蘭慶琳

（甘肅省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,甘肅 蘭州 730000）

本文實(shí)例為景電灌區(qū)一期總干渠1#隧洞改造。景電灌區(qū)是甘肅省景泰縣、古浪縣以及內(nèi)蒙古阿拉善左旗經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施,為景泰川當(dāng)?shù)靥峁┝藞?jiān)實(shí)的水資源保障。同時(shí),灌區(qū)百萬畝良田與十余萬畝三北防護(hù)林帶連成一片,阻止了騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠的南侵,生態(tài)地位尤為突出。由于改造工程受灌區(qū)上水制約,因此施工都安排在灌區(qū)停水期進(jìn)行。根據(jù)灌溉制度,景電一期每年9 月1 日～10 月10 日、11 月15 日～翌年3 月10 日為灌區(qū)停水期,每年可供連續(xù)施工的天數(shù)為154 天左右。總干渠1#隧洞全長460 m,作為骨干輸水工程的重要控制節(jié)點(diǎn),能否在停水期完成施工并順利通水,對整個(gè)灌區(qū)正常運(yùn)行至關(guān)重要。因此,對1#隧洞的改造方案研究十分有必要,同時(shí),也可以為其他灌區(qū)隧洞工程改造提供借鑒。

1 隧洞現(xiàn)狀及存在問題

一期總干渠現(xiàn)狀隧洞共計(jì)5 座隧洞,其中3#、4#隧洞已經(jīng)改造成為明渠,剩余躍進(jìn)隧洞、1#及2#隧洞未進(jìn)行改造,隧洞主要存在的問題有以下2 類。

（1）過流能力嚴(yán)重不足。2019 年,景電一期大型泵站更新改造項(xiàng)目對景電一期灌區(qū)規(guī)模進(jìn)行復(fù)核,受灌區(qū)旱情逐年加重、農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)變化、各級(jí)泵站控制灌溉面積調(diào)整等因素的影響,復(fù)核后各級(jí)泵站流量由原設(shè)計(jì)流量10.67 m3/s增大為13.17 m3/s。通過實(shí)施大泵改造項(xiàng)目,總干6 座泵站均已改造完成,但是渠道及渠系建筑物均未改造。1#隧洞原設(shè)計(jì)為城門洞型式,洞寬3 m,高3 m,隧洞最大過流12 m3/s,現(xiàn)狀隧洞過流能力嚴(yán)重不足。受限于隧洞等渠系建筑物過流能力不足,一期自泵站改造后一直達(dá)不到設(shè)計(jì)流量運(yùn)行,渠系建筑物亟待改造。

（2）隧洞運(yùn)行年限過長,結(jié)構(gòu)破損嚴(yán)重。一期總干渠1#隧洞自建成至今已運(yùn)行50 年,遠(yuǎn)超一期渠系建筑物合理使用年限,隧洞存在混凝土破損剝落,洞身襯砌接縫止水及施工縫局部漏水等問題,在拱頂、直墻見有1 mm～2 mm 寬的細(xì)小裂縫（沿洞軸向）。

2 隧洞地質(zhì)條件

1#隧洞全長460 m,隧洞埋深17 m～49.5 m,圍巖為新近系砂礫巖夾礫巖,以泥質(zhì)膠結(jié)為主,局部段為泥鈣質(zhì)膠結(jié),巖性軟弱,屬極軟巖；隧洞位于刀楞山北坡大斷層下盤,距斷層約25 m～30 m；受刀楞山斷層影響,使近于水平的巖層產(chǎn)狀變陡至30°,巖體結(jié)構(gòu)面以層面裂隙為主,層間結(jié)合差,巖體中發(fā)育陡傾角裂隙；根據(jù)收集的施工地質(zhì)編錄資料,樁號(hào)0+000～0+156 段砂礫巖夾礫巖泥質(zhì)膠結(jié),圍巖中裂隙發(fā)育少且小,圍巖較完整,發(fā)育1 條大裂隙,地表寬約20 cm,其中,樁號(hào)0+075～0+090 段地表發(fā)育沖溝,洞頂圍巖厚約17 m,前期施工中巖體濕度大,圍巖變軟；樁號(hào)0+156～0+260 段砂礫巖夾礫巖泥質(zhì)膠結(jié),圍巖中大裂隙發(fā)育,部分裂隙寬度>10 cm,巖體破碎；樁號(hào)0+260～0+335 段砂礫巖夾礫巖泥鈣質(zhì)膠結(jié),較堅(jiān)硬,圍巖中裂隙較發(fā)育,巖體較破碎；樁號(hào)0+335～0+402段砂礫巖夾礫巖泥鈣質(zhì)膠結(jié),較堅(jiān)硬,圍巖中裂隙發(fā)育,巖體破碎,為刀楞山斷層影響的裂隙密集帶；樁號(hào)0+402～0+420段砂礫巖夾礫巖泥質(zhì)膠結(jié),巖性軟弱,圍巖中裂隙發(fā)育較少,巖體較完整；樁號(hào)0+420～0+460 段砂礫巖夾礫巖泥質(zhì)膠結(jié)差,巖性軟弱。圍巖中無地下水活動(dòng),隧洞圍巖為極不穩(wěn)定的Ⅴ類圍巖。

3 隧洞線路的擬定

根據(jù)隧洞前后建筑物銜接關(guān)系以及地形地質(zhì)條件,隧洞改造初擬原址擴(kuò)建及改線重建方案進(jìn)行比選。

3.1 方案一：原址擴(kuò)建方案

方案一在現(xiàn)有隧洞基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)挖,1#隧洞改造沿用城門洞型式,經(jīng)過水力學(xué)計(jì)算,改造后洞寬3.5 m,洞高3.7 m,直墻高2.7 m,頂拱半徑2.02 m。根據(jù)地質(zhì)條件,圍巖中無地下水活動(dòng),隧洞圍巖為極不穩(wěn)定的Ⅴ類圍巖。原隧洞斷面寬×高為3 m×3 m 斷面,擴(kuò)挖后寬×高為3.5 m×3.7 m,隧洞采用噴錨支護(hù)方案,在頂拱、側(cè)墻及底板噴15 cm 厚C20 砼,頂拱及側(cè)墻范圍采用φ25 砂漿錨桿,排距1 m,梅花形布置,全斷面采用I16 型鋼拱架,榀距1.0 m。必要時(shí)掌子面隨機(jī)超前注漿加固措施[1]。隧洞襯砌采用C30 鋼筋砼,厚度0.5 m。

3.2 方案二：改線重建方案

方案二為改線重建方案,根據(jù)現(xiàn)狀隧洞位置,1#隧洞右側(cè)山體覆蓋層較薄,且沿線沖溝較多,左側(cè)山體覆蓋層較厚,因此,在1#隧洞左側(cè)重新選址新建隧洞,新建隧洞長度約521 m,由于地質(zhì)條件相同,隧洞圍巖為不穩(wěn)定的V 類圍巖,隧洞襯砌型式同擴(kuò)建相同,均為一次噴錨支護(hù),二次砼襯砌。

圖1 1#隧洞方案比選示意圖

4 隧洞改造方案比選

4.1 工程布置的比較

方案一原址擴(kuò)建方案,隧洞線路未發(fā)生變化,渠線前后銜接順直,水流流態(tài)好。方案二改線重建方案,改線后渠線中心線發(fā)生偏移,流態(tài)較差,同時(shí)前后銜接的建筑物均需拆除重建,施工難度較大。同時(shí),方案二新建隧洞長度521 m,較現(xiàn)狀隧洞長61 m,因此,就工程布置而言,方案一優(yōu)于方案二。

4.2 工程地質(zhì)條件

方案一和方案二水平軸線間距為50 m,工程地質(zhì)條件相似,圍巖為新近系砂礫巖夾礫巖,以泥質(zhì)膠結(jié)為主,圍巖中無地下水活動(dòng),均為不穩(wěn)定的Ⅴ類圍巖。但是方案二線路距離刀楞山北坡大斷層下盤更近,受刀楞山斷層影響程度更大。

4.3 施工技術(shù)方案的比較

就施工工藝而言,方案一為現(xiàn)有隧洞基礎(chǔ)上擴(kuò)挖,方案二為新鮮巖面。隧洞斷面具備機(jī)械化施工的條件,方案一施工強(qiáng)調(diào)采用短進(jìn)尺、弱振動(dòng)拆除、強(qiáng)支護(hù)措施施工[2],原則上拆除、擴(kuò)挖一米,支護(hù)一榀,每循環(huán)進(jìn)尺控制0.5 m～1.0 m。必要時(shí)（破碎帶洞段）采用鋼管管棚注漿超前支護(hù)的加固措施。隧洞內(nèi)原鋼筋混凝土鑿除采用HW-26 型挖改破碎錘配合混凝土切割機(jī)進(jìn)行鑿除,局部采用人工持手持式風(fēng)鎬施工,鑿除棄渣由1 m3裝載機(jī)裝,隧洞內(nèi)采用四不像汽車或農(nóng)用三輪車運(yùn)輸。方案二的施工可以采用常見超前管棚配合鉆爆法施工方案,管棚超前小導(dǎo)管注漿超前支護(hù)加固,開挖嚴(yán)格按照光面爆破控制,錨噴作業(yè)應(yīng)緊跟在爆破工作后及時(shí)完成。鉆爆作業(yè)按照“短進(jìn)尺、弱爆破、少擾動(dòng)”的原則施工[3]。開挖按淺孔、小藥量、多循環(huán)鉆爆,先開挖下導(dǎo)洞超前1～2 排炮,再擴(kuò)挖跟進(jìn),鉆爆循環(huán)進(jìn)尺1.0 m。

兩方案就施工技術(shù)而言,方案一采用鉆爆法安全風(fēng)險(xiǎn)較大,只能通過小型機(jī)械和混凝土切割機(jī)進(jìn)行鑿除,局部采用人工持手持式風(fēng)鎬施工,工序較為復(fù)雜,施工工期較長。

4.4 投資比較

經(jīng)投資比較,方案一投資1087.18 萬元,方案二投資1535.18 萬元,兩方案相比,方案二投資較方案一增加448 萬元。

表1 方案一（原址擴(kuò)建方案）投資表

表2 方案二（改線重建方案）投資表

4.5 綜合比選

方案一（原址擴(kuò)建方案）的優(yōu)點(diǎn)是投資小,渠線銜接較順直,水流流態(tài)好。缺點(diǎn)是施工工序較為復(fù)雜,施工工期相對較長。

方案二（改線重建方案）的優(yōu)點(diǎn)是不受工期影響,可在任何時(shí)段進(jìn)行施工,不影響灌區(qū)的正常灌溉。缺點(diǎn)是投資大,改線后渠線中心線發(fā)生偏移,線路變長,流態(tài)較差,同時(shí)前后銜接的建筑物均需拆除重建,施工難度較大。

經(jīng)綜合比選,推薦方案一（原址擴(kuò)建方案）,針對施工工期較長的缺點(diǎn),可以通過施工進(jìn)度計(jì)劃安排,在灌區(qū)一個(gè)年度檢修期和非灌溉期分期擴(kuò)建,完成隧洞改造。

5 結(jié)論

本文以景電灌區(qū)一期總干渠1#隧洞改造方案為例,根據(jù)線路地形地質(zhì)條件,初步擬定兩個(gè)隧洞輸水線路方案,通過對兩方案工程布置、施工技術(shù)難度、工程投資等方面進(jìn)行比較,最終選定方案一原址擴(kuò)建方案為推薦方案。