李鈺璽

1 概述

擬建項目位于地形地質(zhì)極為復(fù)雜的山區(qū),橋隧比例高,隧道棄渣、橋梁施工開挖基坑及清除危石棄渣量達到310萬m3。為了保證主線線形順暢,滿足規(guī)范要求,保證河道的正常泄洪,設(shè)置合理的隧道棄渣場,保護脆弱的生態(tài)環(huán)境,根據(jù)沿線河道、山體分布情況,在沿線河道轉(zhuǎn)彎山體處設(shè)置引水隧洞,原河道利用隧道棄渣填平作為棄渣場,前期可作為主線橋梁預(yù)制場地,后期可造地還田,該段落通過設(shè)置6個引水隧洞,同時還可進一步改善高速公路主線線形,減少橋梁、隧道等大型構(gòu)造物的設(shè)置,打造安全、環(huán)保、舒適、和諧的生態(tài)公路。

2 隧址區(qū)基礎(chǔ)資料

1)地形地貌:沿線地形復(fù)雜,山陡溝深,洛塘河、大團魚河溝道狹窄,溝谷深切呈“V”字形,溝道底最寬處有 80 m左右,最窄處僅有20 m左右,公路建設(shè)條件艱難。

2)地質(zhì):隧址區(qū)揭露的地層主要為第四系坡積碎石土(Qdl4)以及下古生界碧口群石英片巖夾砂質(zhì)板巖(PZ1bk13)。

3 面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題

1)隧洞水文、水力計算難度大和方法復(fù)雜,斷面確定困難;

2)引水隧洞凈空斷面大,結(jié)構(gòu)安全要求高;

3)隧洞進出口處理和消能防沖刷要求高。

4 隧洞斷面形式選擇與尺寸擬定

4.1 水文計算

對于山區(qū)公路引水隧洞,河道改移之后隧洞斷面有限,它們所面臨的威脅不在于調(diào)蓄功能,主要在于其對河流洪峰流量的抵御。水文計算采用形態(tài)調(diào)查法和暴雨推理公式計算方法實現(xiàn)。

4.2 斷面形式的定性選擇和尺寸擬定

斷面形式的選擇主要考慮斷面的受力性能和過水的順暢程度。斷面形狀直接影響隧道結(jié)構(gòu)的形狀,對于大斷面隧洞,其開挖斷面大、受力不利,導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)設(shè)計風(fēng)險增大、施工工序較多、工法復(fù)雜,受力合理的隧洞斷面形狀對改善隧洞的受力有很大幫助。

尺寸擬定主要考慮過流能力和隧洞的高寬比。考慮隧洞正常情況(不考慮緊急情況)過流能力時,1/100(百年一遇)流量過流按洞頂以下1 m考慮,1/300(三百年一遇)流量過流允許隧洞有短暫壅水。由于隧址區(qū)以板巖為主,其水平地應(yīng)力較小,采用高寬比為2左右,可以增大隧洞的過流能力。斷面形式及尺寸擬定比較見表1,方案2斷面形式及尺寸見圖1。

表1 斷面形式及尺寸擬定比較表

方案2和方案3均為馬蹄形斷面,其受力性能要優(yōu)于方案1的直墻圓拱形斷面,其中方案2在受力和水力特性初步判定上又優(yōu)于其他方案,過水能力也強于其他方案,其圓弧底更接近于河道的自然斷面,更有利于與河道的銜接,并能降低水流對隧洞結(jié)構(gòu)的構(gòu)造沖刷,因此引水隧洞斷面選擇方案2。

4.3 水力驗算

引水隧洞水力計算步驟如下:1)長短洞判別;2)隧洞底坡陡緩的判別;3)根據(jù)設(shè)計流量求出洞內(nèi)正常水深和臨界水深;4)洞內(nèi)水面線;5)判斷斷面是否合適。

5 大斷面引水隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)水文水力的要求,采用了方案1斷面,該斷面開挖寬度和高度較大,結(jié)合公路隧道的設(shè)計經(jīng)驗,對引水隧洞的設(shè)計采取經(jīng)驗類比與數(shù)值分析相結(jié)合的方法,首先根據(jù)經(jīng)驗按新奧法和礦山法擬定襯砌支護參數(shù),然后采取理論計算的方法驗算結(jié)構(gòu)是否滿足結(jié)構(gòu)安全要求。

1)根據(jù)經(jīng)驗按新奧法和礦山法擬定襯砌支護參數(shù)(見表2)。

表2 隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計隧道復(fù)合式襯砌支護參數(shù)表

2)采取理論計算的方法驗算結(jié)構(gòu)是否滿足結(jié)構(gòu)安全要求。

按照經(jīng)驗類比選定的支護參數(shù)對結(jié)構(gòu)進行模擬檢驗,計算模型水平寬度70 m,垂直高度80 m,覆蓋層50 m;圍巖采用平面單元模擬,噴混凝土及二次襯砌采用梁單元模擬,錨桿采用植入式桁架單元模擬,鋼拱架及導(dǎo)洞臨時支護采用梁單元模擬;邊界約束為:左、右邊界水平約束,下部邊界垂直約束,上部邊界自由;模型總共1 724個單元;計算荷載僅考慮巖土體自重及開挖釋放荷載。

隧洞施工分為四個階段:1)上臺階開挖并預(yù)留核心土,完成初期支護,應(yīng)力釋放按40%考慮;2)核心土開挖應(yīng)力釋放按10%考慮;3)下臺階開挖及初期支護,應(yīng)力釋放按35%考慮;4)二襯施作,應(yīng)力釋放為15%。

下部圍巖開挖初支后及二襯完成后豎向應(yīng)力圖見圖2,圖3。相關(guān)參數(shù)見表3。

經(jīng)過對隧洞支護、結(jié)構(gòu)、圍巖以及施工順序進行分析可以知道,隧洞襯砌結(jié)構(gòu)位移在容許范圍內(nèi),結(jié)構(gòu)安全可靠,選取的參數(shù)可以使用。

表3 隧洞相關(guān)參數(shù)結(jié)果表

6 隧洞進出口處理和消能防沖刷要求高

1)結(jié)合隧洞進出口的地形、地質(zhì)、水力特性,在隧洞洞門處理上主要采用少量開挖、直接貼壁進洞,在洞口邊仰坡坡面設(shè)計水位范圍內(nèi)采取噴錨防護以達到防沖刷、抗風(fēng)化的效果。2)在棄土場頂部設(shè)置溢洪道,溢洪道底標(biāo)高比導(dǎo)水隧洞洞頂標(biāo)高低1.5 m,作為洪水的緊急輸送通道,確保導(dǎo)水隧洞始終處于無壓力工作狀態(tài)。3)通過計算出口消能措施的選擇,通過對底流式、挑流式、面流式、人工加糙、跌水等處理方法進行比較,因地制宜的選擇消能措施,對進出口均設(shè)置抑水墻。

7 結(jié)語

山區(qū)高速公路大凈空引水隧洞的斷面選擇與尺寸擬定充分考慮了隧址區(qū)的水文、水力、地質(zhì)等因素的影響,通過對山區(qū)高速公路大斷面引水隧洞斷面形式的定性選擇、尺寸的擬定和水力驗算,確定的山區(qū)高速公路大斷面引水隧洞斷面和尺寸滿足山區(qū)高速公路的功能要求和流域的需求,為引水隧洞的設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。