),并與現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖后的實(shí)際圍巖分類(lèi)進(jìn)行對(duì)比分析。

根據(jù)總干線(xiàn)隧洞TBM開(kāi)挖和鉆爆法揭露的圍巖分類(lèi)實(shí)際情況可以看出: 1)在豐滿(mǎn)水庫(kù)取水口—飲馬河段隧洞,自然洞長(zhǎng)72.1 km,隧洞埋深80～540 m,巖性主要是花崗巖、凝灰?guī)r、安山巖、閃長(zhǎng)巖、砂巖、砂礫巖、灰?guī)r,施工開(kāi)挖揭露的圍巖分類(lèi)整體要好于初步設(shè)計(jì)階段水電HC法的圍巖分類(lèi),而與BQ法修正后圍巖分類(lèi)接近; 2)飲馬河—馮家?guī)X段隧洞,自然洞長(zhǎng)25.67 km,隧洞埋深18～165 m,巖性主要是凝灰?guī)r、泥巖、灰?guī)r、花崗巖、砂巖、礫巖,施工開(kāi)挖揭露的圍巖分類(lèi)與初步設(shè)計(jì)階段水電HC法的圍巖分類(lèi)及BQ法修正后圍巖分類(lèi)接近。

總干線(xiàn)隧洞工程巖體變形參數(shù)的選取對(duì)工程投資和安全相當(dāng)敏感,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)變形試驗(yàn)、抗剪試驗(yàn)、徑向液壓枕法試驗(yàn),并結(jié)合聲波測(cè)試、地應(yīng)力測(cè)試等研究工作,取得了部分巖體力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)值。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)值與采用圍巖分類(lèi)[BQ]值法獲得的參數(shù)值對(duì)比分析,采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算圍巖物理力學(xué)參數(shù),對(duì)超長(zhǎng)有壓隧洞圍巖物理力學(xué)參數(shù)的計(jì)算和選取具有借鑒和參考價(jià)值。

4 隧洞現(xiàn)澆無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力襯砌原位試驗(yàn)研究

4.1 無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力環(huán)錨襯砌隧洞段概況

總干線(xiàn)14段、總長(zhǎng)14.756 km隧洞屬于淺埋隧洞,圍巖類(lèi)別主要為Ⅳ—Ⅴ類(lèi)。隧洞內(nèi)徑有6.8 m和5.1 m 2種,最大內(nèi)水壓水頭為68 m。經(jīng)分析計(jì)算,隧洞上覆圍巖厚度不能滿(mǎn)足挪威準(zhǔn)則、水力劈裂準(zhǔn)則和初始應(yīng)力場(chǎng)最小主應(yīng)力準(zhǔn)則,采用后張法無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力環(huán)錨襯砌。

目前國(guó)內(nèi)引水隧洞采用無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力環(huán)錨襯砌結(jié)構(gòu)的工程有小浪底水利樞紐排砂洞、遼寧大伙房水庫(kù)輸水工程。由于施工工藝復(fù)雜和錨具槽漏油問(wèn)題,制約了無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力環(huán)錨襯砌技術(shù)的運(yùn)用和發(fā)展,進(jìn)而制約了大型有壓調(diào)水工程的發(fā)展。需要通過(guò)原位試驗(yàn)研究,突破技術(shù)瓶頸。

4.2 預(yù)應(yīng)力環(huán)錨襯砌原位試驗(yàn)主要內(nèi)容

1)預(yù)應(yīng)力損失參數(shù)試驗(yàn)研究; 2)錨具槽回填微膨脹混凝土試驗(yàn)研究; 3)施工工藝研究; 4)數(shù)值建模方法與試驗(yàn)方案研究; 5)現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)和室內(nèi)錨具槽模型試驗(yàn)力學(xué)特性研究; 6)三維數(shù)值仿真計(jì)算分析和現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力環(huán)錨襯砌結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究。主要包括: 預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)環(huán)繞方式(單層雙圈和雙層雙圈)研究; 錨具槽布置位置(底部0°單排或左右兩側(cè)45°交叉)研究; 錨具槽交叉角度(60°、90°、120°)研究;襯砌厚度(0.45、0.5、0.55 m)研究; 錨具槽間距(0.4、0.45、0.50 m)研究;洞型為馬蹄形和圓形隧洞的受力結(jié)構(gòu)研究[8]。

4.3 預(yù)應(yīng)力環(huán)錨襯砌原位試驗(yàn)

原位試驗(yàn)段選取4段共18 m,分段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)。澆筑室內(nèi)錨具槽模型,進(jìn)行千斤頂和偏轉(zhuǎn)器的摩擦損失測(cè)定試驗(yàn),錨具槽自密實(shí)微膨脹混凝土配合比、工藝試驗(yàn)和微膨脹變形和應(yīng)力測(cè)試(見(jiàn)圖4)。該試驗(yàn)包括6項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù): 1)嚴(yán)寒地區(qū)最長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu); 2)提出了能有效模擬預(yù)應(yīng)力環(huán)錨與混凝土及圍巖協(xié)調(diào)作用新的數(shù)值模型; 3)研發(fā)了自密實(shí)微膨脹混凝土回填錨具槽技術(shù); 4)首次研發(fā)了大型扁千斤頂內(nèi)水加壓荷載模擬系統(tǒng); 5)大型無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力環(huán)錨原位試驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng); 6)單層雙圈無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力環(huán)錨結(jié)構(gòu)。該試驗(yàn)采用了數(shù)值模擬、預(yù)應(yīng)力環(huán)錨原位試驗(yàn)和監(jiān)測(cè)反饋分析綜合手段,采用137個(gè)監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)圍巖及襯砌的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。現(xiàn)場(chǎng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)張拉圖如圖5所示。

圖4 室內(nèi)錨具槽模型試驗(yàn)圖Fig. 4 Indoor anchorage groove model test

圖5 現(xiàn)場(chǎng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)張拉圖Fig. 5 On-site prestressed steel strand tension

4.4 現(xiàn)澆無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌試驗(yàn)成果

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn),提出了預(yù)應(yīng)力環(huán)錨襯砌結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案: 采用圓形襯砌斷面,預(yù)應(yīng)力鋼筋采用高強(qiáng)度無(wú)黏結(jié)低松弛1 860級(jí)鋼絞線(xiàn),鋼絞線(xiàn)布置為單層雙圈4×?15.2 mm型式,4根預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)從錨固端起始至混凝土襯砌內(nèi)部外側(cè),沿外層圓周環(huán)繞2圈后進(jìn)入混凝土襯砌內(nèi)側(cè)張拉端,鋼絞線(xiàn)錨固端與張拉端包角為2×360°,鋼絞線(xiàn)最大張拉力為1 395 MPa。錨具槽左右2側(cè)45°交叉布置,襯砌厚度優(yōu)化為0.45 m,錨具槽間距為0.5 m。

研發(fā)的錨具槽自密實(shí)微膨脹混凝土回填技術(shù)解決了錨具槽漏油問(wèn)題,解決了我國(guó)長(zhǎng)距離有壓隧洞無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的安全耐久性問(wèn)題;提出預(yù)應(yīng)力環(huán)錨襯砌結(jié)構(gòu)的材料和施工關(guān)鍵控制指標(biāo),為環(huán)錨襯砌工程的廣泛應(yīng)用提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

本工程實(shí)際有14.756 km隧洞采用現(xiàn)澆無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌。通過(guò)試驗(yàn)優(yōu)化,較雙層雙圈方案節(jié)約投資5 350萬(wàn)元;與鋼板襯砌方案相比,節(jié)約投資5.7億元。

5 現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力涵原位試驗(yàn)研究

5.1 現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力涵概況

總干線(xiàn)超長(zhǎng)有壓隧洞穿越4段河谷、溝谷等淺埋段,共計(jì)1 948 m,線(xiàn)路頂覆土深度為5.8～13 m,成洞條件極差,采用“內(nèi)圓外城門(mén)洞型”現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力涵結(jié)構(gòu),涵洞內(nèi)徑為5.1 m,最大內(nèi)水壓力為0.61 MPa。每12 m為一標(biāo)準(zhǔn)段,頂部和側(cè)壁厚度為0.45 m,底部厚度為0.8 m。鋼絞線(xiàn)采用單圈對(duì)錨(包角372°)布置,預(yù)應(yīng)力筋束沿管道軸向的中心間距為350 mm。扁形錨板尺寸為120 mm×60 mm×85 mm(長(zhǎng)×寬×高),6孔。錨具槽回填采用微膨脹自密實(shí)混凝土。

目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力涵結(jié)構(gòu)最大內(nèi)徑為4.8 m,用于東深供水工程。該預(yù)應(yīng)力涵最大內(nèi)水壓力為0.3 MPa,覆土厚度為2～6.6 m。內(nèi)徑為5.1 m大型現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力涵在國(guó)內(nèi)尚屬首例,又處于嚴(yán)寒地區(qū),內(nèi)水壓力大,故開(kāi)展原位試驗(yàn)研究十分必要[9]。

5.2 現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力涵原位試驗(yàn)

5.2.1 三維數(shù)值仿真結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

通過(guò)計(jì)算分析獲得了預(yù)應(yīng)力涵結(jié)構(gòu)在張拉、充水加壓、填土及加壓和放空檢修4種工況下的變形特征和應(yīng)力分布特征,并對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)布置方案和間距進(jìn)行對(duì)比分析。

5.2.2 現(xiàn)場(chǎng)原位工藝試驗(yàn)

原位試驗(yàn)管長(zhǎng)24 m,分2節(jié),每節(jié)長(zhǎng)12 m。第1節(jié)管預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)采用單圈對(duì)錨布置方案,間距為300 mm; 第2節(jié)管預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)采用雙圈螺旋對(duì)偶布置方案。現(xiàn)場(chǎng)鋼絞線(xiàn)布置如圖6所示。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)鋼絞線(xiàn)布置Fig. 6 Layout of steel strand on-site

5.2.3 現(xiàn)場(chǎng)原位結(jié)構(gòu)力學(xué)試驗(yàn)

該試驗(yàn)內(nèi)水壓力直接采用涵內(nèi)充水加壓,有6項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù): 1)設(shè)計(jì)加工了自適應(yīng)變形的柔性封堵系統(tǒng)對(duì)涵管充水進(jìn)行密封; 2)設(shè)計(jì)加工了氣-液復(fù)合加壓穩(wěn)壓系統(tǒng)進(jìn)行管內(nèi)充水加壓; 3)設(shè)計(jì)加工了水下收斂計(jì)進(jìn)行管內(nèi)壁收斂變形監(jiān)測(cè); 4)采用分布式光纖傳感器進(jìn)行全斷面環(huán)向監(jiān)測(cè)鋼絞線(xiàn)變形和應(yīng)力; 5)涵管混凝土內(nèi)布置環(huán)向磁通量傳感器,長(zhǎng)期進(jìn)行環(huán)向監(jiān)測(cè)鋼絞線(xiàn)變形和應(yīng)力; 6)涵管鋼絞線(xiàn)采用雙圈螺旋對(duì)偶布置形式,結(jié)構(gòu)可靠,施工簡(jiǎn)便。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)充水加壓按16、36、50、61 m 4個(gè)壓力等級(jí)進(jìn)行加壓。預(yù)應(yīng)力涵內(nèi)水加壓布置如圖7所示。

圖7 預(yù)應(yīng)力涵內(nèi)水加壓布置Fig. 7 Arrangement of prestressed culvert water pressure

5.3 現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力涵原位試驗(yàn)成果

現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)成果表明: 1)第1段涵管鋼絞線(xiàn)張拉后有效預(yù)應(yīng)力分布規(guī)律與數(shù)值模擬一致。混凝土內(nèi)、外圈環(huán)向應(yīng)力分布類(lèi)似,左右基本呈軸對(duì)稱(chēng),涵底壓應(yīng)力較小,涵管中上部壓應(yīng)力最大,至頂部時(shí)環(huán)向壓應(yīng)力又變小。充水加壓后鋼絞線(xiàn)有效張拉預(yù)應(yīng)力的大小與分布規(guī)律均無(wú)顯著變化,與數(shù)值模擬得到的結(jié)果一致;涵管混凝土總受力狀態(tài)為受壓狀態(tài),環(huán)向壓應(yīng)力有富余。2)第2段涵管鋼絞線(xiàn)張拉后,鋼絞線(xiàn)的2個(gè)張拉起始點(diǎn)的有效張拉力最大,沿著兩側(cè)對(duì)稱(chēng)的720°圓周路徑逐漸減小,直到雙螺旋形鋼絞線(xiàn)的中點(diǎn)張拉力變得最小。混凝土內(nèi)、外圈環(huán)向應(yīng)力分布與第1段類(lèi)似。充水加壓后鋼絞線(xiàn)有效張拉預(yù)應(yīng)力的大小與分布規(guī)律均無(wú)顯著變化; 涵管混凝土總受力狀態(tài)仍為受壓狀態(tài),環(huán)向壓應(yīng)力富余不大。

工程施工采用第1段涵管布置型式,采用高強(qiáng)度無(wú)黏結(jié)低松弛1 860級(jí)鋼絞線(xiàn),鋼絞線(xiàn)布置采用單圈對(duì)錨6×?15.2 mm型式,公稱(chēng)截面面積Ap=6×140 mm2。預(yù)應(yīng)力筋束沿管道軸向的中心間距為350 mm,涵管左右外側(cè)底板預(yù)留錨具槽,布置扁形6孔錨板,錨具槽回填微膨脹自密實(shí)混凝土。現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力涵施工長(zhǎng)度為1 948 m,與鋼板外包混凝土結(jié)構(gòu)方案相比節(jié)約投資7 275萬(wàn)元。

6 TBM施工段花崗巖Ⅰ、Ⅱ類(lèi)圍巖不襯砌研究

總干線(xiàn)豐滿(mǎn)水庫(kù)—飲馬河段,由3臺(tái)TBM和部分鉆爆法施工,隧洞施工揭露的花崗巖Ⅰ、Ⅱ類(lèi)圍巖總長(zhǎng)度為11.988 km,其中TBM施工連續(xù)長(zhǎng)度較大的幾段總長(zhǎng)度為4.5 km,隧洞埋深為100～336 m,對(duì)此部分進(jìn)行不襯砌研究,僅依靠圍巖承擔(dān)內(nèi)外水壓力和限制內(nèi)外水滲透。

6.1 圍巖破裂損傷現(xiàn)場(chǎng)原位觀測(cè)和試驗(yàn)研究

以鉆孔試驗(yàn)為主,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)測(cè)試與試驗(yàn)綜合判斷分析圍巖損傷區(qū)和損傷深度、圍巖損傷演化過(guò)程,進(jìn)行了應(yīng)力波相關(guān)因素影響和節(jié)理巖體相關(guān)因素影響理論模擬和試驗(yàn),對(duì)隧洞圍巖破裂裂隙圈運(yùn)用單孔攝像法和雙孔雷達(dá)法進(jìn)行測(cè)定,研究不同埋深、地應(yīng)力、巖體滲流的圍巖變形破裂機(jī)制。開(kāi)發(fā)了基于鉆孔電視圖像深度學(xué)習(xí)的圍巖破裂裂隙圈自動(dòng)識(shí)別技術(shù)[10],基于深度學(xué)習(xí)中的全卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)FCN(fully convolutional network)模型,發(fā)現(xiàn)只在1.5～1.9 m有1個(gè)環(huán)繞洞周的環(huán)向微裂隙產(chǎn)生[11]。

6.2 尋找關(guān)鍵塊體理論方法研究

在長(zhǎng)大隧洞內(nèi)進(jìn)行地質(zhì)編錄,對(duì)可能形成關(guān)鍵塊體的部位采用全站儀和激光筆根據(jù)幾個(gè)特征點(diǎn)繪出開(kāi)挖面上出露的節(jié)理、裂隙結(jié)構(gòu)面,通過(guò)結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù)構(gòu)建巖體的空間網(wǎng)絡(luò)三維結(jié)構(gòu)模型;并基于關(guān)鍵塊體理論建立軟件分析平臺(tái),形成隧洞圍巖探測(cè)與穩(wěn)定評(píng)價(jià)系統(tǒng),找出關(guān)鍵塊體。發(fā)現(xiàn)Ⅰ、Ⅱ類(lèi)圍巖洞段出露結(jié)構(gòu)面間距大、分布稀疏,組合切割圍巖形成關(guān)鍵塊體的概率很小,經(jīng)計(jì)算不需支護(hù)。

6.3 巖石裂隙網(wǎng)絡(luò)水力學(xué)研究

選定的中細(xì)粒花崗巖Ⅰ、Ⅱ類(lèi)圍巖不襯砌段總長(zhǎng)度為1.615 km,埋深為100～336 m,根據(jù)2009—2018年的鉆孔長(zhǎng)觀井、民井觀測(cè)井的降雨、長(zhǎng)觀井水位動(dòng)態(tài)曲線(xiàn),結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)觀察和鉆孔試驗(yàn)及地應(yīng)力,發(fā)現(xiàn)隧洞洞壁呈干燥狀態(tài),節(jié)理、裂隙延伸較短端部尖滅,結(jié)構(gòu)面是閉合的,沿洞周呈環(huán)形的裂隙很少,裂隙被方解石和石英等礦物充填,呈很薄的鈣質(zhì)膠結(jié),裂隙與巖體內(nèi)其他裂隙是不連通的孤立裂隙,在有壓隧洞內(nèi)外水的長(zhǎng)期作用下不能形成滲流通道。只有極少的節(jié)理裂隙面有浸水滲水,采用濕磨細(xì)水泥灌漿處理[12]。

6.4 大洞徑不襯砌有壓隧洞阻力系數(shù)研究

為研究有壓隧洞過(guò)流能力,參考國(guó)外已建TBM施工不襯砌有壓隧洞糙率實(shí)測(cè)和研究成果[13],結(jié)合本工程隧洞TBM開(kāi)挖蛇形變量和圍巖表面粗糙度實(shí)際情況,綜合分析研究確定TBM開(kāi)挖的不襯砌花崗巖隧洞糙率n= 0.015 7 ± 0.000 8。

7 結(jié)論與體會(huì)

1)結(jié)合工程開(kāi)展了大量科學(xué)試驗(yàn)研究,其中隧洞無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)將已有工程的雙層雙圈優(yōu)化為單層雙圈,極大地降低了施工難度,節(jié)省了工程投資。

2)通過(guò)巖溶地質(zhì)勘察和可靠的技術(shù)手段,使大直徑開(kāi)敞式TBM掘進(jìn)機(jī)成功穿越地下水豐富的淺埋巖溶地區(qū)。

3)無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)中采用的分布式光纖傳感器進(jìn)行全斷面環(huán)向監(jiān)測(cè)模擬方法和技術(shù)、扁千斤頂模擬水壓技術(shù)、具有微膨脹特性的自密實(shí)混凝土成套技術(shù)均為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)。

4)嚴(yán)寒地區(qū)大直徑高內(nèi)水壓深覆土現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力涵技術(shù)、對(duì)圍巖分級(jí)采用BQ法進(jìn)行對(duì)比分析、采用關(guān)鍵塊體理論分析等創(chuàng)新技術(shù),解決了超長(zhǎng)有壓隧洞關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題,對(duì)長(zhǎng)大調(diào)水工程具有重大的理論借鑒和工程參考價(jià)值。

5)關(guān)鍵技術(shù)中的超長(zhǎng)有壓隧洞水動(dòng)力特性理論與水力控制理論、超長(zhǎng)有壓隧洞及馮家?guī)X分水樞紐調(diào)壓井與泵站壓力罐大型水工水力學(xué)模型試驗(yàn)研究及其設(shè)計(jì)對(duì)策還需要進(jìn)一步總結(jié)研究。