飽水土隧洞支護結構變形后二次混凝土襯砌處理措施分析與決策

張寅寅

(甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，甘肅省 蘭州 73000)

1 工程概況

甘肅省引洮供水工程是旨在解決甘肅省中部干旱地區11個國家扶貧重點縣城鄉用水問題的大型跨流域調水工程，因其建設內容多，投資規模大，工程分兩期進行建設，其中引洮供水一期工程于2006年11月開工，2015年8月正式通水運行，二期工程于2015年10月開工，總工期70個月，目前仍在建設之中。

引洮一期工程渠管線主要分布于甘肅中部黃河以東的隴西黃土高原區，區內溝壑縱橫，地形破碎。受地形條件的制約，總干渠采用以隧洞為主的布置方式，總干渠總長109.4km，其中共布置隧洞18座，總長96.35km，占總干渠線路總長的88.05%，是總干渠最重要的建筑物。工程區內前震旦系至第四系地層和太古代至中生代各期侵入巖均有分布，以中新生代及第四系地層分布范圍最廣，隧洞圍巖以Ⅳ、Ⅴ類軟巖、極軟巖及黃土為主，工程地質性質差，其中第四系飽水土隧洞圍巖是工程比較突出的地質問題，施工過程中極易發生掌子面塌方、涌泥及支護變形等問題，也是設計、施工需重點面對的難題。本文以引洮供水一期工程總干渠楊家坪隧洞為例，針對飽水土隧洞一次支護變形后帶來的二次混凝土襯砌結構不能滿足設計要求的問題，通過對計算參數及復核計算成果進行綜合分析后，研究確定其處理措施。

2 工程地質特性、支護設計及變形問題

2.1 工程地質特性

楊家坪隧洞位于總干渠樁號86+550m～87+656m之間，長1106m，實際開挖揭示出的隧洞分段工程地質特性如表1。

2.2 支護設計

針對飽水土的工程地質特性，為適應極差的圍巖工程地質條件，承擔較大的圍巖荷載，設計采取了有針對的措施，一是斷面采用三心圓拱形斷面型式(蛋形斷面)，更能適應于地質條件差，山巖壓力大的情況；二是采用復合式支護襯砌型式做為隧洞的支護襯砌結構，重點加強隧洞一次支護結構及施工工藝。一次支護采用強支護體系，具體措施為噴混凝土、掛鋼筋網、鋼拱架及超前鋼管管棚相結合，二次襯砌現澆模筑鋼筋混凝土，構成復合式的支護襯砌結構聯合體系，具體如下：

表1 楊家坪隧洞分段工程地質特性

楊家坪隧洞開挖后毛洞斷面寬度為5.3m，高度為5.4m，一次支護拱墻噴混凝土150mm，緊貼巖面架設I14工字鋼鋼拱架，間距0.6～1.0m；鋼拱架未封閉底拱，采用20～25cm厚的干硬性混凝土仰拱封閉底板；頂拱噴層中部布設Φ6.5×200×200mm鋼筋網；同時采用管棚輔助施工，在拱頂180°范圍鋼拱架腹板上以外傾角5°～10°架設Φ42、長3.5m熱軋無縫鋼管管棚，間距200～300mm。二次襯砌全斷面整體現澆鋼筋混凝土，厚350mm。在施工過程中，嚴格按“短進尺、快支護、強支護、勤排水、勤觀測”的原則進行開挖及支護，總體施工順利。

2.3 實際施工中出現的支護變形問題

楊家坪隧洞于2008年8月底貫通，因隧洞開挖在土體中形成了臨空面，加之前述2.1節的原因，土體中重力水析出，使洞壁內出現了大量點狀及線狀滲水，洞壁周圍土體含水率增高，土體性質惡化，作用在支護上的水土壓力加大，且出現支護結構不均勻受力的情況。此外，本隧洞一次支護中鋼拱架未封閉底拱，采用干硬性混凝土仰拱作為底部支撐，受滲水浸泡及洞內施工運輸機械碾壓的雙重影響，仰拱整體結構出現開裂等問題，對鋼拱架底部的約束能力變弱，在圍巖壓力作用下，洞室兩側壁一次支護結構中的鋼拱架及混凝土噴層發生變形，并侵入邊墻二襯混凝土斷面范圍內。洞壁變形出現后，施工單位立即采取了相應的處理和防護措施，恢復了鋼拱架底拱，重新施工了干硬性混凝土墊層，并對洞內滲水進行了外排，有效控制了收斂變形的進一步發展，之后圍巖及一次支護體系變形已基本趨于穩定。

根據施工單位統計，至2008年11月底，楊家坪隧洞已形成的變形情況如下：

(1)單側侵入邊墻二襯混凝土斷面小于5cm、邊墻二襯混凝土厚度大于30cm的洞段84m；

(2)單側侵入邊墻二襯混凝土斷面在5～10cm、邊墻二襯混凝土厚度25～30cm的洞段長57m；

(3)單側侵入邊墻二襯混凝土斷面大于10cm、邊墻二襯混凝土厚度小于25cm的洞段長206m。

上述洞段因一次支護結構變形后側墻部位侵占了二次混凝土襯砌厚度范圍，必須采取相應措施進行處理方可進行二次混凝土襯砌施工。

3 二次混凝土襯砌可行方案及計算參數分析

3.1 可行方案分析

考慮到本隧洞地質條件的復雜性，如采取拆除并按原設計斷面重新恢復一次支護的措施，施工安全風險極大，不易采用；而按照現狀條件直接進行二襯，則存在部分洞段襯砌后混凝土邊墻厚度達不到原設計厚度的問題。

根據施工單位提供的監測資料，受一次支護結構變形的影響，楊家坪隧洞部分洞段側墻二次混凝土襯砌結構無法達到原設計厚度350mm；原設計底板襯砌厚度為400mm不受影響。為保證該段洞身設計過水能力不變，洞身凈斷面尺寸不能改變，則現狀條件下隧洞側墻二次襯砌厚度將小于原設計厚度。根據變形情況、隧洞斷面大小及類似工程襯砌厚度并結合SL 279—2016《水工隧洞設計規范》相關規定，雙層鋼筋混凝土襯砌厚度不宜小于300mm。因此，在滿足規范要求的前提下將側墻襯砌厚度減小為300mm是可行的方案，但需要進行進一步的結構復核計算，以便根據計算結果提出有針對性的處理措施。

3.2 復核計算工況及參數分析

根據前文分析，對于支護變形洞段，側頂拱混凝土襯砌厚度無法滿足原設計350mm厚度的要求，減為300mm；底板混凝土襯砌厚度仍為原設計400mm。襯砌厚度變化后，原計算條件下結構安全將不能滿足要求，需對襯砌結構計算所采用的工況及參數進行進一步的分析，研究圍巖土體物理力學指標、內外水壓力、圍巖壓力、回填灌漿壓力、混凝土標號、鋼筋類型等各項參數取值的合理性及是否具有優化調整的條件。

原設計結構計算采用桿系有限元法，共定義3種計算工況，分別為：運行期組合工況、檢修期組合工況、施工期組合工況，經計算施工期工況為控制工況，本次復核計算與原設計相同；原設計計算時已充分考慮了飽水土土體地質性質極差的特性，通過試驗及類似工程經驗，確定飽水土天然容重20kN/m3，內摩擦角19°，泊松比0.45，堅固系數0.35，本次復核分析后認為其取值合理；本段隧洞為無壓隧洞，運行期內水水頭3.342m，內水不是主要控制荷載；根據地質勘察成果，該段隧洞最大外水水頭約13m，計算中外水壓力折減系數采用規范規定的限值，運行期折減系數取0.6，施工期考慮可采取相應的施工排水措施，折減系數取0.2。分析認為原設計計算采用的計算方法、工況組合及以上參數取值均是合理的，已無優化調整的余地，本次復核計算繼續采用。

原計算圍巖壓力采用普氏法計算，將一次支護結構的作用作為安全儲備，全部荷載均由二次混凝土襯砌結構承擔，圍巖壓力折減系數取值為1.0。由于楊家坪隧洞目前已貫通，根據目前支護的實際效果和施工單位提供的變形收斂數據，該洞段收斂變形已趨于穩定狀態。根據SL279—2016第8.1.3條及條文說明，若支護結構控制住變形，即洞周土體變形達到基本穩定，可視具體情況適當減少襯砌結構承擔的土壓力。綜合分析后，本次復核計算圍巖壓力折減系數優化調整為0.7。

根據規范及施工實踐經驗，土洞的回填灌漿宜采用低壓灌漿，一般小于0.2MPa，原設計按0.2MPa進行控制，計算表明回填灌漿壓力是控制本隧洞二襯混凝土結構及配筋的主要影響因素之一。考慮到洞室周邊圍巖土體受重力水析出及含水率增高的原因，土體性質發生惡化，過高的回填灌漿壓力會加劇土體惡化情況。因此，現狀條件下回填灌漿宜采用較低壓力充填一次支護與二次襯砌之間的空隙為主，綜合分析后確定回填灌漿壓力調整為0.1MPa。

原設計二次襯砌混凝土標號為C20，鋼筋采用II級鋼筋，可考慮將混凝土標號由C20提高至C30，鋼筋由II級提高至III級鋼筋，是否可行還需根據復核計算、材料采購、生產條件及合同條件等方面的影響綜合分析后確定。

4 二次混凝土襯砌處理措施分析

4.1 結構復核計算成果對比分析

原設計隧洞二次混凝土襯砌每米寬度頂拱內側所配受拉鋼筋為5Φ18，鋼筋面積1272.5mm2；側墻中部內側所配受拉鋼筋為5Φ14，鋼筋面積769.5mm2；側墻低部外側所配受拉鋼筋為5Φ20+5Φ18，鋼筋面積2843.5mm2；底板上部所配受拉鋼筋為10Φ25，鋼筋面積4909mm2。根據3.2節分析確定的計算參數，以施工期為控制工況對側墻襯砌厚度減小為300mm的工況進行結構復核，并與原設計配筋結果進行比較，同時對提高混凝土標號及鋼筋級別的工況進行分析，主要分析結果見表2。

表2 施工期工況結構復核計算成果對比分析表

從上表計算成果對比分析可知，隧洞二次混凝土襯砌厚度在側墻由350mm減為300mm、底板厚度不變的情況下，通過對圍巖壓力折減系數、回填灌漿壓力等主要計算進行優化調整后，針對兩種混凝土強度及兩種鋼筋類型，原設計頂拱、側墻中部及底板配筋成果均可滿足側墻厚度變化后結構配筋要求，但側墻下部計算配筋面積均大于原設計成果，需對配筋進行調整。在混凝土強度及鋼筋類型維持原設計的條件下，側墻下部配筋需由原設計5Φ20+5Φ18調整為10Φ22(配筋面積3801mm2)；單獨將混凝土強度提高至C30或將鋼筋類型提高至III級鋼筋，受鋼筋直徑級差制約，側墻下部配筋也需調整為10Φ22；同時將混凝土強度提高至C30、鋼筋類型提高至III級鋼筋，側墻下部配筋調整為10Φ20可滿足要求(配筋面積3142mm2)。

在水利工程鋼筋混凝土構件結構設計中，通常的原則是高標號混凝土配高強度鋼筋，對C20或C30混凝土而言，采用III級鋼筋，鋼筋的設計強度得不到充分發揮，受力效果增強并不明顯且造成了材料及投資浪費。且調整混凝土標號及鋼筋類型后，將出現與同標段其他洞段施工參數不一致的問題，加大了連續施工的難度；同時需重新進行混凝土配合比試驗，且支護變形洞段調整的III級鋼筋用量較小，材料采購存在難度，將對施工工期、施工條件及合同條件帶來不利變化。因此，采用混凝土強度及鋼筋類型維持原設計不變，將側墻下部配筋進行調整的方案最為可行。

4.2 針對性措施確定

結合現場實際情況、施工條件以及對可行方案結構計算參數的分析及優化調整，根據結構復核分析計算成果，在最大限度確保施工及運行安全的前提下，確定楊家坪隧洞支護結構變形后二次混凝土襯砌處理措施為：

(1)如拆除已變形的鋼拱架，按原設計斷面重新恢復一次支護，施工安全風險極大，所以保留原一次支護中的鋼拱架，對于局部侵入二襯混凝土斷面的鋼拱架可直接澆筑于混凝土中，形成聯合受力體系。鑒于鋼拱架在一次支護中的重要作用，處理過程中禁止對其擾動。

(2)在滿足規范規定的前提下，經結構復核計算，可將側墻襯砌厚度減小為不小于30cm，底板襯砌厚度不變。局部襯砌厚度不滿足要求時，對兩榀鋼拱架之間的邊墻混凝土噴層進行適當鑿除處理以確保襯砌厚度。

(3)為保證施工的連續性，原設計混凝土標號(C20)和鋼筋類型(II級鋼筋)均不變，只需將側墻下部配筋由原設計5Φ20+5Φ18調整為10Φ22即可滿足計算參數優化調整后的工況。

(4)后期回填灌漿施工時，將回填灌漿壓力控制在0.1MPa以下。回填灌漿前必須進行準確性較高的灌漿試驗，合理確定灌漿參數，以保證灌漿質量；

(5)因側墻二襯混凝土厚度已是規范規定的最小值，因此在施工中必須嚴格保證混凝土密實度及施工質量的手段。

(6)處理過程中必須做好支護斷面的監控量測工作，同時要加強排水。

5 結語

針對楊家坪隧洞一次支護變形的具體情況、隧洞地質條件的復雜性及從施工安全角度出發無法拆除并重新恢復原一次支護的現實問題，經過對計算參數合理性的進一步復核及優化調整，對滿足規范要求的可行方案進行結構復核計算，依據其計算成果，最終確定適當減少側墻襯砌厚度、調整配筋并降低回填灌漿壓力的二次混凝土襯砌處理措施，符合現場實際條件，方案合理可行并保證了施工的連續性。根據確定的方案，工程于2010年實施完成隧洞二次混凝土襯砌，2014年開始通水運行。經多年運行實踐證明，隧洞二次襯砌混凝土結構安全可靠，完全滿足設計要求。