田俊佳，王金宏

(云南創(chuàng)研勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650228)

1 工程概況

某排洪、輸水工程位于山區(qū)河谷地帶，由兩個(gè)進(jìn)口位置不同的、獨(dú)立的無壓隧洞，和一個(gè)匯合后的無壓隧洞組成，平面布置見圖1。排洪隧洞長(zhǎng)0.34 km，設(shè)計(jì)底坡1/50，設(shè)計(jì)最大過流量11.0 m3/s(設(shè)計(jì)洪水經(jīng)調(diào)節(jié)后的下泄流量)，隧洞斷面為圓拱直墻形式，頂拱中心角180°，C25鋼筋混凝土襯砌，厚30 cm，斷面凈寬1.5 m、凈高1.8 m，襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)面布置鋼筋，底板沿結(jié)構(gòu)底部、上表面分別布置下層、上層鋼筋。輸水排洪隧洞長(zhǎng)1.60 km，設(shè)計(jì)底坡1/150，設(shè)計(jì)輸水流量0.6 m3/s，排洪流量4.65 m3/s，合計(jì)5.25 m3/s，斷面型式、結(jié)構(gòu)、尺寸同排洪隧洞。

圖1 隧洞平面布置示意圖Fig. 1 Schematic diagram of tunnel layout

兩隧洞與匯合洞彎道連接，轉(zhuǎn)彎半徑為10.8 m(大于洞寬1.5 m的5倍，三個(gè)隧洞均屬于低流速隧洞)，設(shè)計(jì)底坡0。匯合隧洞長(zhǎng)86 m，設(shè)計(jì)底坡1/80，設(shè)計(jì)最大過流量16.5 m3/s，隧洞斷面為圓拱直墻形式，頂拱中心角180°，C25鋼筋混凝土襯砌，厚35 cm，斷面凈寬1.8 m、凈高2.4 m，襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)面布置鋼筋，底板沿結(jié)構(gòu)底部、上表面分別布置下層、上層鋼筋。

隧洞施工安全措施，初期支護(hù)采用鋼拱架、噴C20細(xì)石混凝土(厚10 cm)，拱架、噴錨支護(hù)緊跟掌子面(常規(guī)地質(zhì)條件，無支護(hù)段長(zhǎng)不超過10 m，地質(zhì)條件差時(shí)，不超過5 m)。Ⅲ類圍巖直接噴混凝土，Ⅳ類圍巖立鋼拱架(間距1.0～1.2 m)、噴混凝土，Ⅴ類圍巖立鋼拱架(間距0.8 m)、噴混凝土，地質(zhì)條件差的局部地段，在頂拱鋼拱架外沿軸向打超前錨桿(間距20 cm)、仰角5°，和垂直于軸向的、扇型布置的系統(tǒng)錨桿(1個(gè)斷面3根夾角45°、或2根夾角60°，交替)，立鋼拱架(間距0.8～0.6 m)、噴混凝土；不打超前錨桿的洞段，立拱架前掛網(wǎng)。鋼拱架分為三段，直墻的立柱左右各一段，頂拱圓弧一段，立柱安裝、固定好后，架設(shè)、安裝頂拱鋼支撐，與立柱上端的墊板用螺栓連接。立柱下端設(shè)鎖腳錨桿，上端設(shè)定位錨桿，詳見圖2。

圖2 Ⅳ、Ⅴ類圍巖隧洞結(jié)構(gòu)和支護(hù)斷面圖Fig.2 Cross-section of tunnel structure of IV and V surrounding rock and support

2 隧洞斷面結(jié)構(gòu)和尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)及施工措施

輸水排洪隧洞從進(jìn)口、匯合洞出口兩端頭施工，由于隧洞較長(zhǎng)、且轉(zhuǎn)彎，洞內(nèi)通風(fēng)不好，需要大功率大斷面的風(fēng)機(jī)供風(fēng)；斷面小，只能等1個(gè)車輛進(jìn)出后，另1個(gè)車輛才能進(jìn)入，運(yùn)輸距離長(zhǎng)、外面的車輛等候時(shí)間長(zhǎng)，斷面尺寸對(duì)于施工作業(yè)來說，顯得比較狹窄。為控制工程量，不設(shè)置錯(cuò)車道。1個(gè)作業(yè)面的施工進(jìn)尺，從最初的一天3炮10 m，到后來一天1炮2.0～3.5 m，影響施工進(jìn)度和工期。遇到特殊地質(zhì)情況，需花一天時(shí)間打超前錨桿。

設(shè)計(jì)時(shí)選擇基本尺寸的小斷面隧洞(控制工程量和投資)，施工時(shí)需要尺寸大一些的斷面以便于操作，二者形成了矛盾。尤其是對(duì)下一步襯砌混凝土澆筑完畢、養(yǎng)護(hù)好、驗(yàn)收后的回填灌漿工作來說，作業(yè)面更加狹小。

鑒于以上原因，結(jié)合隧洞斷面開挖施工過程中出現(xiàn)的問題，設(shè)計(jì)方在保持基本設(shè)計(jì)斷面尺寸、主要工程量不變的情況下，對(duì)排洪隧洞、輸水隧洞斷面做了結(jié)構(gòu)和尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)。雖然匯合隧洞不存在斷面尺寸問題，考慮到斷面結(jié)構(gòu)尺寸能稍微大一點(diǎn)，有利于今后工程管理，檢修維護(hù)時(shí)的通風(fēng)、作業(yè)，對(duì)也其進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

優(yōu)化設(shè)計(jì)主要有以下幾點(diǎn)：

1)調(diào)整布置于鋼拱架外側(cè)的、順軸向的HRB335φ20 mm聯(lián)系鋼筋位置，由于開挖好的斷面不光滑、不規(guī)整，幾榀拱架間如果按原設(shè)計(jì)拉通布置聯(lián)系鋼筋，需要鑿除局部突出的巖石尖角和凸出部分，一方面增加了初期支護(hù)的鑿巖時(shí)間，不符合快支護(hù)、早成環(huán)、早封閉、少擾動(dòng)的原則，一方面該空間不屬于工程結(jié)構(gòu)范圍，鑿出來的空間下一步需要澆灌混凝土填滿。因此，設(shè)計(jì)提出聯(lián)系、穩(wěn)定鋼拱架的鋼筋位置，由施工人員根據(jù)實(shí)際情況確定：

(1)如果拱架外側(cè)有空間，可以按原設(shè)計(jì)從外壁拉通布置、焊接；

(2)如果拱架外側(cè)沒有空間，兩榀拱架間有巖石尖角和凸出部分，凸出部分不超過40 mm，不予鑿除，在兩榀工字鋼的內(nèi)緣焊接聯(lián)系鋼筋，可以使用短鋼筋；

(3)如果拱架外側(cè)沒有空間，凸出部分超過40 mm、屬于欠挖，需給予鑿除(將凸出部分控制在40 mm以內(nèi))，再將聯(lián)系鋼筋布置在拱架內(nèi)側(cè)，可以使用短鋼筋。每個(gè)橫斷面的聯(lián)系鋼筋，綜合外側(cè)、內(nèi)側(cè)均勻布置，根數(shù)只可增加，不可減少。

從已開挖出來的幾段斷面來看，普遍存在超挖，因此，外圈尺寸內(nèi)(兩側(cè)和頂拱)聯(lián)系鋼筋的空間≤20 mm的范圍不作為設(shè)計(jì)硬性要求的、必須開挖的尺寸，要求施工單位根據(jù)前一施工斷面的開挖情況，按照重地質(zhì)、少擾動(dòng)(少藥量)、弱爆破、短進(jìn)尺的原則，掌握洞挖的炮眼的布置和間距、數(shù)量、深度、傾斜角度，用藥量的多少，嚴(yán)格控制開挖量和開挖尺寸。

2)初期支護(hù)工字鋼型號(hào)，排洪、輸水隧洞從“普工14#”調(diào)整為“普工12#”，匯合隧洞從“普工16#”調(diào)整為“普工14#”，拱架間距根據(jù)隧洞地質(zhì)情況，看是否調(diào)整、加密(間距縮短約20 cm)，在保障施工安全的基礎(chǔ)上，盡量不超工程量。

工字鋼型號(hào)尺寸調(diào)整后，外邊緣尺寸不變，內(nèi)邊緣處可留出20 mm的空間，即可布置聯(lián)系鋼筋。

3)隧洞洞身C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)尺寸，底板位置、襯砌厚度不變，側(cè)墻、頂拱整體向外圍擴(kuò)大20 mm一圈，優(yōu)化后排洪、輸水隧洞斷面凈寬1.54 m、凈高1.82 m，空間增加0.09 m2，占原面積2.46 m2的3.6 %；匯合隧洞斷面凈寬1.84 m、凈高2.42 m，空間增加0.117 m2，占原面積3.97 m2的3.0 %。

設(shè)計(jì)優(yōu)化調(diào)整后，復(fù)核計(jì)算排洪、輸水隧洞工程量，Ⅳ、Ⅴ類圍巖斷面每m斷面工程量：洞挖方量，側(cè)墻、頂拱減少20 mm一圈，混凝土量側(cè)墻、頂拱減少內(nèi)側(cè)面20 mm一圈；支護(hù)體兩側(cè)壁和頂拱原有40、60 mm空隙需澆灌、回填混凝土，優(yōu)化后空隙只有20、40 mm，20 mm作為結(jié)構(gòu)混凝土澆筑，混凝土澆筑量每m比原斷面減少約0.009 m3，占0.9 %。

Ⅲ類圍巖斷面初期支護(hù)為直接噴混凝土(厚10 cm)，設(shè)計(jì)調(diào)整后，兩側(cè)、頂拱設(shè)計(jì)開挖斷面尺寸需擴(kuò)大20 mm一圈，洞挖方量和混凝土量，側(cè)墻、頂拱從外壁增加20 mm一圈。每m斷面：開挖量增加約0.102 m3，占3.0 %，混凝土量增加約0.099 m3，占3.0 %，見圖3。

圖3 Ⅲ類圍巖隧洞結(jié)構(gòu)和支護(hù)斷面圖Fig.3 Cross-section of tunnel structure of Ⅲ surrounding rock and support

結(jié)構(gòu)內(nèi)圈尺寸變化部位布置的鋼筋、尺寸相應(yīng)調(diào)整，鋼筋用量略有增加。

無壓隧洞襯砌結(jié)構(gòu)主要承受來自外壁的圍巖壓力、地下水壓力，內(nèi)部的水壓力很小，經(jīng)復(fù)核計(jì)算，結(jié)構(gòu)尺寸擴(kuò)大后，兩種斷面的襯砌厚度30 cm、35 cm不變，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、應(yīng)力滿足要求。

緊貼拱架內(nèi)壁布置的聯(lián)系鋼筋，澆入C25混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)，一定程度上可將其視為結(jié)構(gòu)鋼筋，在完成聯(lián)系拱架、保證初期支護(hù)整體穩(wěn)定的作用后，與C25混凝土結(jié)合，起到支持襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定、分擔(dān)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的一份子，見圖4。

圖4 聯(lián)系鋼筋在拱架背后、前面間隔設(shè)置Fig.4 Interval arrangement of tie bars in the back and front of the arch

4)為便于施工作業(yè)，排洪、輸水兩個(gè)隧洞進(jìn)口鎖口長(zhǎng)20 m的一段，鋼筋混凝土斷面按匯合隧洞斷面施工，鋼拱架采用“普工14#”，混凝土厚度35 cm，結(jié)構(gòu)尺寸擴(kuò)大15 cm一圈。其后設(shè)2 m長(zhǎng)漸變段與洞身斷面相接。洞口前的喇叭口和仰拱尺寸做相應(yīng)調(diào)整。兩個(gè)鎖口和漸變段增加了混凝土和鋼筋(混凝土增加48 m3)。

由于Ⅳ、Ⅴ類圍巖洞段多、占81 %，調(diào)整設(shè)計(jì)后，洞身混凝土和鋼筋增減，總體上變化不大，經(jīng)業(yè)主、監(jiān)理、施工共同商議，洞身增減的工程量不另行計(jì)量，按合同工程量結(jié)算。進(jìn)口鎖口和漸變段混凝土和鋼筋，按變更后的圖紙工程量計(jì)量，洞身工程計(jì)量長(zhǎng)度減少44 m。

3 結(jié)論

1)在同樣工程量情況下，應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)斷面的凈空尺寸最大，有利于工程施工和運(yùn)行管理。本工程輸水隧洞較長(zhǎng)，適宜的結(jié)構(gòu)尺寸為凈寬1.6～1.65 m、凈高1.85 m。

優(yōu)化設(shè)計(jì)、斷面尺寸調(diào)整(擴(kuò)大)后，設(shè)計(jì)流量不變時(shí)，排洪隧洞底坡可在1/50～1/55之間調(diào)整、變動(dòng)，輸水隧洞底坡可在1/150～1/160之間調(diào)整、變動(dòng)，匯合隧洞底坡可在1/80～1/88之間調(diào)整、變動(dòng)，有助于隧洞平面布置、縱剖面設(shè)計(jì)，如適當(dāng)整體提高匯合隧洞的高程，減少隧洞長(zhǎng)度。

同等底坡情況下，斷面尺寸的擴(kuò)大，增加了過流量，提高了泄洪能力。

2)小斷面的隧洞，一段不宜太長(zhǎng)，一般洞長(zhǎng)600 m后，接一段明渠或渡槽，施工時(shí)在洞口兩端設(shè)置施工作業(yè)面(區(qū))，可大大縮短洞內(nèi)運(yùn)輸距離和通風(fēng)距離，和施工工序輪換、交替的時(shí)間，不僅利于通風(fēng)、保證施工工期，同時(shí)節(jié)約施工成本。

3)不宜僅僅為節(jié)省工程量設(shè)計(jì)小斷面隧洞。小斷面隧洞尺寸小，施工作業(yè)受限于狹小空間，機(jī)械化的施工設(shè)備使用率低，大多工序是人工作業(yè)(比如錨桿、超前導(dǎo)管的施工，圖5)，效率和人員安全性低。

4)從進(jìn)口施工的隧洞，洞內(nèi)排水靠抽排，隧洞掘進(jìn)深度超過500 m時(shí)，抽排水成本較高，尤其停電、靠柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電來供風(fēng)、抽排水、照明，成本更高；作業(yè)點(diǎn)附近地面時(shí)常存在積水，影響施工操作、運(yùn)輸和通行，見圖6。而且，存在突然停電、作業(yè)面被浸沒的風(fēng)險(xiǎn)。輸水隧洞主要從出口的作業(yè)面掘進(jìn)，進(jìn)口工區(qū)掘進(jìn)到650 m時(shí)，隧洞貫通。

圖5 錨桿施工Fig.5 Anchor construction

圖6 從進(jìn)口施工的隧洞，地面時(shí)常積水。Fig.6 Tunnels constructed from the entrance often having water on the ground

5)施工過程中，為增強(qiáng)隧洞內(nèi)的通風(fēng)，在輸水隧洞軸線沿線地表選擇覆蓋層不厚的地點(diǎn)(里程1+005)利用地質(zhì)鉆機(jī)打通氣孔，孔徑300 mm，下套管，孔口做網(wǎng)罩防護(hù)，孔深58.9 m。通風(fēng)孔與洞身聯(lián)通后，洞內(nèi)通風(fēng)較好。施工結(jié)束后，通風(fēng)孔永久保留。

6)三個(gè)隧洞的交匯、“V型”尖角處，巖體單薄、不穩(wěn)定，要加強(qiáng)支護(hù)；由于洞挖爆破作業(yè)，尖角部位圍巖破碎、松散、易脫落，見圖7，為避免巖體變形，尖角體的凸出面從基礎(chǔ)到頂部用漿砌石襯護(hù)(澆筑永久襯砌混凝土前拆除)。隧洞交匯部位施工車輛過往頻繁，底部形成凹槽并積水，見圖8，影響到鋼支撐立柱的基礎(chǔ)穩(wěn)固和圍巖的整體穩(wěn)定。按照施工程序，隧洞貫通后，先澆筑邊墻和頂拱鋼筋混凝土，最后從里向外澆筑底板鋼筋混凝土。針對(duì)出現(xiàn)的問題，采取工程措施處理，抽干積水、清理底板凹槽部位至新鮮基巖，回填埋石混凝土到底板建基面，養(yǎng)護(hù)好后在面層鋪設(shè)保護(hù)鋼墊板，澆筑底板鋼筋混凝土前再將建基面清理干凈。

目前該工程完工兩年多，投入使用后發(fā)揮了很好的功效和作用。

圖7 “V型”尖角部位，圍巖破碎、松散、易脫落Fig.7 Surrounding rock breaking, loosing and falling off the V-shape corne

圖8 隧洞交匯處，施工期間車輛過往頻繁，形成凹槽并積水Fig.8 Vehicles passing frequently at the intersection of the tunnel during the construction and forming grooves and water accumulation