引沁灌區總干渠煤礦沉陷區改造方案

王晶晶

（焦作市引沁廣利灌區服務中心，河南 濟源 454650）

1 項目背景

引沁總干渠采空區位于總干渠樁號11+013～22+000 之間，地處總干渠上游段，總干渠采空區上游0+000～11+013段，為灌區引水渠道，基本無灌溉面積。采空區總干渠控制著灌區范圍內下游總干渠、干渠、分干渠、支渠、加支渠、斗渠等所有渠道取水任務，是整個灌區的“卡脖子”工程。

煤礦開采導致引沁總干渠滲透嚴重、渠道整體下沉、渠道嚴重毀壞，已經形成了重大安全隱患。引沁總干渠居高臨下，由于煤礦開采已造成引沁總干渠大社段由原來的地下渠變為地上懸渠，且該段12 公里范圍內沒有泄水工程，一旦出現決堤跑水，將對濟源市河口、大社、中社、南莊等村莊群眾生命財產及農田、房屋、道路、通信、電力和煤場造成重大安全事故。為保證周圍民眾生命財產安全及社會穩定，對采空區進行治理刻不容緩。

引水能力不足，渠道滲漏嚴重。從20 世紀90 年代開始，煤礦開采給引沁總干渠造成的危害逐步顯現出來，且日益加重，目前渠道最大裂陷深度已達4m，最大裂陷寬度0.2m，一年中多次造成總干渠停水，過水能力嚴重降低。已由原設計過水能力21m3/s，下降到現在的7m3/s。整個采空區段年滲漏約3000 萬m3的水量，滲漏嚴重，浪費了大量的水資源，占用了引沁灌區的引水指標。由于總干渠引水流量銳減，部分干、支渠不得不采用輪灌方式進行灌溉，部分調蓄庫、池也不能合理利用，造成灌區水資源利用不均，不能充分發揮灌區的效益。為減少渠道滲漏，保證灌區灌溉效益，對采空區段進行處理勢在必行。

2 方案比選

2.1 原渠線加固改造方案

此段總干渠的空采區域存在時間較長，煤層上面的巖層破損，在地面形成了繼續擴張的沉陷區，很多礦井無法再進行運作，井下工作通道受到了毀壞，采礦場上方的巖層塌下，形成了冒落帶。這使得我們不能采取井下填充法來加固空采區。因此，根據空采區的實際狀況，這次設計的技術人員選擇使用注漿法進行加固處理。

注漿法是一種被廣泛使用的地基處理技術。在這個過程中，施工人員向土層空隙、土層交界處、巖層缺口（比如溶洞、溶隙、裂隙、空隙），以及空采區的塌陷帶和裂隙帶中注入具備填充膠結特性的漿液材料。充填材料硬化后可以增加采空區強度或降低滲透性，進而優化巖土層的物理及力學性質，以達到地基加固的效果。這次處理的空采區主要分布在地表下淺層的煤層中，我們根據工程的特點，參照“三下”采煤規程中的垂線法以保護煤柱的邊界。按勘測資料提供的淺層煤層的參數來計算保護煤柱寬度與采空區的實際區域，確定注漿的處理范圍。采用梅花形布孔方法均勻設置注漿孔，并依照類似工程的施工參數進行取值。基于總干渠采煤空區的具體狀況，采用帷幕灌漿的方式來保護煤柱的邊緣，其中灌漿孔的間隔為2m。中心的孔設計以排距18m、孔間距18m 為準。在實際施工過程中，依據灌漿試驗的注漿效果對布孔間隔進行適當的調整。

總干渠采空區段渠道多為漿砌石矩形槽，部分為混凝土梯形渠道。綜合考慮采空區沉降、渠道整體性、減少占地及對渠道周圍民眾的影響等因素，上部渠道采用鋼筋混凝土矩形槽渠道，矩形槽每隔10m 設橫向伸縮縫，縫內設止水帶，槽頂設欄桿。矩形槽下設0.1m 厚C15 混凝土墊層。在矩形槽的沉降縫內，靠近水邊3cm 部分使用了密封膠來封閉，設立紫銅片止水帶的位置距離迎水面有0.2m，而在縫內的其他區域，全部都使用了閉孔塑料泡沫板來進行填充。在總干渠采空區渠段，大部分渠道發生沉陷，最大沉降深度為4m，平均沉降深度為1m 左右，要求矩形槽下基礎進行水泥土回填，回填內設土工格柵，土工格柵層距為0.5m。回填土及土工格柵分層填筑。總干渠采空區段上部渠道布設監測儀器，矩形槽槽頂布設沉降位移監測點，渠道外原狀穩定地方布設工作基點，選取沉降明顯渠段矩形槽布設鋼筋計、滲壓計等監測儀器，及時收集數據，掌握渠道運行情況，根據監測數據及時做出應對措施。

2.2 盤玉渡槽至蟒河渡槽隧洞方案

線路起于河口村水庫右岸引渠總干渠盤玉渡槽出口，終點位于白澗村北側引沁干渠蟒河渡槽進口。線路總體自東向西沿太行山山脈延伸方向。山區段地面高程325m～1060m，樁號2+465 為場區分水嶺，分水嶺高程為1060m。線路沿線無河流分布，沿線沖溝近南北向發育，大多切割不深，發育間距一般為200m，延伸長度小于3km，沖溝比降大，溝道狹窄，均為季節性沖溝。線路起點附近分布有河口村水庫，線路終點附近分布有蟒河口水庫。根據《河南省焦作市引沁灌區續建配套與現代化改造可行性研究階段工程地質勘察報告》，洞身段Ⅱ類圍巖約占35.0%，Ⅲ類圍巖約占61.11%，Ⅴ類圍巖及第四系含碎石粉質黏土約占3.89%，圍巖厚度具備成洞條件。

針對巖石隧洞施工常用的鉆爆法與TBM 法兩種施工方法分別進行了隧洞設計。

2.2.1 鉆爆法施工隧洞設計

引沁總干渠盤玉渡槽出口至蟒河渡槽進口（總干樁號ZGQ5+337～22+060）采用隧洞貫穿。該段原渠道長16.72km，總落差11.40m。設計隧洞長約12.0km，縱坡 1/1153。

1）洞型的選擇

我們主要對比分析了圓拱直墻型、馬蹄型和蛋形三種隧洞斷面方案。基于對地質環境的考量，以及噴錨支護作為臨時支撐能抵抗圍巖壓力的實力，我們決定采用圓拱直墻型斷面作為工程隧洞的形態，也就是我們通常所稱的城門洞型。

2）隧洞水力設計

洞身水力設計主要是確定洞身凈寬、水深、洞身進出口底高程和洞底縱坡。洞身高度按洞內水面線以上的凈空面積不小于隧洞斷面面積的15%，且高度不小于40cm 確定洞身斷面尺寸按明渠均勻流計算。經計算，隧洞凈寬取3.2m，直墻段改2.8m，圓拱高1.228m，圓拱中心角150°。

3）隧洞結構設計

為加固圍巖、提高圍巖自承能力，保證施工期的圍巖穩定，隧洞臨時支護設計根據《水工隧洞設計規范》，隧洞洞身采用錨桿、噴射混凝土支護（以下簡稱噴錨支護）。噴錨支護采用工程類比法進行設計。噴錨支護的原則是錨桿、噴射混凝土、鋼筋網或其他類型的支護共同作用，由他們分別提供抗力，維持圍巖的穩定。噴錨支護參數根據《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規定（GB 50086-2015）及水利、鐵路、公路等已建工程進行類比，并結合本工程圍巖的特點綜合選用。

2.2.2 TBM 法施工隧洞設計

TBM 具有全斷面開挖、出渣、支護以及灌漿等工藝同步進行等特點，TBM 法采用圓形斷面形式，掘進機采用雙護盾TBM 掘進機。TBM 襯砌采用25cm 厚預制C50 鋼筋混凝土管片。

2.2.3 鉆爆法和TBM 法隧洞設計投資對比

經估算，鉆爆法施工總投資約為2.78 億元，TBM 雙護盾施工方案投資約為4.05 億元。

2.3 花椒園隧洞至蟒河渡槽隧洞方案

該方案布置原則、計算方法、洞身結構型式等與方案二相同，但由于該方案隧洞洞線進出口高程落差較小，導致洞底縱坡較緩，洞身斷面較大，具體布置如下。

根據《河南省焦作市引沁灌區續建配套與現代化改造初步設計階段工程地質勘察報告》，洞身段圍巖類別以Ⅱ類、Ⅲ類為主，少量為Ⅴ類，洞身段Ⅱ類圍巖約占58.58%，Ⅲ類圍巖約占38.23%，Ⅴ類圍巖及第四系含碎石粉質黏土約占3.19%。引沁總干渠花椒園洞出口至蟒河渡槽進口（總干樁ZGQ10+860～22+060）改為隧洞貫穿，此布置可以避開上游峪鐵水電站，不影響峪鐵水電站效益發揮。兩處連線因位于太行山坡積層，因此從花椒園洞出口向北開鑿隧洞引入巖體，然后至蟒河渡槽進口。該段原渠道長11.09km，總落差3.3m。設計隧洞長11.0km，縱坡1/3600，設計過水能力18m3/s。考慮到水頭較小及經濟性，自流灌溉設計流量10m3/s，提灌設計流量18m3/s。經計算，隧洞比降為1/3660，凈寬取4.5m，直墻段改3.0m，圓拱高1.228m，圓拱中心角120°。選用鉆爆法、TBM 雙護盾兩種方案進行比較。經估算,方案三鉆爆法施工總投資約為2.9 億元，TBM 雙護盾施工方案投資約為4.2 億元。

3 方案比選及分析

根據現場實際情況，方案一投資13.7 億元，且處理后煤礦開采可能會形成新的采空區，不能完全解決采空區對整個灌區的影響。另外采空區灌漿處理不確定因素的、不能很好控制投資，方案二與方案三隧洞長度基本相同，方案三2.9 億元隧洞落差較小，比降緩，洞徑大，投資相對較大。方案二投資2.8 億元，比降較陡，洞徑較小，整體較經濟，但是下穿太行山國家獼猴自然保護區，協調難度大，經與地方商議及綜合分析，選取方案三。鉆爆法比較靈活，可以很快開始開挖施工，可以適用于較多的洞型，適用于堅硬完整或較軟弱的圍巖，且比TBM 雙護盾施工方法經濟，所以本方案選用鉆爆法施工方案。經綜合分析，本次設計選用方案三：花椒園隧洞至蟒河渡槽隧洞方案。

4 結語

本文主要從隧洞的長度、投資、自然環境影響、水文地質條件、施工方法這幾個方面對三種方案進行比選，影響隧洞選線及方案的因素很多，所以應綜合考慮各種因素，進行技術比較后選定。