下穿越居民區的淺埋輸水隧洞擴建設計

劉甲奇 王濤

當下，國家對水利工程的投入力度大，加快水利基礎設施建設工作，目前我國已建的許多水利工程設施大都建設于20 世紀60—70 年代，迄今為止，這批已建水利工程的使用壽命大部分超過50 年，已經達到使用年限，需要改造升級或拆除重建。

輸水隧洞工程在引調水工程、灌區灌溉工程中發揮著重要作用，其技術也相對較為復雜，20 世紀60—70 年代建設的一些隧洞，其設計過流能力已經不能滿足現階段當地居民生產生活，需要對其進行處理，在處理措施中，隧洞的擴建工程技術應用就應運而生。水利工程引水隧洞擴建工程領域，研究的結果較少，大部分水利工程還未進行隧洞的擴建，這可能是由于隧洞擴建工程技術復雜，危險性較大。隧洞的擴建一般分為雙側擴建、單側擴建和四周擴建[1]，無論哪種擴建方法，原有隧洞支護結構的拆除和擴挖都是危險性較大的工程。擴建隧洞中，首先需拆除原有隧洞的襯砌結構，然后再擴挖隧洞斷面，這樣一來就破壞了圍巖原來保持的平衡狀態，使得圍巖的受力情況變得較為復雜。特別是遇到隧洞圍巖是軟弱松散巖體，洞頂埋深較淺，圍巖的承載力較差，滲透穩定性不足，在洞頂上的巖土體較難構成完整的拱形支撐結構，容易坍塌而產生較大的地面下沉[2]。特別是當淺埋隧洞穿越既有居民樓或其他工程時，由于施工擾動地層，導致圍巖虧空，從而引起地表發生明顯位移，對地表上的建筑物及周邊環境造成較大的影響。

所以，擴建隧洞設計方法的研究就顯得格外重要。本文依托某隧洞擴建工程，探索了原位擴建隧洞淺埋段的設計方法與思路，以期為后續類似隧洞工程的設計和施工提供一些參考與借鑒。

1 工程概況

1.1 項目介紹

某供水工程設計引水流量為31 m3/s，為Ⅱ等大（2）型工程。輸水隧洞長193 m，為無壓隧洞，洞身斷面采用標準馬蹄形斷面，設計凈尺寸為4.3 m×4.3 m，設計洞身底坡為1/600。隧洞上方與一條公路相交，并穿越一個居民聚集點。隧洞沿線埋深0~12 m。原隧洞設計流量23.4 m3/s，加大流量25.7 m3/s，洞身底坡為1/600。

經現場查勘，現狀隧洞洞身為蛋形斷面，襯砌后最大高度為4.15 m，最大寬度為3.4 m，采用裝配式混凝土襯砌，由2 塊側墻和2 塊頂拱拼裝而成。頂拱為混凝土襯砌，厚300 mm；側墻為混凝土襯砌，頂部厚300 mm，底部厚800 mm，洞底為300 mm厚的漿砌塊石。隧洞運行至今已達50年之久，存在襯砌混凝土老化、止水破壞接縫漏水等問題；根據對現狀隧洞的復核計算，現狀隧洞結構強度不能滿足正常使用功能，結構安全性為C級。且現狀隧洞襯砌凈斷面尺寸較小，不能滿足現階段的過流要求，經經濟技術分析比較后，隧洞需進行擴建，增加其過流能力，滿足輸水要求。

1.2 工程地質

現狀隧洞地質條件：地表為坡殘積壤土或細粒土質砂，厚約3 m；下伏為粗粒結構花崗巖，隧洞洞頂巖層厚度7~10 m。隧洞穿越地層大部分為全風化花崗巖，風化呈壤土狀，遇水飽和后極易崩解，部分為強風化花崗巖。隧洞沿線地下水位較低，出露位置低于洞頂板2 m 以下，且地下水水量不大，對開挖影響不嚴重。隧洞頂部房屋密集，圍巖地質條件較差，施工過程中發生過塌方，本隧洞圍巖主要為細粒土質砂狀全風化花崗巖，局部為強風化或弱風化花崗巖，圍巖類別為Ⅳ、Ⅴ類。鉆探揭露深度24.0 m范圍內，地層巖性分別為：

（3）高村單元（P2g）巖性為細粒斑狀黑云母二長花崗巖，強風化帶為斑狀結構、塊狀構造，巖體不完整；弱風化帶較完整，隱裂隙發育，巖質較硬。

（4）三疊系侵入巖竹山嶺單元（T1zh）巖性是中細粒斑狀二長花崗巖，強風化帶為中細粒結構、塊狀構造，巖體破碎；弱風化帶較為完整，隱裂隙發育，巖質堅硬。

擴建隧洞的三維地質模型如圖1所示。

圖1 隧洞三維地質模型

2 設計技術要點

（1）隧洞斷面形式的選擇。通過比選確定隧洞的斷面形式。

（2）荷載選擇與確定。在隧洞上部，有許多房屋，還有1 條國道公路，在考慮淺埋隧洞作用荷載時，需考慮隧洞上部房屋荷載、車輛活荷載等的作用。

（3）淺埋隧洞的支護方式選擇。超前支護、一次支護、二次支護等支護方式需根據淺埋隧洞埋深淺，上部覆土薄等特點進行特殊設計。

（4）隧洞擴挖的施工方法。解決擴挖隧洞中，選擇合適的開挖方式，使其對周邊巖土體擾動最小，避免出現大面積的坍塌。

（5）在居民區，盡可能減少對居民生產生活的影響，選擇易于當地群眾接受的防護措施，減少安全隱患。

3 輸水隧洞結構設計

3.1 斷面形式及洞徑選擇

隧洞斷面形式比選了圓形、馬蹄形、城門洞形3 種斷面形式[3]。本工程隧洞為輸水隧洞，根據地質情況，該洞段圍巖破碎，大部分圍巖為Ⅳ~Ⅴ類，少部分Ⅲ類。從過流條件、隧洞結構受力條件、運行管理條件、施工難易性、經濟性等多方面考慮，推薦采用馬蹄形斷面。3 種比選方案的詳細內容見表1。

3.2 超前支護設計

3.2.1 長管棚、小導管注漿加固

超前支護根據洞頂土層厚度及圍巖相關條件采用長管棚、小導管注漿加固[4]。超前小導管為Φ42×5 mm 的熱軋無縫鋼管，長度為5 m。對于淺埋隧洞的施工，采用雙層小導管注漿，內側小導管的外傾角在6°～10°之間，外側小導管外傾角在14°～20°之間，每循環超前小導管之間的搭接長度為1.5 m。

大剛度管棚選用Φ108×3.5 mm熱軋無縫鋼管，長度30 m，外傾角1°~3°，形成有效的擴散型的保護殼，管棚間距為2.0～2.5 倍鋼管直徑，管棚內壓注水泥漿或化學漿液，形成一定厚度的傘狀保護殼，然后在大管棚的保護下保證開挖隧洞的順利。

3.2.2 洞頂沿線固結灌漿

在隧洞頂部采用沿線固結灌漿：對洞頂土層進行加固，形成“結石體”，使原來破碎松散的圍巖膠結成一個整體，提高其凝聚力與巖土體剛度。從而使隧洞頂部的圍巖保持穩定，達到保證工程安全及順利掘進的目的。

注漿壓力：初壓0.2 MPa，終壓2~3 MPa，采用孔口阻塞純壓式灌漿法施工[5]。注漿順序：先灌注外側兩排孔，此后依次向內推進；每排注漿孔內，先灌注兩端的孔，然后間隔灌注。豎向灌漿范圍為隧洞開挖輪廓以外到地表1.5 m以下，詳細的地基加固范圍如圖2所示。

圖2 隧洞頂部地基加固注漿示意圖

3.3 一次支護設計

圍巖開挖導致地層發生松動，其承載能力必然下降，如支護不及時或強度不夠，則會增加施加在支護上的荷載，甚至發生坍塌[6]。因此，一次支護應及時跟進，并有足夠的剛度與強度，以便有效限制地層發生過大過快變形。早支護不僅可以減少作用在支護結構上的荷載，而且能夠避免地層過大變形，防止施工塌方。

一次支護的支護型式及相關設計參數應依據隧洞的工程地質勘察成果，并結合已建類似工程確定，通常采取錨桿、掛網、噴混凝土、鋼拱架等組合加固形式，各圍巖洞段典型斷面的開挖及一次支護型式見表2。針對某些地質條件較差的施工地段，需根據隧洞圍巖的變形情況，采取及時調整鋼拱架的間距及形式、封閉底板、盡快進行二次襯砌等方法解決。

表2 一次支護參數情況

3.4 二次襯砌設計

隧洞結構設計的工程措施目的是加固不良圍巖、保證圍巖穩定[7]，因此要把所采用的工程措施與圍巖視作一個統一的復合整體，考慮一次支護、二次襯砌與圍巖的共同作用。在考慮隧洞圍巖承載力的基礎上，襯砌采取鋼筋混凝土，混凝土襯砌結構按照限裂進行設計，無壓隧洞按限制裂縫寬度為0.3 mm 進行設計。在二次襯砌施工完畢后，一次支護與二次襯砌一起承擔載荷，計算荷載包括：山巖壓力、襯砌自重、內水壓力、外水壓力、上部房屋壓力、車輛荷載等。

隧洞襯砌結構采取程序計算，通過計算成果進行分析確定[8]。對于復合式襯砌的內力分析，一次支護與二次襯砌兩部分剛度之和為復合襯砌剛度，按照隧洞襯砌的整體結構計算襯砌內力。分配比例為一次支護承擔40%、二次襯砌承擔60%進行計算[9]。最后得出的二次襯砌計算結果見表3。

表3 二次襯砌參數情況

4 施工期間措施設計

4.1 擴挖施工設計

隧洞擴建具備進、出口作為工作面施工的條件，最長工作面長度分別為97 m和136.5 m，平洞可采用無軌運輸施工?，F狀隧洞全斷面采用預制鋼筋混凝土襯砌，埋深約16 m，本段圍巖較差，圍巖類別以Ⅳ、Ⅴ類為主，隧洞中部地表有國道公路穿過，公路兩側為民房或商鋪。隧洞軸線橫貫公路及居民點，考慮覆蓋層薄，距離居民點較近，預制混凝土拆除主要采用小型挖掘機配合破碎錘拆除，擴挖無法采用常規爆破擴挖，為保證隧洞頂部道路與居民的住房安全，選用靜態破碎開挖，減小土體擾動，并加強超前支護，采取管棚、小導管注漿、鋼格柵拱架及時支護等措施。施工過程中應編制詳細的監測方案和應急措施，按時整理分析監測數據資料，發現異常情況要及時采取有效措施。隧洞擴建施工流程如圖3所示。

圖3 隧洞擴挖施工流程

具體施工工藝如下：

（1）進口鋼筋混凝土套拱施工。對已有隧洞進、出口擴挖后，澆筑鋼筋混凝土套拱，管棚套拱長度3.0 m，并在該管棚套拱內預留管棚套管，用于設置長鋼管，在套拱結構施工完成后，即可進行后續進洞拆除擴挖。

（2）設置管棚。管棚鋼管采用Φ108無縫鋼管，Φ89注漿鋼花管，鋼管每節長度控制在4~6 m，采用絲扣聯接，并設注漿孔，通過套拱預留管棚套管頂進、灌漿，進、出口管棚長度各30 m，仰角1°~3°。

（3）進出口的拆除、擴挖。在管棚超前保護下，采用液壓破碎錘輔助小型挖掘機，拆除原隧洞預制構件，每拆除2~3環預制構件，即進行擴挖?？紤]為隧洞擴挖，不需要創造臨空面，沿擴挖斷面，鉆周邊孔及輔助孔，裝靜態破碎劑脹裂巖石，進行輔助眼和周邊眼破碎。破碎后開挖采用液壓破碎錘與小型挖掘機相結合的開挖方式，裝小型農用汽車出渣。

（4）一次支護。每擴挖2 段后，停止掌子面開挖施工，對掌子面進行初噴混凝土封閉，設置鋼拱架及掛網噴錨支護，對已擴挖巖面進行封閉，支護后即進入下一循環。鋼拱架按要求彎制，鋼拱架底腳必須坐落在牢固的基礎上。

（5）隧洞拆除、擴挖。洞內開挖選用小導管注漿超前支護，小導管與管棚在圍巖內搭接均不小于3 m。隧洞預制構件拆除、擴挖方式同進、出口，采用靜態破碎劑脹裂巖體。隧洞一次支護采用超前小導管和鋼拱架支護，小導管在圍巖內的搭接不小于3.0 m。

4.2 安全監測設計

淺埋隧洞監測設計包括監測項目、儀器布置、量測頻率、監測預警值等[10]，監測項目分為洞內監測和洞外建（構）筑物監測兩方面，主要監測部位包括淺埋段隧洞位置的地表建筑物、施工影響范圍內的永久建筑物、基坑開挖邊坡附近的建筑物等。

4.2.1 隧洞內監測

（1）在施工期對隧洞進行收斂變形監測，每間隔30 m左右設置監測斷面，根據現場實際地質情況進行調整，采用收斂計進行觀測，每個監測斷面分別布置3支測縫計監測圍巖與襯砌接縫變形，監測點應在隧洞開挖后及時進行埋設。為使初始讀數盡可能準確，監測斷面距離開挖斷面不應超過2 m。

（2）根據隧洞實際地質情況，在靠近隧洞進出口洞口部位監測斷面布置3套多點位移計監測圍巖變形。

（3）隧洞沿軸線方向每隔10 m設置1個觀測斷面，在拱頂處設1個測點用來觀測隧洞拱頂的下沉值。根據規范[11]要求，隧洞洞頂允許沉降值為隧洞開挖寬度的0.6%，考慮臨時支護后隧洞開挖寬度為4.3 m，則洞頂允許沉降值為25.8 mm。如果測得的隧洞洞頂沉降值大于等于該值時，或者噴混凝土的表面已經發現有肉眼可見的明顯裂縫，或實測的位移變化速度快速增大時，應立即停止向前開挖，采取噴射混凝土封閉隧洞工作面等加固措施后才能夠繼續進行施工。

4.2.2 隧洞外監測

（1）對距離隧洞軸線左右20 m 范圍內的房屋，監測其沉降和水平位移情況，并實時在房屋永久縫的地方布設測縫計，觀測縫隙的變形情況。

（2）對洞周圍巖土體設置觀測點，觀測隧洞上部巖土體的變形情況。在洞頂、邊坡等部位埋設多點位移計，觀測隧洞上部巖土體的變形。

（3）對洞頂上部道路進行監測，主要觀測隧洞上部道路的變化情況，包括道路的裂縫、變形、位移情況。

4.3 特殊防護措施設計

（1）隧洞施工過程中可能對隧洞上方居民的正常生活造成一定影響，為防止造成人員傷害，對上部影響房屋的人員采取臨時搬遷、減少施工期內居民在房屋內活動等措施。

（2）施工過程中實行道路交通管制，大型或者裝載數量大的汽車不應在隧洞上方道路上通行；根據各隧洞實際情況架設便橋或鋪設鋼板過渡進行限速，盡可能降低行駛車輛對隧洞施工的影響。

（3）該隧洞為淺埋隧洞，圍巖自穩能力差，易坍塌，施工期應全程進行安全監測，做好超前地質預報及預防對策。施工中嚴格按照超前支護、注漿、靜態破碎圍巖、短進尺、勤測量、強支護、一次支護及時跟進的施工程序[12-13]。施工過程中需加強對隧洞的圍巖與支護體系的監測，在發現圍巖與支護體系的變化速率發生異常情況時，需采取適當有效措施；情況嚴重時應安排所有危險區域的人員立即撤離。

（4）洞外房屋，由于大部分都為居民自建房，上部居民樓房屋質量參差不齊，需根據需要進行房屋質量鑒定，并決定是否需要提前加固處理。

4.4 工程實施情況

隧洞采用靜態破碎等施工開挖方法成功實施?，F場的監測數據表明，該工程所采取的開挖施工方法和支護設計參數對控制隧洞圍巖變形效果顯著。該工程施工中所采取的施工方法成功限制了圍巖的較大變形，順利地完成了隧洞的擴挖施工。

5 結 語

（1）淺埋隧洞施工除與水文地質條件、臨時支護形式等條件有關之外，采取適當的施工工藝、安全監測等措施也是不可或缺的條件，實際施工中要根據不同工藝及安全監測成果及時調整支護參數。

（2）淺埋隧洞設計應遵循“強支護、短進尺、早襯砌、勤監測”的原則。超前支護、初期支護需具有足夠的強度與剛度，并根據地層情況選擇合理的開挖方式與施工工序。

（3）采用洞頂沿線固結灌漿進行超前加固處理，能夠提高洞頂巖土體的結構強度、提升巖土體的力學特性，防止隧洞擴挖施工時發生大面積塌陷，并能夠有效限制后期拱頂的沉降。

（4）超前支護采用大管棚與小導管組合，形成發散的外部保護殼，能夠有效限制地面發生的沉降與隧洞頂部變形。

（5）由于隧洞穿越居民區，所以采取洞頂沿線加固地基、對上部居民、房屋、道路采取適當的措施是非常有必要的。