下穿越居民区的浅埋输水隧洞扩建设计

刘甲奇 王涛

当下，国家对水利工程的投入力度大，加快水利基础设施建设工作，目前我国已建的许多水利工程设施大都建设于20 世纪60—70 年代，迄今为止，这批已建水利工程的使用寿命大部分超过50 年，已经达到使用年限，需要改造升级或拆除重建。

输水隧洞工程在引调水工程、灌区灌溉工程中发挥着重要作用，其技术也相对较为复杂，20 世纪60—70 年代建设的一些隧洞，其设计过流能力已经不能满足现阶段当地居民生产生活，需要对其进行处理，在处理措施中，隧洞的扩建工程技术应用就应运而生。水利工程引水隧洞扩建工程领域，研究的结果较少，大部分水利工程还未进行隧洞的扩建，这可能是由于隧洞扩建工程技术复杂，危险性较大。隧洞的扩建一般分为双侧扩建、单侧扩建和四周扩建[1]，无论哪种扩建方法，原有隧洞支护结构的拆除和扩挖都是危险性较大的工程。扩建隧洞中，首先需拆除原有隧洞的衬砌结构，然后再扩挖隧洞断面，这样一来就破坏了围岩原来保持的平衡状态，使得围岩的受力情况变得较为复杂。特别是遇到隧洞围岩是软弱松散岩体，洞顶埋深较浅，围岩的承载力较差，渗透稳定性不足，在洞顶上的岩土体较难构成完整的拱形支撑结构，容易坍塌而产生较大的地面下沉[2]。特别是当浅埋隧洞穿越既有居民楼或其他工程时，由于施工扰动地层，导致围岩亏空，从而引起地表发生明显位移，对地表上的建筑物及周边环境造成较大的影响。

所以，扩建隧洞设计方法的研究就显得格外重要。本文依托某隧洞扩建工程，探索了原位扩建隧洞浅埋段的设计方法与思路，以期为后续类似隧洞工程的设计和施工提供一些参考与借鉴。

1 工程概况

1.1 项目介绍

某供水工程设计引水流量为31 m³/s，为Ⅱ等大（2）型工程。输水隧洞长193 m，为无压隧洞，洞身断面采用标准马蹄形断面，设计净尺寸为4.3 m×4.3 m，设计洞身底坡为1/600。隧洞上方与一条公路相交，并穿越一个居民聚集点。隧洞沿线埋深0~12 m。原隧洞设计流量23.4 m³/s，加大流量25.7 m³/s，洞身底坡为1/600。

经现场查勘，现状隧洞洞身为蛋形断面，衬砌后最大高度为4.15 m，最大宽度为3.4 m，采用装配式混凝土衬砌，由2 块侧墙和2 块顶拱拼装而成。顶拱为混凝土衬砌，厚300 mm；侧墙为混凝土衬砌，顶部厚300 mm，底部厚800 mm，洞底为300 mm厚的浆砌块石。隧洞运行至今已达50年之久，存在衬砌混凝土老化、止水破坏接缝漏水等问题；根据对现状隧洞的复核计算，现状隧洞结构强度不能满足正常使用功能，结构安全性为C级。且现状隧洞衬砌净断面尺寸较小，不能满足现阶段的过流要求，经经济技术分析比较后，隧洞需进行扩建，增加其过流能力，满足输水要求。

1.2 工程地质

现状隧洞地质条件：地表为坡残积壤土或细粒土质砂，厚约3 m；下伏为粗粒结构花岗岩，隧洞洞顶岩层厚度7~10 m。隧洞穿越地层大部分为全风化花岗岩，风化呈壤土状，遇水饱和后极易崩解，部分为强风化花岗岩。隧洞沿线地下水位较低，出露位置低于洞顶板2 m 以下，且地下水水量不大，对开挖影响不严重。隧洞顶部房屋密集，围岩地质条件较差，施工过程中发生过塌方，本隧洞围岩主要为细粒土质砂状全风化花岗岩，局部为强风化或弱风化花岗岩，围岩类别为Ⅳ、Ⅴ类。钻探揭露深度24.0 m范围内，地层岩性分别为：

（3）高村单元（P2g）岩性为细粒斑状黑云母二长花岗岩，强风化带为斑状结构、块状构造，岩体不完整；弱风化带较完整，隐裂隙发育，岩质较硬。

（4）三叠系侵入岩竹山岭单元（T1zh）岩性是中细粒斑状二长花岗岩，强风化带为中细粒结构、块状构造，岩体破碎；弱风化带较为完整，隐裂隙发育，岩质坚硬。

扩建隧洞的三维地质模型如图1所示。

图1 隧洞三维地质模型

2 设计技术要点

（1）隧洞断面形式的选择。通过比选确定隧洞的断面形式。

（2）荷载选择与确定。在隧洞上部，有许多房屋，还有1 条国道公路，在考虑浅埋隧洞作用荷载时，需考虑隧洞上部房屋荷载、车辆活荷载等的作用。

（3）浅埋隧洞的支护方式选择。超前支护、一次支护、二次支护等支护方式需根据浅埋隧洞埋深浅，上部覆土薄等特点进行特殊设计。

（4）隧洞扩挖的施工方法。解决扩挖隧洞中，选择合适的开挖方式，使其对周边岩土体扰动最小，避免出现大面积的坍塌。

（5）在居民区，尽可能减少对居民生产生活的影响，选择易于当地群众接受的防护措施，减少安全隐患。

3 输水隧洞结构设计

3.1 断面形式及洞径选择

隧洞断面形式比选了圆形、马蹄形、城门洞形3 种断面形式[3]。本工程隧洞为输水隧洞，根据地质情况，该洞段围岩破碎，大部分围岩为Ⅳ~Ⅴ类，少部分Ⅲ类。从过流条件、隧洞结构受力条件、运行管理条件、施工难易性、经济性等多方面考虑，推荐采用马蹄形断面。3 种比选方案的详细内容见表1。

3.2 超前支护设计

3.2.1 长管棚、小导管注浆加固

超前支护根据洞顶土层厚度及围岩相关条件采用长管棚、小导管注浆加固[4]。超前小导管为Φ42×5 mm 的热轧无缝钢管，长度为5 m。对于浅埋隧洞的施工，采用双层小导管注浆，内侧小导管的外倾角在6°～10°之间，外侧小导管外倾角在14°～20°之间，每循环超前小导管之间的搭接长度为1.5 m。

大刚度管棚选用Φ108×3.5 mm热轧无缝钢管，长度30 m，外倾角1°~3°，形成有效的扩散型的保护壳，管棚间距为2.0～2.5 倍钢管直径，管棚内压注水泥浆或化学浆液，形成一定厚度的伞状保护壳，然后在大管棚的保护下保证开挖隧洞的顺利。

3.2.2 洞顶沿线固结灌浆

在隧洞顶部采用沿线固结灌浆：对洞顶土层进行加固，形成“结石体”，使原来破碎松散的围岩胶结成一个整体，提高其凝聚力与岩土体刚度。从而使隧洞顶部的围岩保持稳定，达到保证工程安全及顺利掘进的目的。

注浆压力：初压0.2 MPa，终压2~3 MPa，采用孔口阻塞纯压式灌浆法施工[5]。注浆顺序：先灌注外侧两排孔，此后依次向内推进；每排注浆孔内，先灌注两端的孔，然后间隔灌注。竖向灌浆范围为隧洞开挖轮廓以外到地表1.5 m以下，详细的地基加固范围如图2所示。

图2 隧洞顶部地基加固注浆示意图

3.3 一次支护设计

围岩开挖导致地层发生松动，其承载能力必然下降，如支护不及时或强度不够，则会增加施加在支护上的荷载，甚至发生坍塌[6]。因此，一次支护应及时跟进，并有足够的刚度与强度，以便有效限制地层发生过大过快变形。早支护不仅可以减少作用在支护结构上的荷载，而且能够避免地层过大变形，防止施工塌方。

一次支护的支护型式及相关设计参数应依据隧洞的工程地质勘察成果，并结合已建类似工程确定，通常采取锚杆、挂网、喷混凝土、钢拱架等组合加固形式，各围岩洞段典型断面的开挖及一次支护型式见表2。针对某些地质条件较差的施工地段，需根据隧洞围岩的变形情况，采取及时调整钢拱架的间距及形式、封闭底板、尽快进行二次衬砌等方法解决。

表2 一次支护参数情况

3.4 二次衬砌设计

隧洞结构设计的工程措施目的是加固不良围岩、保证围岩稳定[7]，因此要把所采用的工程措施与围岩视作一个统一的复合整体，考虑一次支护、二次衬砌与围岩的共同作用。在考虑隧洞围岩承载力的基础上，衬砌采取钢筋混凝土，混凝土衬砌结构按照限裂进行设计，无压隧洞按限制裂缝宽度为0.3 mm 进行设计。在二次衬砌施工完毕后，一次支护与二次衬砌一起承担载荷，计算荷载包括：山岩压力、衬砌自重、内水压力、外水压力、上部房屋压力、车辆荷载等。

隧洞衬砌结构采取程序计算，通过计算成果进行分析确定[8]。对于复合式衬砌的内力分析，一次支护与二次衬砌两部分刚度之和为复合衬砌刚度，按照隧洞衬砌的整体结构计算衬砌内力。分配比例为一次支护承担40%、二次衬砌承担60%进行计算[9]。最后得出的二次衬砌计算结果见表3。

表3 二次衬砌参数情况

4 施工期间措施设计

4.1 扩挖施工设计

隧洞扩建具备进、出口作为工作面施工的条件，最长工作面长度分别为97 m和136.5 m，平洞可采用无轨运输施工。现状隧洞全断面采用预制钢筋混凝土衬砌，埋深约16 m，本段围岩较差，围岩类别以Ⅳ、Ⅴ类为主，隧洞中部地表有国道公路穿过，公路两侧为民房或商铺。隧洞轴线横贯公路及居民点，考虑覆盖层薄，距离居民点较近，预制混凝土拆除主要采用小型挖掘机配合破碎锤拆除，扩挖无法采用常规爆破扩挖，为保证隧洞顶部道路与居民的住房安全，选用静态破碎开挖，减小土体扰动，并加强超前支护，采取管棚、小导管注浆、钢格栅拱架及时支护等措施。施工过程中应编制详细的监测方案和应急措施，按时整理分析监测数据资料，发现异常情况要及时采取有效措施。隧洞扩建施工流程如图3所示。

图3 隧洞扩挖施工流程

具体施工工艺如下：

（1）进口钢筋混凝土套拱施工。对已有隧洞进、出口扩挖后，浇筑钢筋混凝土套拱，管棚套拱长度3.0 m，并在该管棚套拱内预留管棚套管，用于设置长钢管，在套拱结构施工完成后，即可进行后续进洞拆除扩挖。

（2）设置管棚。管棚钢管采用Φ108无缝钢管，Φ89注浆钢花管，钢管每节长度控制在4~6 m，采用丝扣联接，并设注浆孔，通过套拱预留管棚套管顶进、灌浆，进、出口管棚长度各30 m，仰角1°~3°。

（3）进出口的拆除、扩挖。在管棚超前保护下，采用液压破碎锤辅助小型挖掘机，拆除原隧洞预制构件，每拆除2~3环预制构件，即进行扩挖。考虑为隧洞扩挖，不需要创造临空面，沿扩挖断面，钻周边孔及辅助孔，装静态破碎剂胀裂岩石，进行辅助眼和周边眼破碎。破碎后开挖采用液压破碎锤与小型挖掘机相结合的开挖方式，装小型农用汽车出渣。

（4）一次支护。每扩挖2 段后，停止掌子面开挖施工，对掌子面进行初喷混凝土封闭，设置钢拱架及挂网喷锚支护，对已扩挖岩面进行封闭，支护后即进入下一循环。钢拱架按要求弯制，钢拱架底脚必须坐落在牢固的基础上。

（5）隧洞拆除、扩挖。洞内开挖选用小导管注浆超前支护，小导管与管棚在围岩内搭接均不小于3 m。隧洞预制构件拆除、扩挖方式同进、出口，采用静态破碎剂胀裂岩体。隧洞一次支护采用超前小导管和钢拱架支护，小导管在围岩内的搭接不小于3.0 m。

4.2 安全监测设计

浅埋隧洞监测设计包括监测项目、仪器布置、量测频率、监测预警值等[10]，监测项目分为洞内监测和洞外建（构）筑物监测两方面，主要监测部位包括浅埋段隧洞位置的地表建筑物、施工影响范围内的永久建筑物、基坑开挖边坡附近的建筑物等。

4.2.1 隧洞内监测

（1）在施工期对隧洞进行收敛变形监测，每间隔30 m左右设置监测断面，根据现场实际地质情况进行调整，采用收敛计进行观测，每个监测断面分别布置3支测缝计监测围岩与衬砌接缝变形，监测点应在隧洞开挖后及时进行埋设。为使初始读数尽可能准确，监测断面距离开挖断面不应超过2 m。

（2）根据隧洞实际地质情况，在靠近隧洞进出口洞口部位监测断面布置3套多点位移计监测围岩变形。

（3）隧洞沿轴线方向每隔10 m设置1个观测断面，在拱顶处设1个测点用来观测隧洞拱顶的下沉值。根据规范[11]要求，隧洞洞顶允许沉降值为隧洞开挖宽度的0.6%，考虑临时支护后隧洞开挖宽度为4.3 m，则洞顶允许沉降值为25.8 mm。如果测得的隧洞洞顶沉降值大于等于该值时，或者喷混凝土的表面已经发现有肉眼可见的明显裂缝，或实测的位移变化速度快速增大时，应立即停止向前开挖，采取喷射混凝土封闭隧洞工作面等加固措施后才能够继续进行施工。

4.2.2 隧洞外监测

（1）对距离隧洞轴线左右20 m 范围内的房屋，监测其沉降和水平位移情况，并实时在房屋永久缝的地方布设测缝计，观测缝隙的变形情况。

（2）对洞周围岩土体设置观测点，观测隧洞上部岩土体的变形情况。在洞顶、边坡等部位埋设多点位移计，观测隧洞上部岩土体的变形。

（3）对洞顶上部道路进行监测，主要观测隧洞上部道路的变化情况，包括道路的裂缝、变形、位移情况。

4.3 特殊防护措施设计

（1）隧洞施工过程中可能对隧洞上方居民的正常生活造成一定影响，为防止造成人员伤害，对上部影响房屋的人员采取临时搬迁、减少施工期内居民在房屋内活动等措施。

（2）施工过程中实行道路交通管制，大型或者装载数量大的汽车不应在隧洞上方道路上通行；根据各隧洞实际情况架设便桥或铺设钢板过渡进行限速，尽可能降低行驶车辆对隧洞施工的影响。

（3）该隧洞为浅埋隧洞，围岩自稳能力差，易坍塌，施工期应全程进行安全监测，做好超前地质预报及预防对策。施工中严格按照超前支护、注浆、静态破碎围岩、短进尺、勤测量、强支护、一次支护及时跟进的施工程序[12-13]。施工过程中需加强对隧洞的围岩与支护体系的监测，在发现围岩与支护体系的变化速率发生异常情况时，需采取适当有效措施；情况严重时应安排所有危险区域的人员立即撤离。

（4）洞外房屋，由于大部分都为居民自建房，上部居民楼房屋质量参差不齐，需根据需要进行房屋质量鉴定，并决定是否需要提前加固处理。

4.4 工程实施情况

隧洞采用静态破碎等施工开挖方法成功实施。现场的监测数据表明，该工程所采取的开挖施工方法和支护设计参数对控制隧洞围岩变形效果显著。该工程施工中所采取的施工方法成功限制了围岩的较大变形，顺利地完成了隧洞的扩挖施工。

5 结 语

（1）浅埋隧洞施工除与水文地质条件、临时支护形式等条件有关之外，采取适当的施工工艺、安全监测等措施也是不可或缺的条件，实际施工中要根据不同工艺及安全监测成果及时调整支护参数。

（2）浅埋隧洞设计应遵循“强支护、短进尺、早衬砌、勤监测”的原则。超前支护、初期支护需具有足够的强度与刚度，并根据地层情况选择合理的开挖方式与施工工序。

（3）采用洞顶沿线固结灌浆进行超前加固处理，能够提高洞顶岩土体的结构强度、提升岩土体的力学特性，防止隧洞扩挖施工时发生大面积塌陷，并能够有效限制后期拱顶的沉降。

（4）超前支护采用大管棚与小导管组合，形成发散的外部保护壳，能够有效限制地面发生的沉降与隧洞顶部变形。

（5）由于隧洞穿越居民区，所以采取洞顶沿线加固地基、对上部居民、房屋、道路采取适当的措施是非常有必要的。