谈大公山输水隧洞跨越暗河施工技术

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。
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)。


3．4 永久衬砌处理方案
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。
(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。