引沁灌区总干渠煤矿沉陷区改造方案

王晶晶

（焦作市引沁广利灌区服务中心，河南 济源 454650）

1 项目背景

引沁总干渠采空区位于总干渠桩号11+013～22+000 之间，地处总干渠上游段，总干渠采空区上游0+000～11+013段，为灌区引水渠道，基本无灌溉面积。采空区总干渠控制着灌区范围内下游总干渠、干渠、分干渠、支渠、加支渠、斗渠等所有渠道取水任务，是整个灌区的“卡脖子”工程。

煤矿开采导致引沁总干渠渗透严重、渠道整体下沉、渠道严重毁坏，已经形成了重大安全隐患。引沁总干渠居高临下，由于煤矿开采已造成引沁总干渠大社段由原来的地下渠变为地上悬渠，且该段12 公里范围内没有泄水工程，一旦出现决堤跑水，将对济源市河口、大社、中社、南庄等村庄群众生命财产及农田、房屋、道路、通信、电力和煤场造成重大安全事故。为保证周围民众生命财产安全及社会稳定，对采空区进行治理刻不容缓。

引水能力不足，渠道渗漏严重。从20 世纪90 年代开始，煤矿开采给引沁总干渠造成的危害逐步显现出来，且日益加重，目前渠道最大裂陷深度已达4m，最大裂陷宽度0.2m，一年中多次造成总干渠停水，过水能力严重降低。已由原设计过水能力21m3/s，下降到现在的7m3/s。整个采空区段年渗漏约3000 万m3的水量，渗漏严重，浪费了大量的水资源，占用了引沁灌区的引水指标。由于总干渠引水流量锐减，部分干、支渠不得不采用轮灌方式进行灌溉，部分调蓄库、池也不能合理利用，造成灌区水资源利用不均，不能充分发挥灌区的效益。为减少渠道渗漏，保证灌区灌溉效益，对采空区段进行处理势在必行。

2 方案比选

2.1 原渠线加固改造方案

此段总干渠的空采区域存在时间较长，煤层上面的岩层破损，在地面形成了继续扩张的沉陷区，很多矿井无法再进行运作，井下工作通道受到了毁坏，采矿场上方的岩层塌下，形成了冒落带。这使得我们不能采取井下填充法来加固空采区。因此，根据空采区的实际状况，这次设计的技术人员选择使用注浆法进行加固处理。

注浆法是一种被广泛使用的地基处理技术。在这个过程中，施工人员向土层空隙、土层交界处、岩层缺口（比如溶洞、溶隙、裂隙、空隙），以及空采区的塌陷带和裂隙带中注入具备填充胶结特性的浆液材料。充填材料硬化后可以增加采空区强度或降低渗透性，进而优化岩土层的物理及力学性质，以达到地基加固的效果。这次处理的空采区主要分布在地表下浅层的煤层中，我们根据工程的特点，参照“三下”采煤规程中的垂线法以保护煤柱的边界。按勘测资料提供的浅层煤层的参数来计算保护煤柱宽度与采空区的实际区域，确定注浆的处理范围。采用梅花形布孔方法均匀设置注浆孔，并依照类似工程的施工参数进行取值。基于总干渠采煤空区的具体状况，采用帷幕灌浆的方式来保护煤柱的边缘，其中灌浆孔的间隔为2m。中心的孔设计以排距18m、孔间距18m 为准。在实际施工过程中，依据灌浆试验的注浆效果对布孔间隔进行适当的调整。

总干渠采空区段渠道多为浆砌石矩形槽，部分为混凝土梯形渠道。综合考虑采空区沉降、渠道整体性、减少占地及对渠道周围民众的影响等因素，上部渠道采用钢筋混凝土矩形槽渠道，矩形槽每隔10m 设横向伸缩缝，缝内设止水带，槽顶设栏杆。矩形槽下设0.1m 厚C15 混凝土垫层。在矩形槽的沉降缝内，靠近水边3cm 部分使用了密封胶来封闭，设立紫铜片止水带的位置距离迎水面有0.2m，而在缝内的其他区域，全部都使用了闭孔塑料泡沫板来进行填充。在总干渠采空区渠段，大部分渠道发生沉陷，最大沉降深度为4m，平均沉降深度为1m 左右，要求矩形槽下基础进行水泥土回填，回填内设土工格栅，土工格栅层距为0.5m。回填土及土工格栅分层填筑。总干渠采空区段上部渠道布设监测仪器，矩形槽槽顶布设沉降位移监测点，渠道外原状稳定地方布设工作基点，选取沉降明显渠段矩形槽布设钢筋计、渗压计等监测仪器，及时收集数据，掌握渠道运行情况，根据监测数据及时做出应对措施。

2.2 盘玉渡槽至蟒河渡槽隧洞方案

线路起于河口村水库右岸引渠总干渠盘玉渡槽出口，终点位于白涧村北侧引沁干渠蟒河渡槽进口。线路总体自东向西沿太行山山脉延伸方向。山区段地面高程325m～1060m，桩号2+465 为场区分水岭，分水岭高程为1060m。线路沿线无河流分布，沿线冲沟近南北向发育，大多切割不深，发育间距一般为200m，延伸长度小于3km，冲沟比降大，沟道狭窄，均为季节性冲沟。线路起点附近分布有河口村水库，线路终点附近分布有蟒河口水库。根据《河南省焦作市引沁灌区续建配套与现代化改造可行性研究阶段工程地质勘察报告》，洞身段Ⅱ类围岩约占35.0%，Ⅲ类围岩约占61.11%，Ⅴ类围岩及第四系含碎石粉质黏土约占3.89%，围岩厚度具备成洞条件。

针对岩石隧洞施工常用的钻爆法与TBM 法两种施工方法分别进行了隧洞设计。

2.2.1 钻爆法施工隧洞设计

引沁总干渠盘玉渡槽出口至蟒河渡槽进口（总干桩号ZGQ5+337～22+060）采用隧洞贯穿。该段原渠道长16.72km，总落差11.40m。设计隧洞长约12.0km，纵坡 1/1153。

1）洞型的选择

我们主要对比分析了圆拱直墙型、马蹄型和蛋形三种隧洞断面方案。基于对地质环境的考量，以及喷锚支护作为临时支撑能抵抗围岩压力的实力，我们决定采用圆拱直墙型断面作为工程隧洞的形态，也就是我们通常所称的城门洞型。

2）隧洞水力设计

洞身水力设计主要是确定洞身净宽、水深、洞身进出口底高程和洞底纵坡。洞身高度按洞内水面线以上的净空面积不小于隧洞断面面积的15%，且高度不小于40cm 确定洞身断面尺寸按明渠均匀流计算。经计算，隧洞净宽取3.2m，直墙段改2.8m，圆拱高1.228m，圆拱中心角150°。

3）隧洞结构设计

为加固围岩、提高围岩自承能力，保证施工期的围岩稳定，隧洞临时支护设计根据《水工隧洞设计规范》，隧洞洞身采用锚杆、喷射混凝土支护（以下简称喷锚支护）。喷锚支护采用工程类比法进行设计。喷锚支护的原则是锚杆、喷射混凝土、钢筋网或其他类型的支护共同作用，由他们分别提供抗力，维持围岩的稳定。喷锚支护参数根据《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规定（GB 50086-2015）及水利、铁路、公路等已建工程进行类比，并结合本工程围岩的特点综合选用。

2.2.2 TBM 法施工隧洞设计

TBM 具有全断面开挖、出渣、支护以及灌浆等工艺同步进行等特点，TBM 法采用圆形断面形式，掘进机采用双护盾TBM 掘进机。TBM 衬砌采用25cm 厚预制C50 钢筋混凝土管片。

2.2.3 钻爆法和TBM 法隧洞设计投资对比

经估算，钻爆法施工总投资约为2.78 亿元，TBM 双护盾施工方案投资约为4.05 亿元。

2.3 花椒园隧洞至蟒河渡槽隧洞方案

该方案布置原则、计算方法、洞身结构型式等与方案二相同，但由于该方案隧洞洞线进出口高程落差较小，导致洞底纵坡较缓，洞身断面较大，具体布置如下。

根据《河南省焦作市引沁灌区续建配套与现代化改造初步设计阶段工程地质勘察报告》，洞身段围岩类别以Ⅱ类、Ⅲ类为主，少量为Ⅴ类，洞身段Ⅱ类围岩约占58.58%，Ⅲ类围岩约占38.23%，Ⅴ类围岩及第四系含碎石粉质黏土约占3.19%。引沁总干渠花椒园洞出口至蟒河渡槽进口（总干桩ZGQ10+860～22+060）改为隧洞贯穿，此布置可以避开上游峪铁水电站，不影响峪铁水电站效益发挥。两处连线因位于太行山坡积层，因此从花椒园洞出口向北开凿隧洞引入岩体，然后至蟒河渡槽进口。该段原渠道长11.09km，总落差3.3m。设计隧洞长11.0km，纵坡1/3600，设计过水能力18m3/s。考虑到水头较小及经济性，自流灌溉设计流量10m3/s，提灌设计流量18m3/s。经计算，隧洞比降为1/3660，净宽取4.5m，直墙段改3.0m，圆拱高1.228m，圆拱中心角120°。选用钻爆法、TBM 双护盾两种方案进行比较。经估算,方案三钻爆法施工总投资约为2.9 亿元，TBM 双护盾施工方案投资约为4.2 亿元。

3 方案比选及分析

根据现场实际情况，方案一投资13.7 亿元，且处理后煤矿开采可能会形成新的采空区，不能完全解决采空区对整个灌区的影响。另外采空区灌浆处理不确定因素的、不能很好控制投资，方案二与方案三隧洞长度基本相同，方案三2.9 亿元隧洞落差较小，比降缓，洞径大，投资相对较大。方案二投资2.8 亿元，比降较陡，洞径较小，整体较经济，但是下穿太行山国家猕猴自然保护区，协调难度大，经与地方商议及综合分析，选取方案三。钻爆法比较灵活，可以很快开始开挖施工，可以适用于较多的洞型，适用于坚硬完整或较软弱的围岩，且比TBM 双护盾施工方法经济，所以本方案选用钻爆法施工方案。经综合分析，本次设计选用方案三：花椒园隧洞至蟒河渡槽隧洞方案。

4 结语

本文主要从隧洞的长度、投资、自然环境影响、水文地质条件、施工方法这几个方面对三种方案进行比选，影响隧洞选线及方案的因素很多，所以应综合考虑各种因素，进行技术比较后选定。