李芳

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司，山西太原030024）

1 工程概況

山西省萬家寨引黃工程北干線1號隧洞，洞長43.671km，全線均為無壓輸水，設(shè)計流量22.2m3/s。大梁水庫以下樁號30+621.532～43+470.641段隧洞縱坡為1/798.53。其中樁號18+375.000～43+470.641為TBM法施工段，斷面為圓形，TBM掘進直徑為4.819m，襯砌為預(yù)制混凝土管片拼裝式結(jié)構(gòu)，襯砌后內(nèi)徑為4.14m，管片與圍巖之間的空隙用豆礫石充填并進行回填灌漿。

山西省萬家寨引黃工程北干線1號隧洞上窯段工程，樁號為30+621.532～43+670.641，全長13.049km。工程內(nèi)容：隧洞的開挖、襯砌、豆礫石回填和水泥灌漿，隧洞原型觀測儀器的采購、安裝等。

2 工程地質(zhì)

工程位于平魯剝蝕黃土丘陵區(qū)，由安泰堡向斜、二鋪背斜、平魯向斜組成，受NE向區(qū)域構(gòu)造控制，發(fā)育一系列次一級寬緩褶曲和斷裂。

1號隧洞大梁至中溝灣隧洞段通過的地層，從大梁水庫起依次穿過奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組（O2s）灰白、深灰色中薄層白云質(zhì)灰?guī)r、薄層灰?guī)r、豹皮狀灰?guī)r夾薄層泥灰?guī)r。石炭系中統(tǒng)本溪組（C2b）石英砂巖、泥灰?guī)r、頁巖。石炭系上統(tǒng)太原組（C3t）中上部以石英砂巖—灰黑色泥巖—煤層—泥巖及砂巖為主要類型的巖性旋回組成，二疊系下統(tǒng)下石盒子組（P1x）的下段上部石英砂巖與黃綠、灰黑色頁巖、炭質(zhì)泥頁巖互層，下部灰黃色含礫粗砂巖（K5）；上段厚層狀中粗粒砂巖，含礫粗砂巖與紫紅色砂質(zhì)泥巖互層。

隧洞段巖層走向NE，傾向NW或SE，傾角5°～24°，一般5°～10°。構(gòu)造線方向呈北東向，以褶曲為主，由一系列的寬緩背斜和向斜組成。線路由北向南依次穿過二輔向斜、二輔背斜、安太堡向斜。斷裂構(gòu)造不發(fā)育，與隧洞穩(wěn)定有關(guān)的斷層為F3斷層，工程線路附近還發(fā)育有F6、F34斷層。F6正斷層，傾角70°，斷距25m，影響帶寬6～8 m，在洞軸線未端北部60～80m平行于洞線展布，與洞線距離較遠(yuǎn)，對隧洞穩(wěn)定無影響。F34為正斷層，走向N28°E，傾角70°，斷距40m，影響帶寬5～35m，長1km，在洞出口外展布，對隧洞穩(wěn)定無影響。

1號隧洞段地下水類型有奧陶系碳酸鹽巖巖溶裂隙水，石炭、二疊系碎屑巖裂隙水和上第三系、第四系松散巖層孔隙水。碳酸鹽巖巖溶裂隙水分布于大梁水庫附近樁號30+621.532～31+141段，碎屑巖裂隙水分布于樁號31+141至隧洞出口，松散巖層孔隙水分布于隧洞以上的覆蓋層中。

主要工程地質(zhì)問題：巖溶與風(fēng)化、煤層洞段和煤礦采空區(qū)、構(gòu)造及圍巖破碎洞段。

3 工程設(shè)計

3.1 預(yù)制管片襯砌結(jié)構(gòu)計算

3.1.1 計算方法

目前國內(nèi)外地下隧洞結(jié)構(gòu)的計算公式較多，一般以結(jié)構(gòu)力學(xué)計算方法為主，輔以有限元分析，按彈塑性理論計算，結(jié)合工程經(jīng)驗最終判定結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。對于較好的I、II類圍巖可采用有限元法進行計算，對于IV、V類圍巖可采用結(jié)構(gòu)力學(xué)法計算。

該隧洞襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法進行，計算采用《水利水電PC1500程序集》中的“隧洞襯砌內(nèi)力計算程序”，輔以有限元分析并結(jié)合引黃工程聯(lián)接段、總干線、南干線的隧洞工程進行類比分析。

3.1.2 計算荷載及其組合

荷載：基本荷載包括圍巖壓力、襯砌自重、內(nèi)水壓力、外水壓力、穩(wěn)定滲流場靜水壓力；特殊荷載包括校核水位時內(nèi)水壓力、施工荷載、灌漿壓力、溫度荷載、地震荷載等。荷載組合見表1。

表1 荷載組合表

3.1.3 計算結(jié)果

計算斷面選取4個：Ⅲ類圍巖取樁號33+450斷面，A型管片襯砌；Ⅳ類圍巖取樁號32+785斷面，B型管片襯砌；Ⅴ類圍巖取樁號37+860斷面，B型管片襯砌；出口土洞段取43+495斷面，現(xiàn)澆鋼筋混凝土襯砌。

每一橫斷面有4塊管片襯砌，各個管片相互獨立。管片連接處作為一模擬鉸處理，其對應(yīng)的圓心角為0.2°，徑向厚度為6cm。

根據(jù)1號洞各段內(nèi)力計算，確定襯砌厚度和裂縫寬度，具體見表2、表3。

表2 鋼筋混凝土襯砌厚度

由上述計算可知：不論荷載的長期組合，還是短期組合，裂縫滿足規(guī)范要求。

3.2 支護設(shè)計

TBM掘進段，預(yù)制鋼筋混凝土管片拼裝式結(jié)構(gòu)支護，4片管片組成一環(huán)，管片型式為六邊形蜂窩狀結(jié)構(gòu)，厚25cm，寬1.2m，襯砌后凈直徑為4.14m。管片與圍巖之間的空隙用豆礫石充填并進行回填灌漿，使之密實，以達到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和防滲止水效果。管片間設(shè)定位銷和導(dǎo)向桿。

表3 襯砌裂縫寬度結(jié)果表

管片混凝土：C45，W10，F(xiàn)200。豆礫石回填灌漿結(jié)石強度為C20，滲透系數(shù)K≤1×10-5cm/s。

3.3 防滲設(shè)計

北干線1號隧洞長約43.671km，為長距離封閉式輸水隧洞。無外水洞段內(nèi)水外滲會惡化洞周圍巖，高壓外水大量內(nèi)滲對隧洞結(jié)構(gòu)和生態(tài)環(huán)境將造成破壞。上窯段隧洞工程位于地下水位線以下，存在外水內(nèi)滲的可能。

管片襯砌體型較為復(fù)雜，在單位洞長出現(xiàn)的接縫較現(xiàn)澆混凝土襯砌多，除環(huán)向縫外，縱縫形式也較現(xiàn)澆混凝土襯砌縱縫復(fù)雜，由于管片襯砌為預(yù)制結(jié)構(gòu)拼裝而成，接縫接觸程度好壞與TBM掘進線路偏差、管片安裝精度關(guān)系非常密切。任何一個環(huán)節(jié)做不好，均可能對止水效果產(chǎn)生很大不利影響。

管片襯砌止水系統(tǒng)主要分為豆礫石回填灌漿層、橡膠止水條、防水膨脹砂漿三大部分，管片止水設(shè)計原理如下：

1）管片襯砌與開挖面之間的豆礫石回填灌漿。在掘進機施工洞段，預(yù)制鋼筋混凝土管片與巖面間的空隙采用豆礫石充填并進行回填灌漿，以達到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和防滲止水效果。回填灌漿并非一次連續(xù)灌注而成，而是采用分段、分序進行，即使灌漿層自身強度及密實性好，分序灌漿時仍產(chǎn)生冷縫，該縫便成為滲漏通道，故豆礫石回填灌漿層只能起到部分止水作用。為此，又設(shè)了橡膠止水條、微膨脹水泥砂漿兩道止水措施。

2）橡膠止水條。管片襯砌在建成運用期間，可能產(chǎn)生變形而開裂或錯縫，除對管片的制作和安裝誤差嚴(yán)格地限制外，管片的接縫還設(shè)置了能適應(yīng)變形的柔性止水。橡膠止水條的彈性、耐久性及止水效果均較好，采用了橡膠止水條做管片襯砌的柔性止水。

3）水泥砂漿勾縫。大梁水庫以上洞段采用特制CK砂漿勾縫，以下洞段采用微膨脹水泥砂漿勾縫。對涌水量大、外水豐富的圍巖洞段采用固結(jié)灌漿，形成防滲帷幕。在巖土洞過渡巖洞段采用固結(jié)灌漿，形成阻水帷幕，防止內(nèi)水外滲惡化洞周土體條件。

4 經(jīng)驗

上窯段工程位于1號隧洞的下游段，地質(zhì)條件頗為復(fù)雜，經(jīng)過Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ類圍巖，在設(shè)計過程中也經(jīng)歷了很多曲折，獲得了一些經(jīng)驗，主要有以下幾方面：

1）充分作好前期準(zhǔn)備工作，掌握現(xiàn)場基本資料，進行科學(xué)分析論證，是搞好設(shè)計的前提。

2）在工程實施過程中及時處理施工中發(fā)現(xiàn)的問題。該段工程線路長約13km、埋深大，其設(shè)計地質(zhì)條件與實際有一定的差異，施工過程中難免會遇到一些不可見的不利情況，這就要求設(shè)計人必須根據(jù)實際情況及時做出設(shè)計修改或設(shè)計變更，使設(shè)計更合理。

3）管片裂縫原因的探究。該段工程預(yù)制鋼筋混凝土襯砌安裝過程中，出現(xiàn)裂縫的管片達幾百片，超出了設(shè)計人員的預(yù)期結(jié)果。究其原因，有多方面的因素：現(xiàn)場工人的操作、TBM設(shè)備以及地質(zhì)條件等。但是，管片破壞的機理尚未搞明白，需要做進一步的研究。