潍坊市引渠入白夏家沟隧洞工程施工技术研究＊

邢国起,杜晓红,林明华

(1.潍坊学院,山东 潍坊 261061;2.山东浩博水利建设有限公司,山东 潍坊 261041)

1 工程概况

引渠入白工程是潍坊市2010年的重点水利项目之一,该工程的建设不仅能够缓解沿线群众灌溉及生活用水的矛盾,同时也为该市市区开辟一条新的水源。该工程是利用安丘市南水北调干渠,将安丘市南部渠河水引入沿途于家河、下株梧、共青团、尚庄等四座水库调蓄后至牟山水库,再经过十公里牟山水库北干渠和引牟入白隧洞,将渠河水调至白浪河水库的跨流域多库串联调水工程。夏家沟隧洞是引渠入白重要的节点工程,全长1720m,是从李家沟拦河坝向于家河水库调水的唯一通道。当初兴建时,由于工程资金问题,施工时除隧洞两端封口各衬砌60m外,其余洞身未做衬砌,内壁岩石长期暴露在空气及水中,致使岩石中的裂缝纹理扩大,岩石风化松软,多处石隔夹层冒顶塌方,屡次造成调水中断。清理维护时,工程技术人员制定了相应的维修加固方案,由于清渣时进洞深、运距远、工程量大、水中作业、照明不便、场地狭窄、不安全因素多造成施工难度大,加上资金短缺,每次处理时只能将塌方的石渣一部分匀铺在洞身底部,一部分运往洞外,一直没能从根本上解决隧洞淤堵的问题,尤其是由于隧洞的坍塌,致使调水能力仅能达到原设计流量的一半左右。本次工程是把塌方全部清除,洞内全断面采用混凝土、钢筋混凝土衬砌加固,确保整体工程达到设计要求。

2 施工总体布置[1]

2.1 总体布置原则

施工平面布置应遵循便于施工、方便生活、少占农田、利于环保、紧凑合理、安全可靠的原则进行布置。

2.2 具体布置

本工程交通道路、沙石料场布置尽量不占和少占耕地。

(1)砼工程的砼拌和站、砂石料场、水泥仓库、钢筋厂、木材厂等临时设施,尽量设在距民房稍远地方,以免施工中产生噪音影响附近村民。

(2)土石方工程:开挖及塌方清运可就近堆存于进出口附近,施工结束后就地整平,如需外运,外运距离不应超过1Km。

(3)施工管理与生活设施:主要包括施工管理人员的办公室、实验室、职工宿舍、食堂等,尽量就近租用民房。

(4)施工临时道路:本工程现状基本不具备交通条件,需新修施工道路,进出口各1.5Km,进出口之间2.0Km,路面宽7米,路面为20cm厚砂砾石,施工期间应及时维修维护,且过河段应埋设管道,管道设计过水能力10 m3/s。

(5)工程用电以公共用电为主(需新架设高压输电线路2km,购置100KVA箱变2台),可同时安装发电机组备用。施工用水就近采用水泵从水库内抽水,拌合场内可砖砌储水池存水,生活用水从附近村庄内取水。

(6)施工排水:施工期间排水主要为降雨后山顶汇集的雨水,由于进出口均处于汇水沟附近,因此需开挖排水沟将水引至山沟河槽内,排水沟开挖底宽2米,边坡1:1,沟深1.5米,进口开挖长度100米,出口50米。

(7)临时占地及补偿:进出口各临时占地12亩(暗渠拆除及施工料场等);需对进出口及临时道路沿线房屋及树木、青苗进行补偿。

3 隧洞施工条件

3.1 水文气象条件

工程项目区属暖带季风气候,春季干燥多风,夏季炎热多雨,秋季先雨后旱,冬季寒冷少雪。雨年内分配差异较大,干湿季节明显,多年平均气温12.1℃,最高气温39℃,最低气温-20℃,历年平均无霜期193天,最长226天(1977年),最短166天(1979年)。

山东省规定十二月一日至次年三月三日为冬季施工期,该期间砼工程和浆砌石工程应采取保温措施。

3.2 交通条件

项目区处于安丘南部山区,道路崎岖,相对北部来说交通比较困难。因此在施工前应全面察看现场,确定最优的施工交通路线。

3.3 水电条件

项目区大都紧邻村庄、乡镇,水电可就近协商解决,按量计费。也可以搞自发电,以满足生产、生活需要。

3.4 建材供应

本工程主要材料是块石、水泥、砂子、钢筋,这些原材料,按就近采购的原则,潍坊本地基本都能满足。

4 施工方法[2]

4.1 土石方工程

土石方工程主要包括:洞内塌方清运以及临时工程中土方的填筑与拆除。洞内塌方需人工装车,小型自卸车外运。土方回填采取推土机推运,拖拉机压实,部分人工分层夯实。

4.2 护砌工程

本工程的护砌工程主要是原暗渠部分的浆砌块石拆除后衬砌恢复,进口需拆除恢复80米长,出口50米。衬砌施工方法如下:

施工前应先清理施工工作面,低洼处回填土料夯实。采用人工砌筑,水泥砂浆采用灰浆搅拌机拌制,人工胶轮车运输至工作面。进场后的石料,采用人工选修后搬运就位。砌筑石料应选择材质均匀、无风化裂痕,砌筑时必须平整、稳固、密实、错缝合理,严格控制勾缝质量,勾缝必须严密饱满,水平缝顺直。砌石工程施工应严格遵守《砌体工程施工及验收规范》(GB50203-98)。砌体外露面,在砌筑后12—18h之间进行养护,经常保持外露面的湿润,养护时间为14天。砌筑24h进行清缝,缝宽不小于砌缝宽度,缝深不小于缝宽的2倍,勾缝前将槽缝冲洗干净,不留灰渣和积水,并保持湿润,用425#普通硅酸盐水泥拌制勾缝砂浆,进行勾缝。勾缝砂浆采用细砂和较小的水灰比,灰砂比控制在1:1—1:2之间,并浸湿物覆盖,在养护期间经常洒水,使砌体始终保持湿润状态。

4.3 混凝土及钢筋混凝土工程

本工程混凝土拌和采用0.4m3搅拌机搅拌,搅拌机的进料及出料均采用手推胶轮车运输,混凝土采用人工平仓,插入式振捣器振捣,人工洒水养护。

5 隧洞施工方案[3-5]

针对夏家沟隧洞存在的上述问题,对其进行了工程设计,主要是对隧洞进行混凝土和钢筋混凝土衬砌。夏家沟隧洞全长1720米,在南水北调工程建设时,隧洞开挖后衬砌了进出口各60米共计120米,剩余1600米没有衬砌。近十五年来运行后,洞内坍塌严重,已严重影响了隧洞的过水能力和工程的运行。本次工程方案拟对隧洞进行全断面衬砌。

夏家沟隧洞采用城门洞形式,设计过水能力6.6m3/s,比降1/1000。毛洞底宽3.4米,直墙高2米,拱顶采用半径1.7米半圆。衬砌的隧洞设计底宽2.8米,直墙高1.7米,拱顶为半径1.4米半圆。

隧洞衬砌采用C30砼衬砌。由于现状隧洞进出口均连接暗渠,且隧洞处于运行当中,对洞内现状情况无法了解具体,结合以往隧洞工程设计,本次设计共考虑了3种支护方案及3种衬砌方案。

5.1 隧洞支护方案

本工程在施工过程中,如成洞地质条件较好,岩石坚固、稳定,可整形后直接衬砌,而当洞内岩石风化较严重时,采用喷射砼支护,喷射厚度6cm,详见图1。

如洞内岩体有局部破碎带,则采用锚杆支护。锚杆为φ18,单根长2米,每平方一根,详见图2。

如洞内岩体有断层或破碎带,则采用锚杆加φ6钢筋网喷砼支护,详见图3。

图1 支护设计断面图(一)

图2 支护设计断面图(二)

图3 支护设计断面图(三)

5.2 隧洞衬砌方案

本工程对开挖断面进行现浇整体式砼衬砌,砼强度等级C30,防渗等级W 6,抗冻等级F150。衬砌砼厚度:底板、直墙和拱顶厚均为0.3米。

5.2.1 衬砌断面设计

隧洞现状断面如图4所示。本次衬砌根据不同的洞内岩体情况共设计3种衬砌断面。

当洞内岩体稳定,岩石条件较好时,直接浇筑砼衬砌,详见图5。

当洞顶有较大坍塌而不能通过回填灌浆处理时,则用槽钢做支撑,用M 10浆砌石填充后再浇筑砼衬砌,详见图6。

当洞内岩体有断层或明显的破碎带时,采用钢筋砼衬砌,详见图7。

图4 隧洞现状断面图

图5 衬砌设计断面图(一)

图6 衬砌设计断面图(二)

图7 衬砌设计断面图(三)

5.2.2 材料

水泥可采用普通硅酸盐水泥、矿碴硅酸盐水泥和火山灰硅酸盐水泥,水泥标号不低于425#。砂子尽量采用河砂,细度模数在2—3为宜。选择好材料,按设计要求和规范规定,通过试验选定合适的混凝土配合比。

5.2.3 衬砌

砼的拌合采用机械拌合,严格按配比控制材料用量,并至少每月校正一次称量设备。砼的拌合设在洞外,运输过程中尽量缩短距离,减少倒运次数,在运输过程中,应保证砼不受冻、不受雨淋、不受暴晒,途中损失的坍落度不得超过3%。如在途中发生离析现象,在浇筑前应进行二次拌合。拱部砼的浇筑从两侧拱脚开始,分层进行,两侧要同时进料均衡上升,以使拱架受力均匀,防止偏移。为保证拱部衬砌的整体性,必须连续浇筑,中途不能停顿,一次浇成。砼的震捣必须采用机械。超挖部分如超挖宽度小于0.15m,则全部采用同标号砼回填,如大于0.15m,则先用浆砌石砌筑,后再进行砼衬砌。在连续两块砼浇筑的工作面相遇部位,可在顶部留出0.4m方形缺口,将四周凿毛,然后用活底木盒法将缺口封底。隧洞衬砌完成8-10小时即开始洒水养护,养护时间不小于14天。

5.2.4 分缝:包括横缝和纵缝

横缝包括伸缩缝和工作缝。

(1)伸缩缝:隧洞衬砌在围岩稳定情况下,可采用“先墙后拱”法施工,横向每6米设伸缩缝一道,缝宽2cm。在围岩不稳定情况下,采用“先拱后墙”法施工,横向伸缩缝间距15米。缝内均填2cm橡塑板。

(2)工作缝:各浇筑环节之间的横向工作缝不做特殊处理。直墙、底板、顶拱的环向分缝不得错开布设。纵缝主要是工作缝,应按规范要求,设键槽或插筋,以保证衬砌的整体性。

5.3 回填灌浆

回填灌浆设计压力为0.3M Pa,灌浆孔全部布设在顶拱上,回填灌浆孔深入围岩0.1米。

5.3.1 灌浆范围及原则

根据《水工隧洞设计规范》(DL/T 5195-2004)中的要求,本隧洞回填灌浆的范围,确定在顶拱中心角120°以内,长度为衬砌段隧洞全长。

5.3.2 主要动力设备

灌浆过程中,使用的主要设备为:(1)风动式钻机及φ50mm硬合金(金钢石)钻头;(2)高速搅拌机(带筛网);(3)多缸活塞式水泥砂浆泵及高压送、排浆泵。

5.3.3 材料要求

水泥采用普通硅酸盐水泥,回填灌浆水泥标号不低于325#。砂质量按规范规定,细度模数不宜大于20,粒径不宜大于2.5mm。

5.3.4 施工方法

灌浆孔距采用2米,沿顶拱半圆弧均布,中间一排,对称左右各一排,每排孔错开布设,造孔内径50mm,回填灌浆孔深入围岩0.1米,在同一地段灌浆时应先进行回填灌浆,一般要灌二次,二次的间隔时间不小于48小时。回填灌浆选用水泥砂浆,其掺砂量不宜大于水泥重量的2倍。回填灌浆采用4个重量比级(1:1,0.8:1,0.6:1,0.5:1)。回填灌浆在规定压力下,至灌浆孔停止吸浆结束。本工程灌浆,全部为倒孔灌浆,灌浆停止前,应先将孔口闸阀关闭后再停机,待孔内无返浆时方可拆除。

5.3.5 试验与质检

回填灌浆的检测,宜在以上工段结束后7天进行,按设计压力向孔内注入2:1的水灰浆液,若在10分钟内,耗浆量小于10升,即为合格。

5.4 其它

由于隧洞进出口均接有暗渠,为方便隧洞施工,需对部分暗渠拆除,待隧洞施工完毕后按原暗渠断面予以恢复,进口需拆除恢复80米长,出口50米。

6 结束语

本工程通过对隧洞采取支护方案及衬砌方案,可有效解决了夏家沟隧洞过水能力不足的问题,同时确保整体工程安全有效的运行,从而达到6m3/s设计过水能力。安丘市南部有着丰富的水源,该工程的实施有着很好的社会效益、经济效益,因此为使该工程发挥其最大效益,有必要对其进行维修、加固,使安丘市乃至整个潍坊市受益。

[1]唐检军.超长隧洞开挖若干问题的探讨[J].中国水运,2010,10(1):168-170.

[2]GB50203-98,砌体工程施工及验收规范[S].北京:中国建筑工业出版社,1998.

[3]李顺平.湟水北干渠隧洞混凝土施工工艺和方法[J].甘肃水利水电技术,2010,46(2):63-65.

[4]孙景荣.水工隧洞开挖过程中的塌方处理[J].吉林水利,2010,(1):56-59,61.

[5]DL/T 5195-2004,水工隧洞设计规范[S].北京:中国电力出版社,2004.