東江水源工程中碧嶺隧洞應急加固處理方法研究

王曉艷

（江西省贛撫平原水利工程管理局,江西 南昌 330096）

1 工程概況

東江水源工程是深圳市政府為長遠解決深圳水資源短缺問題而投資建設的大型跨流域調水工程[1]，是深圳兩大境外引水工程之一。工程東起惠州東江，西至深圳市寶安區，引水干線全長106 km，以“長藤結瓜”的形式橫穿深惠兩地。工程分一期、二期建設，分別在2001 年和2010 年建成并全面通水，引水規模達到7.2 億m3。作為廣東省“九五”重點水源建設項目，東江水源工程在2010年特區建立30 周年之際當選“深圳市30 年30 個特色建設項目”之一，被譽為深圳的“生命線工程”。為保證該工程的安全運行，每年10月左右均會全線停水進行檢修，檢修時間為期30 d。碧嶺隧洞是東江水源工程的重要組成部分，全長1.7958 km，斷面型式為城門洞型的低流速無壓隧洞，隧洞設計斷面為凈寬4.2 m，高5.3 m。該隧洞進口底高程為44.05 m，出口底高程為38.06 m，隧洞設計底坡1/3000；隧洞工程等別為Ⅱ等，主要建筑為級別為2 級次要建筑物級別為3 級。

在2011 年停水檢修期間發現部分洞段邊墻出現細微裂縫。2012 年3 月，坪山新區湯坑社區保障性住房項目開工建設，該項目施工范圍臨近碧嶺隧洞（受影響洞段K64+754.5 ～K64 +972.5），保障房施工基礎距碧嶺隧洞結構最近僅為十幾米。受施工影響，隧洞已發現裂縫將進一步發展擴大，存在較大安全隱患；若對方施工不慎，極有可能造成隧洞結構損傷，嚴重將導致隧洞坍塌，后果不堪設想。因此需要立即對隧洞洞段進行加固處理，以保障隧洞結構安全。

2 裂縫成因分析

在裂縫檢測過程中發現大小裂縫30 余條，其中有5m 以上的縱向裂縫18 條，10 m以上的縱向裂縫8 條，4 條貫穿性裂縫。裂縫具有以下特點：大部分縱向裂縫位于拱頂，并向邊墻擴展延伸，裂縫分布呈不規則；4 條貫穿性裂縫有滲水和鈣質析出，呈白色；檢測初期僅有少量裂縫，但裂縫擴大發展很快，裂縫分布密集。根據有關資料及現場分析，產生裂縫的原因有：

（1）地質情況。碧嶺隧洞洞線圍巖分布主要有石英砂巖、粉砂巖、含炭泥質砂巖、砂質泥巖等，巖石較為軟弱，巖體破碎易風化，部分洞段位于地下水位以下，巖體穩定性較差。在設計施工時對圍巖地質情況探測分析不到位，是產生裂縫的主要原因。

（2）支護及襯砌方式。碧嶺隧洞初期支護方式有圍巖較穩定洞段采用噴錨支護，噴混凝土厚度5 cm，較差洞段采用10 cm，在圍巖不穩定及地下水影響較大洞段采用鋼拱架，間距1 m，二襯采用C25 素混凝土和C25 鋼筋砼厚30 cm兩種方式，洞頂只進行回填灌漿，未進行固結灌漿，選用的支護和襯砌形式不滿足圍巖穩定及襯砌承載力要求。

（3）施工方式。施工方式及施工工藝也是造成隧洞裂縫的原因，初期支護、襯砌、混凝土澆筑、保養等施工方式不當，以及施工縫、變形縫及沉降縫施工不合理，也會造成隧洞開裂。

3 加固方法優選

3.1 加固方法分析

（1）回填壓注。當隧道襯砌的后部與周圍巖石之間存在空腔時，引起襯砌承受不均勻的載荷，并且空腔部分不能產生被動抵抗力以抑制襯砌的變形。在這種情況下，可以采取回填壓注法進行隧洞加固。

（2）內表面加固。內表面加固是在隧洞襯砌表面粘貼鋼板或玻璃纖維[2]，以此限制裂縫的發展及結構內側開裂。從加固材料來說，無論是鋼板還是玻璃纖維均能較好地承受二次襯砌內表面的拉應力。由于玻璃纖維及鋼板彈性模量不同，總體來講鋼板的加固效果更好，但同時鋼板也存在自重大、加工不便的缺點。

（3）內套鋼拱架加固。當隧洞變形或裂縫主要是受到外部壓力而產生時，可以選用此方法。內套鋼拱架加固是鋼拱架和混凝土結合體，既提高了加固強度，又提高了結構剛度。但該方法必須以隧洞內有足夠的富裕凈空為前提。

3.2 方案優選

碧嶺隧洞應急加固主要考慮以下幾個方面：①東江水源工程停水檢修時間短，總工期為30 天，碧嶺隧洞加固必須在30 天內，甚至更短時間內完成，以確保通水；②碧嶺隧洞加固段距檢修支洞口較遠，且隧洞斷面凈寬僅為4.2 m，大型機械設備、車輛及材料等運輸不便；③碧嶺隧洞加固主要是預防隧洞受外部施工影響出現結構性損傷；④碧嶺隧洞為引水隧洞，隧洞加固、恢復供水后不能影響過流面。

基于以上隧洞加固方法的優缺點分析及結合碧嶺隧洞的實際情況，內套鋼拱架加固方法作為碧嶺隧洞應急加固優選方法。

4 施工設計方案

本次施工主要內容為：對樁號K64 +754.5～K64 +972.5洞段按間距75 cm進行環向加固支撐，共計291 榀。鋼拱架結構為：隧洞環向采用I14 工字鋼及8#槽鋼連接，沿隧洞軸線方向每0.75 m設置一道；相鄰兩鋼拱架之間通過角鋼連接；鋼拱架與隧洞襯砌之間通過M20 螺栓固定；對K64+932.5～K64 +972.5 間共計55 榀拱架底板槽鋼埋入底板并用細石砼回填。鋼拱架斷面見圖1。

圖1 內套鋼拱架斷面圖

4.1 施工流程及施工工藝

（1）施工流程

施工準備、測量放線→鋼拱架制作→防腐處理→鋼拱架安裝→焊接角鋼→焊接槽鋼（回填細石砼）→補漆→驗收。

（2）施工工藝

開工前組織測量放樣，復測隧洞加固洞段樁號及斷面，準確放出頂部拱架底端水平面。如果復測成果與設計圖有較大出入，應報監理工程師及時進行調整，并在施工中及時復核。

鋼拱架嚴格按照設計要求采用型鋼制作，頂拱在鋼結構加工場集中進行冷彎加工。由于頂拱采用單根長度為6 m的工字鋼進行彎制，長度稍短于頂拱弧長。相差部分，提前將部分彎制好的工字鋼按適當長度進行切割，然后與6 m彎拱進行焊接，形成完整頂拱。

鋼結構防腐涂裝工程前鋼結構工程已檢查驗收，并符合設計要求；防腐涂裝在結合井外開闊地帶進行，周邊設置警示帶進行隔離。另外，現場需放置2 臺～4 臺干粉滅火器，防止發生火災；露天防腐施工作業應選擇適當的天氣，大風、遇雨等均不應作業。

刷漆前，應采用人工用鋼絲刷等將鐵銹、油污等清除干凈，避免涂刷后漆膜附著不牢。 底漆、刷漆、面漆以及涂層檢查與驗收均需要符合相關規定。

架立前，先用角鋼制作支架固定在叉車上，配合進行安裝。安裝時，先進行頂拱的安裝，將頂拱固定在叉車支架頂部進行固定，垂直上升至頂拱，然后打入M 20 膨脹螺栓進行固定，然后焊接安裝立柱，通過用吊線錘的方法調整拱架立柱的傾斜度，保證拱架在一豎直平面內，最后焊接底板槽鋼，即拼裝成一榀。架設鋼拱架時在拱腳以上30 cm高度處、頂拱處、豎向工字鋼及底板槽鋼共計打入16 組M20 膨脹螺栓，確保受力可靠。

待鋼結構焊接完成后，應對全部鋼拱架進行檢查，對焊接接縫及安裝過程中掉漆部分及時進行補漆施工，防止通水后銹蝕。補漆施工前先搭設活動腳手架，上下配合，提高效率。由于是引水隧洞，補漆作業時下部應隨上部作業進度鋪設彩條布等，避免油漆污染水源。

因2012 年隧洞加固時，前55 榀采用底板開槽埋入方式，后回填混凝土修復。受檢修時間影響，混凝土凝結時間不夠，通水后，部分混凝土被水流沖刷，本年停水檢修期間對其進行進一步修復。采用C25 細石砼修復，并搭設砂袋圍堰，保證干地施工。

4.2 施工重難點及注意細節

（1）拱架的制作及安裝

每榀鋼拱架全長13 m，頂部為拱形。為此，鋼拱架頂拱部分由工廠先進行拉彎處理，運至施工現場后進行接長，然后在洞內與立柱和底板槽鋼進行焊接連接。

（2）鋼拱架的運輸

由于施工面是在引水隧洞內，洞口距地面垂直高度約15 m，洞內水平運距最遠達250 m。鋼拱架頂拱及立柱制作完成并進行防腐后，統一由25 t吊車由結合井外吊入洞內，然后再由人工推車等配合轉運至工作面。

（3）合理安排施工

停水檢修總工期共30 天，碧嶺隧洞的加固必須在停水檢修期間完成。為此，提前安排充足人員采用兩班倒輪流施工的同時，安排油漆班組、拱架架設班組、焊接班組、混凝土班組進行流水作業。

（4）底板槽鋼焊接

隧洞內有大量自產水影響焊接施工。為此，除在洞口結合井處安排2 臺7.5 kW水泵進行24 h不間斷抽水外，還要在施工作業面前后搭設砂袋圍堰確保焊接作業。

5 結論

因停水檢修時間短、工期緊，碧嶺隧洞加固采用了施工速度快、效果好的內套鋼拱架加固方法。內套鋼拱架作為隧洞應急加固的一種處理方案，緩解了引水隧洞的險情，確保了整個“生命線工程”的安全運行，但鋼拱架水下部分長期受水流沖刷及浸泡，水上部分長期處于潮濕環境中，極易產生銹蝕，需要在每年的停水檢修中進行檢查及必要的維護保養。