谈大公山输水隧洞跨越暗河施工技术

摘要:介绍了云南省牛栏江－滇池补水工程中大公山输水隧洞跨越大型地下暗河的处理措施。通过详细的水文地质调查及示踪试验，摸清了暗河的形态及其与隧洞的空间关系。在此基础上，通过适当的围岩加固措施，于暗河两端修建施工桥台，采取简支整体箱梁结构的方式跨越暗河。工程实践表明，该方案具有结构型式简单、节约工期等优点，且避免了对原暗河水文环境的破坏。

关键词:岩溶;发育特征;输水隧洞;暗河;牛栏江－滇池补水工程

中图法分类号: TV672文献标志码: A 文章编号: 1001-4179( 2013) 12-0056-03

1工程概述

大公山输水隧洞是牛栏江－滇池补水工程输水线路中第二长的隧洞，全长27．23 km，设计纵坡i =0．05%。开挖断面尺寸(V类围岩)为5．3 m×5．75 m(宽×高)的城门洞形。衬砌断面采用底拱半径4 m、侧底拱半径6 m、顶拱半径2 m的标准马蹄形。

大公山隧洞顺山势布置，地形地貌为构造侵蚀中山地貌，山体走向北北东，沿线地面高程在1 913～2 225 m，地形坡度15°～30°。隧洞前半段西侧分布有雀吃沟伏流、三起三落伏流、魏所河伏流和潘所海伏流。

在隧洞掘进至桩号6 + 311．976时，揭露一条地下暗河，其通道位于隧洞底板以下。水文地质调查和示踪试验结果，基本确定该暗河为魏所河伏流。

2暗河发育特征

2．1形态和规模

水文地质调查和示踪试验揭示，暗河源头为金所盆地魏所河，入口高程1 978 m，距隧洞轴线垂直距离约1．7 km。暗河出口位于三月三水库北侧岩溶泉，高程1 902 m，入口与出口直线距离约3．8 km。暗河与隧洞交叉部位的隧洞底板高程为1 950．12 m，暗河水面高程为1 940．50 m(枯期)，隧洞埋深约105 m。

已揭露区域的暗河溶洞高度最高约16 m，宽度一般为10 m，最宽达15 m，过隧洞段溶洞宽度为12～13m，高度为13～6．5 m(右壁到左壁溶洞高度逐步降低，右壁－中线已连通隧洞底板，中线－左壁有1～3．5 m厚的基岩)。隧洞掌子面中线左侧与暗河溶洞顶部连通，右侧底板围岩厚度约0．4～0．8 m。

暗河溶洞基本沿岩层走向发育，总体方向约S40°E，与隧洞轴线交角约70°，暗河流向自NW向SE。暗河上游(隧洞西侧)的可见长度约为150 m，河床坡降约1%;暗河下游的可见长度约200 m，前100 m河床坡降约2%～3%，局部有0．5 m跌水，后100 m河床坡降约为5%，水流快速进入约1 m宽的狭窄通道。经测量，枯期暗河流量约1．5 m3/s。

2．2工程地质特征

暗河与隧洞交叉区域位于向斜南西端和一条断层之间，沿线出露地层岩性为阳新群的灰岩夹白云岩，二迭系下统梁山组石英砂岩、粉砂岩、页岩夹煤层及石炭系中统的灰岩，坚硬和软岩约各占一半，岩层走向与隧洞轴向夹角小。岩溶岩体破碎，呈碎裂状，稳定性总体较差。暗河溶洞基岩地层岩性为石灰系中上统(C2 + 3)灰岩，岩层产状N20°W，SW∠30°。

暗河与隧洞交叉处的河床中堆积有较厚的巨石、块石、砂卵石，推测厚度大于5 m，两岸为淤积黏土、粉细砂，最高点接近溶洞两边顶部，厚度约15 m。溶洞内局部坍塌严重，上游河床内有3处新近坍塌的巨石、块石堆积物。

3工程措施

3．1处理原则

根据暗河的发育特点，结合隧洞穿越暗河段水文及工程地质条件，拟定工程处理的基本原则如下。

(1)对隧洞和暗河的相对关系进行准确的勘测调查，充分考虑工程的不可逆转性，采取全面处理、不留后患的工程措施;

(2)尽可能避免对围岩原始应力状态造成影响，并在利用围岩本身稳定性的基础上，采取一定的措施提高围岩强度;

(3)工程措施应不侵占原暗河溶洞断面，或不改变暗河的现状过流能力。

3．2方案比选

根据基本处理原则，初步拟定两个技术方案。

方案一。因隧洞施工采用“新奥法”，拟在开挖期内搭设临时便桥跨过暗河顶部，衬砌时按简支整体箱梁结构设计，并适当提高钢筋混凝土结构设计参数(图1)。

方案二。在隧洞与暗河交叉点后退20 m的位置(桩号6 + 331．976)对隧洞轴线进行调整，向东侧偏移5～8 m，选择从暗河顶部围岩覆盖较厚的区域穿过。

经分析，认为方案二因暗河周边围岩条件差，溶蚀裂隙发育，改线后也很难保证隧洞在穿越暗河段开挖时下部围岩的稳定，仍然可能会造成坍塌连通暗河溶洞顶部，风险较大。方案一虽然采取的技术措施较为复杂，但处理过程可预见、结构安全可控，风险较小。最终选定方案一［1-3］。

3．3开挖期临时加固方案

(1)从掌子面右侧2．5 m处(下部围岩厚度约1m)用小导坑方式向前掘进至暗河对岸，并在对岸开挖净深4 m、高度2．5 m的作业平台。采用“弱爆破、短进尺”的方式开挖。每次爆破并排险清渣完成后，立即对新鲜岩面进行加强支护，具体措施为:全断面挂Φ6．5@200 mm×200 mm钢筋网，喷射C20混凝土厚100 mm，同时设置间排距为1．5 m×1．5 m的砂浆锚杆(Φ22，L = 3 m)。

通过开挖掘进时对围岩完整性的判断以及所采取的加强支护措施，确保对岸作业平台能够作为施工便桥桥台使用，并具备永久使用的整体稳定性。

(2)暗河溶洞揭露处的隧洞底板(暗河顶部)围岩较为单薄。为提高暗河围岩稳定性，在洞轴线两侧各7．5 m范围内对暗河顶部和左右两壁进行加固。具体措施为:全断面挂Φ6．5@ 200 mm×200 mm钢筋网，喷射150 mm厚C20混凝土，同时设置间排距为1．5 m×1．5 m的砂浆锚杆(Φ22，L = 3 m)，锚杆尽量垂直于岩体节理面。

另外，还在开挖期内设置临时变形监测断面，通过监测结果拟定后期混凝土衬砌技术参数。

(3)施工便桥采用I32b工字钢搭设，长12 m，间距25 cm，隧洞上游平台搭设长度为3 m，下游平台搭设长度为4 m，中部暗河顶空腔区域5 m。为加强便桥支撑端的整体受力，使支点处受力状况由线状转化为面状，在两个桥台底板先行铺设钢板，钢板宽4 m，纵向长2．2 m，厚20 mm。同时，在桥底增设横梁，以加强便桥的整体连接和稳定性，横梁为I32b工字钢，长5 m，间距1．5 m。便桥上部铺设厚2 cm的钢板，钢板上满铺枕木，再回填10 cm厚碎石垫层作为桥面。

对桥梁进行结构强度计算(按简支梁形式)表明，工字钢主梁的抗弯、抗剪能力及整体挠度均满足规范要求，满足开挖期内机械设备安全运行要求(按最重为17 t的出渣车考虑)。

3

鉴于复合土工膜部分现场观测成果合成材料在工程应用中具有一定的抗老化能力，故有些国家的某些文件中对其使用年限作了较为宽限的规定，如前苏联BCH07-74《土石坝应用聚乙烯防渗结构须知》中规定，聚乙烯土工膜可用于使用年限不超过50年的建筑物。奥地利林茨公司发表的“聚丙烯复合土工膜土工合成材料的长期性状”一文中的结论写道：“对聚丙烯的15年以上的现场应用经验表明，它们的化学和生物稳定性高；织物的最大损坏是在施工中；铺设以后没有大变化；……可预期超过100年的稳定性。

开挖期间的安全监测未发现两处桥台位移变形，暗河两侧围岩较为完整稳定，结合地质勘探结果，确定了永久衬砌处理方案，见图1。

(1)为了进一步加强暗河两侧桥台岩体的整体稳定性，防止衬砌混凝土荷载压迫致使岩体沿节理面滑动，在两个桥台底板布置系统锚杆(Φ22，L = 4．5 m)，间排距为1．5 m×1．5 m。锚杆深入岩体4 m，外露部分采用L型钢筋与衬砌底板内侧钢筋焊接相连。

(2)跨暗河段衬砌断面作为整体箱梁断面，按简支梁结构设计，长度为15．6 m。该段配筋按双层筋布设(原设计为单层筋)，隧洞环向主筋和纵向分布钢筋为Φ22@200，底板纵向钢筋(简支梁受力钢筋)调整为Φ28@150，衬砌厚度50 cm。混凝土采用C35抗硫酸盐混凝土、抗渗标号W8。该段混凝土浇筑时不得分段分期，一次浇筑成型。

(3)完成永久衬砌前，对暗河内堆积的石渣(开挖时掉落)进行清理，以保证恢复原暗河过水断面。

4处理效果

自确定处理方案开始，于7 d内完成对岸桥台开挖及隧洞周边围岩加固处理，5 d内完成暗河顶部和两侧岩壁的加固处理，3 d内完成便桥搭设。临时处理方案完成后，周边围岩结构稳定，无塌方和变形现象，有效保证了前方掌子面的开挖掘进施工，保障了建设工期。

临时便桥完成并恢复开挖后7个月，在第二年的汛期来临前对该段进行永久衬砌。衬砌完成后经3个月时间的观测，衬砌断面无变形沉降现象，混凝土外观无裂痕。

通过对暗河入、出口的流量及水质进行监测，与施工前对比，无异常现象，通过衬砌底板预留的观测孔观察也发现，汛期时暗河内过流正常，无涌水堵塞现象。

5结论

实践证明，大公山输水隧洞跨越大型地下暗河的处理方案是成功的。在其施工过程中有以下几点体会。

(1)隧洞穿越暗河施工时，必须展开细致的地质勘查，摸清暗河的流向、流量等基本情况，了解其水文地质条件。对隧洞与暗河的交叉区域，要进行准确的测量工作，以查清暗河形态以及暗河与隧洞的空间关系。

(2)采取的“对岸桥台开挖及支护－暗河围岩加固处理－临时便桥搭设－前方掌子面正常掘进－完成永久衬砌”的工程处理措施是合理有效的，确保了隧洞施工和长期运行的安全，也降低了工期延误的风险。

(3)在方案选定时，应考虑与周边环境因素相结合，减小施工影响，要避免形成二次破坏甚至多次破坏。比如本案例中，经对围岩作适当加固处理，利用了原有围岩整体性，没有对桥台岩体进行开挖重建，减小了工程投资，也节约了施工时间。

(4)要尽可能保持暗河的原有功能，避免对当地水文环境带来影响。

参考文献:

［1］张立德，周小兵，赵长海．软岩隧洞设计与施工技术［M］．北京:中国水利水电出版社，2006．

［2］邹成杰．水利水电岩溶工程地质［M］．北京:水利电力出版社，1994．

［3］关宝树．隧道工程施工要点集［M］．北京:人民交通出版社，2011．

作者简介:龙庆波，男，工程师，主要从事水利工程建设管理工作。