边振荣

(甘肃省水务投资有限责任公司，甘肃 兰州 730000)

1 工程概况

引大入秦工程盘道岭隧洞是一座深埋无压引水隧洞，隧洞全长 15.723km，里程桩号为76+235—91+958.154，最大埋深404m。隧洞为圆拱直墙带反拱底板断面，成洞净宽4.2m，净高4.4 m。盘道岭隧洞除进出口的946m由原引大指挥部承建外，其余长度14777m、桩号76+988.0—91+765.0的洞段，断面衬砌结构形式为一次钢拱架锚喷支护与二次混凝土衬砌，一次衬砌厚度一般为15～20cm，二次衬砌厚度大于30厘米。盘道岭隧洞结构断面设计参数如下：

一次衬砌结构采用喷锚支护，支护厚度15cm，二次衬砌结构为混凝士复合式衬砌，支护厚度25～30cm。盘道岭隧洞衬砌结构如图1所示。

图1 盘道岭隧洞衬砌结构示意图

2 工程地质条件

盘道岭隧洞为深埋隧洞，最大埋深404m，工程地质条件复杂，隧洞82%地质为第三系地层，约13km的洞段均为低强度围岩，围岩类型以泥质砂岩、砂质泥岩、砂岩和砂砾岩为主，该类围岩遇水易软化、流变性较强，且胶结性较差。

3 施工方法

隧洞采用新奥法原理设计施工，分进口、出口、斜井(上下游方向)4个工作面掘进，断面类型分A、 B、C三种，分别适用于Ⅲ类(占总长58%)、Ⅳ类(占总长40.7%)、Ⅴ类((占总长1.7%)围岩。复合式衬砌结构由喷混凝土、锚杆、钢筋网和钢拱架等一次支护与二次钢模台车衬砌组成[1- 7]，依围岩类型和断面不同，其支护参数不同[8]。通过净空变形量测，待洞室围岩收敛变形趋于稳定，适时进行二次衬砌[9- 11]。

3.1 全断面开挖支护

隧洞掘进先后采用MRH-S90和MRH-S200悬臂式掘进机开挖(开挖范围： 5.3m× 5.9m)，开挖轮廓线由红外线激光导向仪控制；掘进与喷锚支护紧密配合[12- 13]。对于无地下水出露或有滴渗、围岩胶结较好区段，开挖一次成洞，喷射混凝土紧跟掌子面，日进尺7.5～10m。

3.2 插板护顶法

在主洞岩性为疏松砂岩、粉砂岩、胶结性差的区段，如4号斜井作业面上下游方向4690m的范围(CH81+172—CH85+862)，开挖中岩体自稳时间小于30min，喷混凝土之前或喷混凝土时起拱线以上部位发生掉块和局部坍塌，该范围段作业采用先上半部开挖，架设钢拱架后再打入波形钢板(1.5m×0.3m×0.03m)的插板护顶法施工。日进尺1m左右。

表1 盘道岭隧洞结构断面设计参数

3.3 管棚灌浆法

进口工作面自CH79+795开始，掌子面围岩含水量明显增大，1990年9月18突发性涌水，造成流沙在洞中延伸18m，流沙总量约230 m3，针对围岩的泥化，采用化学注浆固结措施(主要为水玻璃浆液)和管棚灌浆法施工[14]，起到了良好的效果。

3.4 上下台阶小导洞法

在4号斜井上游方向CH81+914附近遇到F103断层，共出现流砂14次。从1989年12月开始，掌子面的涌水量60～120L/s，3个月总共掘进34m；由于涌水、突泥、流砂的频繁发生，管棚注浆也难以成洞，采用了上下台阶管棚注浆加小导洞开挖法，艰难通过断层区段。

3.5 回填灌浆

盘道岭隧洞地质条件复杂，施工方法多样，一方面一次支护喷混凝土层与软岩难以密切形成整体结构，顶拱部位和侧墙喷层也有空穴存在；另一方面，地下水洞段造成泥土流失；插法护顶法的采用，使钢板与围岩之间留有空隙。为保证结构运行安全，保证质量，施工期间进行了回填灌浆[15- 16]。

4 施工期地下水出露情况及相应排水措施

4.1 施工期地下水出露情况

盘道岭隧洞地下水的渗水量与大气降水、地形、地貌、地层岩性有关。施工建设期，地下水渗漏严重洞段达11处，渗流长度达5.37km，其中渗水最严重洞段为桩号77+633—81+935和出口90+170—91+765处，施工期间记录的开挖面附近最大渗水量约120L/min，净水压力水头约36m，施工期全洞总涌水量135～175m3/h，其中进口至4#斜井(82+443.497)段涌水量占全洞总涌水量的98%左右，洞内地下水矿化度一般为3.9～33g/L。

4.2 施工期相应排水措施

盘道岭隧洞在涌水大的洞段共修建排水盲沟3200m。为了减少作用于衬砌上的外水压力，有水洞段在回填灌浆之后，在设计加大水位以上的拱腰部位设置了永久排水孔。孔管外裹无纺织布反滤物，每排3孔，排距3.0m。

5 裂缝特征及成因分析

5.1 裂缝的特征及发展趋势

从1987年10月开始，隧洞二次衬砌混凝土表面出现了程度不同的裂缝，距浇注时间14个月。1988年3月进行第一次裂缝调查，1990年初再次对裂缝进行系统全面的调查。调查结果显示，裂缝的数量和裂缝长度、宽度均有不同程度的发展。1990年3月调查的长度范围6866m，纵横向裂缝总数630条，纵向裂缝大多数位于起拱线附近共计178条，环向裂缝452条其中272条伴有渗水现象，占总数的43%。纵横向裂缝最大宽度分别为8mm和0.6mm，均发生在起拱线位置，此段为有水地段。1990年与1988年的调查结果相比长度和宽度均有所增加。

5.2 裂缝成因分析

5.2.1地质原因

盘道岭隧洞穿过岩性较差，岩石单轴饱和抗压强度Rb=0.8～2.7MPa，按照岩石分类属软岩。一方面围岩受构造断裂影响，强度低，塑性变形区大，蠕变特征明显。另一方面，围岩由于地下水丰富，有较大的流变性，致使一次支护后围岩变形较大，二次衬砌承受山岩压力和地下水的联合作用而产生了裂缝。

5.2.2施工原因

(1)底板过早封闭引起裂缝和底鼓

施工中底板封闭过早，围岩应力尚未得到完全释放，在一定程度上阻止了围岩的径向变形，导致内衬混凝土表面环向应力分布不均匀，从而使二次混凝土产生裂缝。挖除该段底板，在底部打设锚杆，并由素混凝土改为钢筋混凝土，同时在底部铺设盲沟排水，每100m设置集水井抽排。为确保二次衬砌厚度，预留变形量加大至20cm。通过以上措施，底鼓开裂得到了控制。

(2)一些区段二次混凝土浇注时间过早

盘道岭隧洞开挖采用新奥法施工，通过施工建设期选定断面应力监测，从隧洞整个断面应力分布看，围岩与一次支护系统处于向左侧的偏压状态，围岩与喷混凝土之间的接触应力，拱顶部位最大为1.16MPa；其次是起拱线附近至拱腰右侧>左侧约0.19MPa；侧墙中间部位右侧>左侧约0.27MPa；底板右侧>左侧约0.54MPa。业内人士认为，一次支护承担总压力的70%左右，二次混凝土衬砌仅占30%左右，如果一次支护变形没有趋于稳定就实施二次衬砌，那么，二次衬砌就承受了不该承受的荷载，如此压力传递导致裂缝的产生。

(3)部分区段衬砌厚度不够引起的裂缝

盘道岭隧洞由于岩性较差，隧洞塌方时有发生，断面径向位移变形大于20cm，且变形处于长期徐变，当时为确保施工安全，采取了立即浇筑二次混凝土的措施，造成施工建设期预留变形小于断面收敛变形量，由于净空变形占用空间，致使衬砌厚度只达到设计厚度70%左右。从裂缝分布的现状来看，此区段附近较为集中和密集。

(4)隧洞深埋段压力过大引起的裂缝

盘道岭隧洞桩号CH83+868—CH87+208段，隧洞埋深均大于300m。通过对深埋段(CH83+914.2—CH83+959.58)的59 个断面实测收敛变形速度分时段统计表分析，围岩早期变形量大、速度快。深埋段隧洞均存在应力分布不均，对称性不好的情况，内衬混凝土表面环向应力分布情况是隧洞两侧起拱线附近至侧墙下部基本受拉，拱部受压，底拱受拉。

6 裂缝的封缝修补处理

盘道岭隧洞对开度大于0.25mm的裂缝进行了封缝修补处理。封缝修补材料选择与混凝土有较强粘结性以及适应裂缝一定开度的氯丁胶乳水泥砂浆，封缝处理沿裂缝延展方向开凿V形槽，每间隔30～50cm钻孔灌浆，净浆按水和氯丁乳胶配置(水∶氯丁乳胶=2∶1)，嵌填收面采用水泥：中砂∶氯丁乳胶=1∶1.5∶0.45拌制。化学灌桨材料选用水溶性聚氨酯，按体积比合比2∶8配制，在浆液中掺入5%～10%的丙酮。此种浆材亲水性能好，遇水即发生反应生成胶凝体。化灌结束后采用压水方法检查，封缝修补效果良好，经通水运行检验，上述措施达到了封缝止水的目的。

7 除险加固方案

2012年8月，通过“兰州新区供水项目引大渠道除险加固工程”项目，对总干渠盘道岭隧洞裂缝较严重3段(桩号76+719—78+309；71+740—71+923；64+482—66+554)进行了除险加固。盘道岭隧洞除险加固设计方案如图2所示。

图2 盘道岭隧洞除险加固设计方案

8 结论和建议

盘道岭隧洞混凝土裂缝有其显著的特点，裂缝的产生与新奥法施工、混凝士复合式衬砌、隧洞埋深、围岩遇地下水软化产生流变等工程背景密切相关。首先，结构断面的某些缺陷(如底板为较薄的素混凝土且曲率偏小，侧墙为直墙等)是裂缝产生的内在原因；其次，具有塑性流变特征的软岩隧道，即便一次支护体系变形稳定再实施二次衬砌，随着时间的推移，衬砌混凝土仍受到围岩蠕变的荷载。从目前的运行情况来看，套衬形式的采用后，盘道岭隧洞裂缝较严重3段再无新裂缝产生，一次浇筑成型和钢模台车的采用，降低了混凝土表面糙率，提高了隧洞输水能力。除险加固方案的实施对隧洞安全运行产生了良好的效果，为今后大型水利工程的隧洞运行管理积累了经验，同时也为兰州新区供水和经济发展发挥了积极地作用。综上所述，提出如下建议：

(1)对于未加固处理区段的裂缝继续观测，特别是纵向裂缝，同时对外水内渗的水量、水质进行监测。

(2)将已自然堵塞的排水孔疏通。水排除后，可以减少外水压力对隧洞的作用。

(3)在有水地段的地表附近通过采取工程措施，疏通水路，尽可能地避免地表水的汇集，最大限度地减少地下水的补充。