河曲引黄灌溉工程隧洞竖井施工设计

王小霞

（山西省水利建筑工程局 山西太原 030006）

1 隧洞基本情况

河曲引黄灌溉工程，桩号13+000～16+345，长3 345 m，隧洞纵坡i=1:1000，设计过水流量2.24 m3/s,断面形式为城门洞形，断面尺寸1.7 m×1.8 m（宽×高），洞内设计水深0.99 m，直墙段高0.95 m。本段隧洞Ⅲ类围岩占46.14%，Ⅳ类围岩占35.02%、Ⅴ类围岩占18.83%，但洞线处于地下水位以下，并且要穿越540 m的土层，施工难度较大。

隧洞进口位于河曲县城东的坪泉村南，该处地形平坦，地貌上属黄河二级阶地。隧洞出口位于麻黄沟沟口段，沟谷地形呈“Ⅴ”字型发育，沟谷底宽60～100 m，沟谷两岸对称发育，坡度较缓。出口位于沟底以下2 m多。沟底有地表水，清水流量小于5 L/s。沟底松散层度厚3 m左右，为第四系全新统洪积砂卵石，有地下水活动，为孔隙潜水，地下水位埋深浅。出口主要底层岩性为二叠系上统石千峰组紫色红色泥岩，破碎，强风化，为软岩。出口自然边坡呈缓坡，节理裂隙不发育，岩层产状平缓，倾角小于12°。

隧洞全长3 345 m，进出口两个工作面施工，截至2012年4月底进口完成290 m，出口完成1 150 m。随着隧洞掘进的进一步深入，隧洞通风排烟、二次衬砌的混凝土运输困难加大，已影响到工程施工进度和施工安全，应增加隧洞通风排烟、二次衬砌的混凝土运输通道，确保工程如期完成，同时考虑把通风竖井作为今后引水口的通道。为此根据隧洞地质勘查、地形测量和现场踏勘等资料，提出隧洞通风竖井段设计方案。

2 隧洞施工通风竖井设计

2.1 位置选择

通风竖井位置选择的原则是既方便施工，又节约投资。根据工程进度，结合地形地质条件，按照目前工程需要，隧洞通风竖井选在洞轴线14+313 m、14+835 m、15+445 m处。

2.2 水文气象

河曲县引黄灌溉工程地处内陆深处的黄土高原东北部，属温带季风大陆性气候。冬季时间长，春秋时间短，四季分明。据河曲气象站1971-2003年资料统计，多年平均年降水量为386.1 mm，6-9月降水量占全年的76.9%；多年平均气温为8.0℃，极端最高气温38.6℃，极端最低气温-32.8℃；多年平均水面蒸发量（ф20cm蒸发皿）为1 750.1 mm；多年平均风速为1.3 m/s，最大风速为28 m/s，常见的风向为西北风；最大冻土深度134 cm；最大积雪厚度13 cm。

2.3 工程地质

隧洞地质钻孔4个，隧洞施工支洞铁路东方案钻孔1个，铁路西方案钻孔3个，由此可知3号通风竖井工程底层情况基本相同，具体如下：上部为亚砂土、亚砂土与砂卵石覆盖层，厚度在29 m左右，砂卵石为地下水赋存层。其下则为二叠系上统石千峰组紫红色泥页岩，厚度在45 m左右。

2.4 通风竖井结构设计

通风竖井主要任务是通风排烟，为隧洞工作面提供安全工作条件，其次要考虑作为混凝土运输和引水口的通道。为此通风竖井断面不宜太小，设计开孔直径600 mm，终孔直径450 mm。通风竖井深度约74 m。

根据地质条件通风竖井分为2段：

（1）上部沙土、砂卵石段。本段钻孔直径600 mm，由地面钻孔穿越砂卵石层深入基岩5.0 m，钻孔深度34 m。由于砂卵石层含有地下水，需要对此段进行水泥封闭。方法为成孔后下内径450 mm钢管（壁厚8 mm），至底部后上提5 cm，然后清理岩渣，利用注浆管从钢管底部注入水泥浆，控制水泥浆用量。

（2）基岩段。本段从钢管与孔壁之间溢出到地面，为保证封闭效果，钢管周壁缠绕橡胶止水带。钻孔直径450 mm，在上段结束后进行钻进，直至隧洞顶部，设内径384 mm（桩号15+445 m处364 mm）钢管（壁厚8 mm）至隧洞顶部，与上段内径460 mm钢管以下1 m渐变段连接，并伸入上部钢管1 m，钢管下部焊接支撑钢圈与竖井正下方2榀拱架焊接。钻孔深度包括上部水泥封闭段共74 m。

3 隧洞通风竖井段断面支护及引水口结构设计

3.1 井下断面支护

隧洞通风竖井段长3 m，共设置6榀I14工字钢拱架，每榀间距0.6 m，跨距3.021 m、3.552 m和3.757 m拱架各2榀，拱架间用ф20连接筋连接，一次支护除钢拱架外，另铺设ф6双层钢筋网，并喷射C20混凝土20 cm，待整条隧洞贯通后，二次衬砌厚25 cm钢筋混凝土。

承重钢管在钢管下部焊接支撑钢圈与竖井正下方2榀拱架焊接。

3.2 引水口结构设计

在隧洞工程完成后，通风竖井并将做为一个引水口。在通风竖井正下方凿一深5 m，直径80 cm的井，井底衬砌20 cm厚的混凝土防护。井内设潜水泵将水提至地面，潜水泵出水管由竖井通向地面。为防止污物堵塞，在通风竖井下部与主洞连接处设置一长3 m、高1.8 m网格5 cm×5 cm的钢制拦污栅。

3.3 地面防护设计

竖井护栏必须焊接牢固，自地面起高度不小于2 m，水平护栏不少于20道，所用护栏均刷红白漆，两种颜色间距50 cm，并沿护栏挂绿色护网。护网底部必须固定牢固，竖井周围砌浆砌石排水渠，保证排水通畅。

4 隧洞竖井施工

4.1 测量定位

根据设计桩号在各部位施工之前，先使用全站仪进行测量定位，根据测量放线结果在施工范围撒放白灰作明显标志，且钉木桩作为钻孔中心。

4.2 钻机到位

钻机到位，按照测量定位中心摆放平整，保证不产生移动或者摇动。上部29 m沙土、砂卵石段，采用短螺旋钻具，泥浆护壁；下部45 m基岩段，采用岩石螺旋钻头。

4.3 成孔下管

先埋设钢护筒，使用全站仪定位，保证护筒中心与钻孔中心重合，并且需保证护筒的垂直度。在以上工序安排就绪后开始钻孔，使用不同的钻头对不同的地质条件进行钻孔施工。对隧洞已经施工的钻通就可以了，但对剩余的2个未掘进隧洞的孔位达到了设计标高（即隧洞顶部），对孔深、孔径、孔壁、垂直度等进行检查，然后采用吊车设备下管。

5 结束语

由于该方案的实施，使隧洞掘进、衬砌和通风都能顺利进行，在施工期间未发生任何质量安全事故。但是，具体问题应具体分析，只有针对不同的工程地质问题，制定不同的施工方法和措施，才能确保工程质量、进度和安全。