饱水土隧洞支护结构变形后二次混凝土衬砌处理措施分析与决策

张寅寅

(甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃省 兰州 73000)

1 工程概况

甘肃省引洮供水工程是旨在解决甘肃省中部干旱地区11个国家扶贫重点县城乡用水问题的大型跨流域调水工程，因其建设内容多，投资规模大，工程分两期进行建设，其中引洮供水一期工程于2006年11月开工，2015年8月正式通水运行，二期工程于2015年10月开工，总工期70个月，目前仍在建设之中。

引洮一期工程渠管线主要分布于甘肃中部黄河以东的陇西黄土高原区，区内沟壑纵横，地形破碎。受地形条件的制约，总干渠采用以隧洞为主的布置方式，总干渠总长109.4km，其中共布置隧洞18座，总长96.35km，占总干渠线路总长的88.05%，是总干渠最重要的建筑物。工程区内前震旦系至第四系地层和太古代至中生代各期侵入岩均有分布，以中新生代及第四系地层分布范围最广，隧洞围岩以Ⅳ、Ⅴ类软岩、极软岩及黄土为主，工程地质性质差，其中第四系饱水土隧洞围岩是工程比较突出的地质问题，施工过程中极易发生掌子面塌方、涌泥及支护变形等问题，也是设计、施工需重点面对的难题。本文以引洮供水一期工程总干渠杨家坪隧洞为例，针对饱水土隧洞一次支护变形后带来的二次混凝土衬砌结构不能满足设计要求的问题，通过对计算参数及复核计算成果进行综合分析后，研究确定其处理措施。

2 工程地质特性、支护设计及变形问题

2.1 工程地质特性

杨家坪隧洞位于总干渠桩号86+550m～87+656m之间，长1106m，实际开挖揭示出的隧洞分段工程地质特性如表1。

2.2 支护设计

针对饱水土的工程地质特性，为适应极差的围岩工程地质条件，承担较大的围岩荷载，设计采取了有针对的措施，一是断面采用三心圆拱形断面型式(蛋形断面)，更能适应于地质条件差，山岩压力大的情况；二是采用复合式支护衬砌型式做为隧洞的支护衬砌结构，重点加强隧洞一次支护结构及施工工艺。一次支护采用强支护体系，具体措施为喷混凝土、挂钢筋网、钢拱架及超前钢管管棚相结合，二次衬砌现浇模筑钢筋混凝土，构成复合式的支护衬砌结构联合体系，具体如下：

表1 杨家坪隧洞分段工程地质特性

杨家坪隧洞开挖后毛洞断面宽度为5.3m，高度为5.4m，一次支护拱墙喷混凝土150mm，紧贴岩面架设I14工字钢钢拱架，间距0.6～1.0m；钢拱架未封闭底拱，采用20～25cm厚的干硬性混凝土仰拱封闭底板；顶拱喷层中部布设Φ6.5×200×200mm钢筋网；同时采用管棚辅助施工，在拱顶180°范围钢拱架腹板上以外倾角5°～10°架设Φ42、长3.5m热轧无缝钢管管棚，间距200～300mm。二次衬砌全断面整体现浇钢筋混凝土，厚350mm。在施工过程中，严格按“短进尺、快支护、强支护、勤排水、勤观测”的原则进行开挖及支护，总体施工顺利。

2.3 实际施工中出现的支护变形问题

杨家坪隧洞于2008年8月底贯通，因隧洞开挖在土体中形成了临空面，加之前述2.1节的原因，土体中重力水析出，使洞壁内出现了大量点状及线状渗水，洞壁周围土体含水率增高，土体性质恶化，作用在支护上的水土压力加大，且出现支护结构不均匀受力的情况。此外，本隧洞一次支护中钢拱架未封闭底拱，采用干硬性混凝土仰拱作为底部支撑，受渗水浸泡及洞内施工运输机械碾压的双重影响，仰拱整体结构出现开裂等问题，对钢拱架底部的约束能力变弱，在围岩压力作用下，洞室两侧壁一次支护结构中的钢拱架及混凝土喷层发生变形，并侵入边墙二衬混凝土断面范围内。洞壁变形出现后，施工单位立即采取了相应的处理和防护措施，恢复了钢拱架底拱，重新施工了干硬性混凝土垫层，并对洞内渗水进行了外排，有效控制了收敛变形的进一步发展，之后围岩及一次支护体系变形已基本趋于稳定。

根据施工单位统计，至2008年11月底，杨家坪隧洞已形成的变形情况如下：

(1)单侧侵入边墙二衬混凝土断面小于5cm、边墙二衬混凝土厚度大于30cm的洞段84m；

(2)单侧侵入边墙二衬混凝土断面在5～10cm、边墙二衬混凝土厚度25～30cm的洞段长57m；

(3)单侧侵入边墙二衬混凝土断面大于10cm、边墙二衬混凝土厚度小于25cm的洞段长206m。

上述洞段因一次支护结构变形后侧墙部位侵占了二次混凝土衬砌厚度范围，必须采取相应措施进行处理方可进行二次混凝土衬砌施工。

3 二次混凝土衬砌可行方案及计算参数分析

3.1 可行方案分析

考虑到本隧洞地质条件的复杂性，如采取拆除并按原设计断面重新恢复一次支护的措施，施工安全风险极大，不易采用；而按照现状条件直接进行二衬，则存在部分洞段衬砌后混凝土边墙厚度达不到原设计厚度的问题。

根据施工单位提供的监测资料，受一次支护结构变形的影响，杨家坪隧洞部分洞段侧墙二次混凝土衬砌结构无法达到原设计厚度350mm；原设计底板衬砌厚度为400mm不受影响。为保证该段洞身设计过水能力不变，洞身净断面尺寸不能改变，则现状条件下隧洞侧墙二次衬砌厚度将小于原设计厚度。根据变形情况、隧洞断面大小及类似工程衬砌厚度并结合SL 279—2016《水工隧洞设计规范》相关规定，双层钢筋混凝土衬砌厚度不宜小于300mm。因此，在满足规范要求的前提下将侧墙衬砌厚度减小为300mm是可行的方案，但需要进行进一步的结构复核计算，以便根据计算结果提出有针对性的处理措施。

3.2 复核计算工况及参数分析

根据前文分析，对于支护变形洞段，侧顶拱混凝土衬砌厚度无法满足原设计350mm厚度的要求，减为300mm；底板混凝土衬砌厚度仍为原设计400mm。衬砌厚度变化后，原计算条件下结构安全将不能满足要求，需对衬砌结构计算所采用的工况及参数进行进一步的分析，研究围岩土体物理力学指标、内外水压力、围岩压力、回填灌浆压力、混凝土标号、钢筋类型等各项参数取值的合理性及是否具有优化调整的条件。

原设计结构计算采用杆系有限元法，共定义3种计算工况，分别为：运行期组合工况、检修期组合工况、施工期组合工况，经计算施工期工况为控制工况，本次复核计算与原设计相同；原设计计算时已充分考虑了饱水土土体地质性质极差的特性，通过试验及类似工程经验，确定饱水土天然容重20kN/m3，内摩擦角19°，泊松比0.45，坚固系数0.35，本次复核分析后认为其取值合理；本段隧洞为无压隧洞，运行期内水水头3.342m，内水不是主要控制荷载；根据地质勘察成果，该段隧洞最大外水水头约13m，计算中外水压力折减系数采用规范规定的限值，运行期折减系数取0.6，施工期考虑可采取相应的施工排水措施，折减系数取0.2。分析认为原设计计算采用的计算方法、工况组合及以上参数取值均是合理的，已无优化调整的余地，本次复核计算继续采用。

原计算围岩压力采用普氏法计算，将一次支护结构的作用作为安全储备，全部荷载均由二次混凝土衬砌结构承担，围岩压力折减系数取值为1.0。由于杨家坪隧洞目前已贯通，根据目前支护的实际效果和施工单位提供的变形收敛数据，该洞段收敛变形已趋于稳定状态。根据SL279—2016第8.1.3条及条文说明，若支护结构控制住变形，即洞周土体变形达到基本稳定，可视具体情况适当减少衬砌结构承担的土压力。综合分析后，本次复核计算围岩压力折减系数优化调整为0.7。

根据规范及施工实践经验，土洞的回填灌浆宜采用低压灌浆，一般小于0.2MPa，原设计按0.2MPa进行控制，计算表明回填灌浆压力是控制本隧洞二衬混凝土结构及配筋的主要影响因素之一。考虑到洞室周边围岩土体受重力水析出及含水率增高的原因，土体性质发生恶化，过高的回填灌浆压力会加剧土体恶化情况。因此，现状条件下回填灌浆宜采用较低压力充填一次支护与二次衬砌之间的空隙为主，综合分析后确定回填灌浆压力调整为0.1MPa。

原设计二次衬砌混凝土标号为C20，钢筋采用II级钢筋，可考虑将混凝土标号由C20提高至C30，钢筋由II级提高至III级钢筋，是否可行还需根据复核计算、材料采购、生产条件及合同条件等方面的影响综合分析后确定。

4 二次混凝土衬砌处理措施分析

4.1 结构复核计算成果对比分析

原设计隧洞二次混凝土衬砌每米宽度顶拱内侧所配受拉钢筋为5Φ18，钢筋面积1272.5mm2；侧墙中部内侧所配受拉钢筋为5Φ14，钢筋面积769.5mm2；侧墙低部外侧所配受拉钢筋为5Φ20+5Φ18，钢筋面积2843.5mm2；底板上部所配受拉钢筋为10Φ25，钢筋面积4909mm2。根据3.2节分析确定的计算参数，以施工期为控制工况对侧墙衬砌厚度减小为300mm的工况进行结构复核，并与原设计配筋结果进行比较，同时对提高混凝土标号及钢筋级别的工况进行分析，主要分析结果见表2。

表2 施工期工况结构复核计算成果对比分析表

从上表计算成果对比分析可知，隧洞二次混凝土衬砌厚度在侧墙由350mm减为300mm、底板厚度不变的情况下，通过对围岩压力折减系数、回填灌浆压力等主要计算进行优化调整后，针对两种混凝土强度及两种钢筋类型，原设计顶拱、侧墙中部及底板配筋成果均可满足侧墙厚度变化后结构配筋要求，但侧墙下部计算配筋面积均大于原设计成果，需对配筋进行调整。在混凝土强度及钢筋类型维持原设计的条件下，侧墙下部配筋需由原设计5Φ20+5Φ18调整为10Φ22(配筋面积3801mm2)；单独将混凝土强度提高至C30或将钢筋类型提高至III级钢筋，受钢筋直径级差制约，侧墙下部配筋也需调整为10Φ22；同时将混凝土强度提高至C30、钢筋类型提高至III级钢筋，侧墙下部配筋调整为10Φ20可满足要求(配筋面积3142mm2)。

在水利工程钢筋混凝土构件结构设计中，通常的原则是高标号混凝土配高强度钢筋，对C20或C30混凝土而言，采用III级钢筋，钢筋的设计强度得不到充分发挥，受力效果增强并不明显且造成了材料及投资浪费。且调整混凝土标号及钢筋类型后，将出现与同标段其他洞段施工参数不一致的问题，加大了连续施工的难度；同时需重新进行混凝土配合比试验，且支护变形洞段调整的III级钢筋用量较小，材料采购存在难度，将对施工工期、施工条件及合同条件带来不利变化。因此，采用混凝土强度及钢筋类型维持原设计不变，将侧墙下部配筋进行调整的方案最为可行。

4.2 针对性措施确定

结合现场实际情况、施工条件以及对可行方案结构计算参数的分析及优化调整，根据结构复核分析计算成果，在最大限度确保施工及运行安全的前提下，确定杨家坪隧洞支护结构变形后二次混凝土衬砌处理措施为：

(1)如拆除已变形的钢拱架，按原设计断面重新恢复一次支护，施工安全风险极大，所以保留原一次支护中的钢拱架，对于局部侵入二衬混凝土断面的钢拱架可直接浇筑于混凝土中，形成联合受力体系。鉴于钢拱架在一次支护中的重要作用，处理过程中禁止对其扰动。

(2)在满足规范规定的前提下，经结构复核计算，可将侧墙衬砌厚度减小为不小于30cm，底板衬砌厚度不变。局部衬砌厚度不满足要求时，对两榀钢拱架之间的边墙混凝土喷层进行适当凿除处理以确保衬砌厚度。

(3)为保证施工的连续性，原设计混凝土标号(C20)和钢筋类型(II级钢筋)均不变，只需将侧墙下部配筋由原设计5Φ20+5Φ18调整为10Φ22即可满足计算参数优化调整后的工况。

(4)后期回填灌浆施工时，将回填灌浆压力控制在0.1MPa以下。回填灌浆前必须进行准确性较高的灌浆试验，合理确定灌浆参数，以保证灌浆质量；

(5)因侧墙二衬混凝土厚度已是规范规定的最小值，因此在施工中必须严格保证混凝土密实度及施工质量的手段。

(6)处理过程中必须做好支护断面的监控量测工作，同时要加强排水。

5 结语

针对杨家坪隧洞一次支护变形的具体情况、隧洞地质条件的复杂性及从施工安全角度出发无法拆除并重新恢复原一次支护的现实问题，经过对计算参数合理性的进一步复核及优化调整，对满足规范要求的可行方案进行结构复核计算，依据其计算成果，最终确定适当减少侧墙衬砌厚度、调整配筋并降低回填灌浆压力的二次混凝土衬砌处理措施，符合现场实际条件，方案合理可行并保证了施工的连续性。根据确定的方案，工程于2010年实施完成隧洞二次混凝土衬砌，2014年开始通水运行。经多年运行实践证明，隧洞二次衬砌混凝土结构安全可靠，完全满足设计要求。