石垭隧洞病害治理研究.doc

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石垭隧洞病害治理研究

根据隧洞病害治理全过程研究，分析病害主因，提出科学合理治理措施，为构造应力或粘土岩地区水工隧洞衬砌结构破坏病害治理、后续隧洞建设、维护和加固积累了经验。

标签：

水工隧洞；衬砌破坏；治理研究

1、引言

石垭隧洞工程位于四川省中江县境内都江堰人民渠七期主干渠（总长174.3km）中段，该工程是隆兴渡槽（77+000）至合兴幸福渡槽（97+119）段20.119Km严重病害渠道的改线工程。

隧洞总长6448m，担负着向隧洞下游德阳、绵阳、遂宁、成都四市的中江、三台、射洪、大英、金堂5县178万亩农田灌溉输水任务和保证城镇饮水安全任务，并为沿渠场镇及村民提供生产、生活用水，以及保障1座大型水库、2中型水库和数座小型水库蓄水，近3年年输水量2.4～3.4亿m3。

本工程建筑物等级为3级，设计流量为28m3/s，工程区地震动峰值加速度0.10g，基本烈度Ⅶ度。

该工程是中央投资大型灌区续建配套与节水改造工程新建项目，属于四川省都江堰灌区续建配套与节水改造工程的重点建设项目，于2002年1月22日开工建设，2004年12月16日完工，工程于2004年年底试运行，2007年8月通过国家竣工验收，正式通水投入运行。

受2008年“5.12”汶川特大地震的影响，隧洞结构变形较为严重，顶拱裂缝558m，缝周混凝土剥落、钢筋弯曲；底板隆起洞段长超过1000m，隆起高度10～30cm，钢筋弯曲。

为防止隧洞病险情况进一步恶化，于2014年～2017年对变形破坏段进行了整治。

2、病害类型与成因分析

2.1病害现状

2.2.1建设过程病害初显

石垭隧洞由进口闸室、暗渠、隧洞及出口明渠组成，总长6448.64m，其中隧洞总长6133.4m。

隧洞衬砌型式为圆拱直墙型结构（城门洞型），内空尺寸为B×H=4×2.15m、R=2.15m。

在施工过程中，2003年10月，Ⅲ类、Ⅱ类围岩底板为泥岩的洞段开口式钢筋砼衬砌结构型式，底板出现隆起现象，经研究确定改成底板封闭钢筋砼衬砌结构型式。

同时对出现隆起破坏段底板修复为反底拱，中部厚40cm，两端厚30cm。

2.2.2运行过程中病害凸显

试运行期间发现隧洞中段洞顶衬砌局部出现裂纹，底板轻微隆起。

竣工验收时，鉴于隧洞地质环境复杂，不宜盲目进行处理，作为遗留问题，验收委员会及专家组对此提出了加强观测、预留资金、择机处理的意见。

几年来，运行管理单位根据竣工验收委员会及专家组的意见，加强了对隧洞中段在试运行期间出现的局部顶拱裂缝、底板隆起的变形现象的观测和检查。

根据历年观测和检查记录，试运行期间隧洞变形情况发展缓慢。

但2008年“5.12”汶川特大地震以后，隧洞结构变形较为严重变形呈加速、加剧发展的趋势。

2012年停水检查，隧洞中段顶拱裂缝已经扩展到长度508m，缝周混凝土挤压破碎脱落，钢筋弯曲；底板隆起（高度10～30cm）、钢筋弯曲，隆起范围扩大到长度1159m；隧洞边墙出现裂纹，没有明显的位移。

2013年4月21日检查，顶拱增加裂缝增加长度50m，达到558m。

2.2.3整治过程中病害发展

针对上述病害情况，石垭隧洞病险整治工程于2014年12月开工建设，第一年度用时60天完成部分任务。

2015年11月开始第2年度的工程建设任务，2016年1月5日，通过现场勘察，发现在设计整治范围之外的2+479～2+542、2+389～2+407两段底板露筋、隆起，合计81m。

现场图片（见图1，2）

2.2病害成因分析

2.2.1地质原因

构造应力作用。

石垭隧洞桩号3+577～4+135破坏较严重，底板和顶拱同时变形，该段位于隧洞中部，埋深较大达198～300m。

隧洞位于龙泉山背斜北部核部，紧邻中江断层，且洞轴线与褶皱轴线、断层走向近于平行，中江断层走向N10～20°E，倾向北西，倾角25～30°，为压扭性断裂，下盘北移，因褶皱和断层均是地壳水平挤压运动的结果，形成构造应力场其最大主应力为压应力，其方向于洞轴线近于垂直，较大构造应力对围岩持续挤压作用，对隧洞衬砌结构稳定产生破坏。

受汶川“5.12”特大地震及后期余震影响，构造应力增加较快，破坏加速。

泥岩膨胀力作用。

石垭隧洞围岩由砂岩、粉砂质泥岩组成，受汶川“5.12”特大地震影响隧洞裂隙增加，干湿交替运行，导致洞内岩石含水量的变化。

根据试验取样分析，岩石离散性大，矿物成分具有产生膨胀力的母岩，岩石无扰动无膨胀性，有扰动后，含水量变化引起裂隙增加，土石之间容易吸水，容易崩解，石垭隧洞输水时间长，近3年平均輸水时间为246天/年，最高334天，含水量变化使岩石具有膨胀性，使隧洞在多年干湿循环运行后产生了加速变形，从而导致隧洞产生了不同程度的破坏。

。

根据资料反映：

四川在丘陵红层粘土岩地区已建大型灌区输水隧洞因膨胀力均有不同程度的破坏，如武引灌区、升钟灌区。

2.2.2设计原因

石垭隧洞工程原设计为马蹄型断面，为方便施工修改为城门洞型断面，其结构对于抵抗围岩压力、膨胀力不利，导致底板隆起变形。

2.2.3施工原因

顶拱衬砌薄弱，这是质量通病，衬砌混凝土在实际浇筑过程中，往往由于施工方法和设备的限制，导致拱顶部位混凝土厚度不满足设计要求。

同时由于模板或混凝土泵送压力方面的限制，拱顶部位衬砌混凝土无法充填密实，容易在拱顶背后留下空腔。

当衬砌结构受到围岩压力时，在衬砌的薄弱部位和拱顶部位产生应力集中，使衬砌开裂，严重地段混凝土掉块、钢筋弯曲变形。

加之开挖施工不规范，洞室成型差，围岩受力不均匀，应力集中释放造成拱顶围岩塌方，且回填灌浆不饱满，难以形成整体结构。

3、病害治理设计3.1原设计概述

石垭隧洞设计流量28m3/s，采用直墙半圆拱形衬砌断面（4×4.15m），设计比降1/1000，糙率取用n=0.016，设计水深3.19m，隧洞长6133.37m。

石垭隧洞衬砌结构依据地质条件而定，Ⅳ类围岩洞段采用封闭式钢筋砼衬砌结构型式厚40cm；Ⅲ类和Ⅱ类围岩采用开口式钢筋砼衬砌结构型式，砼衬砌厚度30cm，底板为平底板，素砼结构，厚20cm。

3.2病害整治设计概述

针对隧洞变形实际情况，便于施工，经济合理，分段处理，设计采用拆除重建、原结构加固、补强措施相接合的形式拟定整治方案如下：

（1）清除已破坏的砼底板，并清除风化膨胀的岩石；

（2）底板重建钢筋砼反拱底板厚度40cm，结构外采用C15砼回填；

（3）底板与直墙相交处倒角连接；

（4）隧洞顶拱破坏部分采用锚杆+挂网+C30喷砼；

（5）底板与直墙相交段附近锚筋加固；（6）过水直墙段刷防渗材料帕斯卡；（7）隧洞与岩石相交面全断面回填灌浆；（8）利用回填灌浆孔对隧洞周围岩体进行固结灌浆；（9）支洞封堵处增加排水措施。

根据隧洞破坏情况拟定处理范围，处理总长度1170m，相应的处理措施方案见表3-1。

表3-1隧洞整治方案分布统计表

整治断面型式 整治桩号（km+m） 长度（m） 隧洞原衬砌型式 处理方案

Ⅰ 3+577～3+685 108 封闭衬砌，厚度40cm 底板新建反底拱，顶拱加固

Ⅱ 3+889.7～4+135 245.3 封闭衬砌，厚度30cm 底板新建反底拱，顶拱加固

4+730～4+748 18

Ⅲ 2+650～2+704 54底板新建反底拱

4+135～4+243 108

Ⅳ 3+685～3+703 18 开口衬砌，底板20cm，其余厚度30cm 底板新建反底拱，顶拱加固

3+865～3+889.7 24.7

3+703～3+865 162 底板厚30～40cm反底拱，其余厚度30cm

Ⅴ 2+560～2+614 54 开口衬砌，底板20cm，其余厚度30cm 底板新建反底拱

4+840～4+912 72

5+331.6～5+421.6 90

Ⅴ 5+529.6～5+565.6 36

5+043.6～5+223.6 144 底板厚30～40cm反底拱，其余厚度30cm

5+637.6～5+673.6 36

合计1170

3.3病害整治设计变更概述

根据施工难度和新发现的问题，针对部分项目设计进行调整，满足结构安全及施工工期要求。

3.3.1隧洞底板植筋型式和洞顶拱部位锚杆束（2Φ28）设计变更

石垭隧洞年输水时间较长，导致施工工期较短，且在病害整治工程施工过程中，交叉工序较多，根据2014年施工情况，不能满足进度要求。

为确保工程质量并加快施工进度，作出以下变更设计：

1）根据SL191-2008《水工混凝土结构设计规范》以及石垭隧洞现场实际情况，将隧洞底板①、②钢筋与植筋一体综合考虑，以加快施工进度。

钢筋接头采用单面焊接，搭接长度为10d，底板上层靠底部边墙搭接，下层靠底板中部位置搭接，左右错位相间排列。

2）顶拱锚杆束变更设计

施工过程中因设计锚杆为锚杆束（2根Φ28）成孔及注浆难度大，塌孔严重，没有较好匹配的成孔设备，遂变更设计为C32自钻式中空注浆锚杆，以解决成孔和注浆的困难，避免出现塌孔影响工程质量和施工进度等。

经设计对锚杆的承载能力进行复核，计算公式：

1）锚杆钢筋的屈服应力

Rg=nπ/4dg2ξ2fy

n—锚筋根数，

dg—锚筋直径，

ξ2—锚筋抗拉工作条件系数，

fy—锚筋抗拉强度设计值。

2）锚杆钢筋与周围灌浆材料之间的粘结力

Rb=nπdgξ3ξbfbLb

ξ3—锚筋抗拉工作条件系数，

ξb—粘结强度折减系数（2根），

Lb—锚筋长，

fb—锚筋与砂浆的粘结强度设计值度。

3）孔道灌浆料（砂浆锚杆）与岩体之间的粘结力

Ry=nπDξ1frbLb

ξ1—锚筋抗拉工作条件系数，frb—砂浆锚固体与地層间粘结强度特征值。

R32S自钻式中空锚杆与锚筋束（2C28）的承载力均由孔道注浆材料与岩体之间的粘结力控制。

R32S自钻式中空锚杆与锚筋束（2C28）的承载力均为226.8KN，因此，将锚筋束（2C28）变更为R32S自钻式中空锚杆满足承载力要求。

另外中空自钻式锚杆可以避免塌孔对施工的影响以及传统施工时注浆管拔出造成的浆液流失，注浆饱满，并可以实现一定的压力注浆，对保证施工质量，加快施工进度有利。

3.3.2增加洞顶空腔段顶拱处理措施

2016年10月28日复工建设后，发现整治范围内部分顶拱露筋、空腔及砼剪切破坏掉落现象严重。

数段顶拱混凝土纵向贯通性破裂，钢筋严重变形，向洞内弯曲，拱顶混凝土剪切破坏掉落，空腔高度达1.0～1.5m。

现场踏勘照片如图3-1所示。

结合顶拱锚杆施工对空腔尺寸进行初步探查，发现：

隧洞顶拱空腔主要分布在K3+577.500～K3+924.50和K3+931.50～K4+051.50之间，总长度467m，最大空腔高度达1.98m。

为保证隧洞结构和输水安全对顶拱空腔段进行加固措施调整。

2016年11月在顶拱整治施工过程中，发现洞内桩号K3+577～4+050段有数段，总长114m的顶拱混凝土纵向贯通破裂，钢筋严重变形，向洞内弯曲，拱顶混凝土剪切破坏掉落，空腔高度达1.0～1.5m。

鉴于工期紧、施工难度等综合和因素，需要尽快对上述严重变形的隧洞顶部段加固，保证结构安全。

考虑到因衬砌混凝土的存在，直接、准确的获知顶拱空腔的形态较为困难，一般采用探地雷达、陆地声呐法等等，技术复杂、经验要求、工期、费用均较高。

在本工程中结合顶拱锚杆的施工，记录混凝土钻透之后锚杆突进的长度对顶拱空腔的尺寸进行探查，最大空腔高度1.98m，顶拱空腔按最大高度分布情况如图3-2所示，图中H代表空腔最大高度。

项目法人组织设计、施工、监理多次研究后初步确定了在空腔较大段钢拱架+C30喷射混凝土的加固方案，为了改善隧洞结构的受力条件，国内外经验一般采用回填灌浆充填衬砌与围岩直接的空腔、空隙，从而提高结构的抗震性和耐久性。

隧洞規范也表示，洞顶变形空间在内外水的作用下（包括内水外渗），对围岩稳定是不利的，甚至造成新的为28.08m3/s，因此，过流能力满足设计要求。

钢拱架结构承载力计算

根据类似工程经验，石垭隧洞拟采用I12.6型钢拱架，挂A10钢筋网（网格间距15cm）并与顶拱R32S中空自钻锚杆焊接，形成整体加固结构，下部采用1根B22锁脚锚筋固定+混凝土承载基座（内设2根B22锚筋）固定。

锚筋（锚杆）抗剪承载力计算公式：

F=A×fv×η

F—锚筋抗剪承载力，KN；

A—抗剪截面面积，mm2；

fv—钢材抗剪强度，MPa，按《钢结构设计规范》（GB50017-2005）选取；

η—钢筋抗剪工作系数；

钢拱架的承载力计算结果如下表所示，顶拱空腔处理方案如下图所示。

钢拱架承载力计算表

空腔高度

项目 空腔高度

h≥1.5m洞段 空腔高度

1.0≤h<1.5m洞段 空腔高度

0.5≤h<1.0m洞段

典型断面桩号：

空腔面积（m2） 5.3 3.85 2.35

灌浆容重（KN/m3） 22 22 22

灌浆体荷载（KN/m） 116.6 84.7 51.7

承重支撑型式 2根R32S锚杆

+4根B22锚筋 2根Φ22锚杆

+4根Φ22锚筋 2根Φ22锚杆

+4根Φ22锚筋

承载力（KN） 209.65 191.52 191.52

安全系数 1.80 2.26 3.70

R32S锚杆抗剪承载力（KN） 40.985 40.985 40.985

锁脚锚杆抗剪承载力（KN） 31.92 31.92 31.92

锚筋抗剪承载力（KN） 31.92 31.92 31.92

4、病害整治施工

本工程于2014年底开工建设，隧洞断面小、隧洞长、工期紧，施工难度大，运输条件困难，交叉作业互相影响，施工环境恶劣，通风条件差。

分3个阶段累计用时241天，极其艰难地完成了全部整治内容。

4.1第一阶段2014年：

2014年12月5日～2015年2月5日，断流期共63天。

建设各方尤其是施工单位对该工程施工难度预判不足，加之又无隧洞病险工程整治的经验可以借鉴，在施工过程中发现一系列问题，摸索试验，解决问题。

（1）锚杆钻孔困难问题。

由于设计锚杆为锚杆束，2根Φ28的钢筋，长度4.3米，锚杆孔直径必须80毫米以上，同时原隧洞边墙顶拱为钢筋混凝土，常用隧洞钻孔设备风钻无法满足钻孔要求。

工程开工前，施工单位购置了煤矿用全液压坑道钻机，主要参数推进行程8.3米，钻孔倾角360度，适应围岩坚固性系数f≤8，开孔直径87毫米，电机功率18.5KW，经生产厂商技术人员调试，全天钻锚孔2个，根本不能满足其工程进度要求。

后改用潜孔钻，潜孔钻由于隧洞断面太小无法满足大型设备进入且为风动设备露天施工，形成泥浆清运困难，同时墙角锚杆由于原隧洞底板变形岩石经过水长时间浸泡存在软化层，地下水丰富，成孔困难且易锁孔，钻孔设备移动频繁费时费力等，最后选用最小型潜孔钻。

试验近1个月才将锚杆钻孔问题解决。

（2）原钢筋混凝土底板拆除困难问题。

因洞宽仅4米，大功率的拆除机械进不了作业面，还得保证运输车辆的通行，拆除的机械采用2台60型履带式挖掘机带破碎头进行砼破碎拆除，机身宽度1.95米，采用60型挖掘机，为了满足交通要求，半幅拆除，半幅过车。

首先拆除上层砼，人工氧焊切割钢筋，再拆除下层砼，人工氧焊切割钢筋，拆除的进度每日4米/台左右。

4+077～4+095段的右岸底板，在最初建设时底板厚度达80CM，在1月21日就组织机械进行拆除，1月28日才完成拆除18米长半幅2米宽底板，机械一个通宵拆除仅1.3平方米，难度极大。

（3）钢筋安装困难问题。

由于设计要求所有钢筋搭接必须焊接，且钢筋直径较大，每段3吨钢筋焊接多达200多个接头焊接，施工进度较慢。

（4）机械设备故障率偏高影响工期。

隧洞内阴暗潮湿的环境对机械设备的影响较大，故障率远比露天作业场高。

如发电机组出现故障，照明、钻孔，凿毛等作业全部停止。

挖掘机出现故障外面的材料进不去，里面的土石运不出。

（5）工序间相互交错制约影响工期，特别是底板钢筋混凝土浇筑时间，其它作业必须全部停止保证运输车辆的通行。

（6）因材料和半成品等运输限制，作业与管理人员进出工作面困难。

（7）由于接入国家电网费用高昂，施工用电全部采取自备柴油发电机组供给电源，动力有限。

洞内安装1台100KW发动机，隧洞出口安装300KW、100KW各1台；出口安装1台50型搅拌机；洞内安装电动12m3、内燃13m3空压机各1台，4台潜孔钻钻锚杆孔。

（8）由于隧洞断面不大，同时机械、发电机组等设施设备又占用了一定断面，隧洞中难以再配备通风设施，造成洞内空气质量差，潜孔钻在运行时扬尘较大，影响洞内作业。

造成洞内空气质量太差，施工环境极为恶劣，严重影响施工人员安全和身体健康、机械的正常工作，为了解决通风问题，将原支洞口打开，解决内燃机排烟问题，在隧洞出口安装鼓风机向洞内送风，潜孔钻钻孔抽水降尘，基坑出现大面积泥浆，排水采用墙上挂管道水泵抽排。

（9）施工成本居高不下，施工单位信心不足、亏损严重、安全风险极大。

仅完成进度为：

3+897～4+131新浇筑C20砼底板完成234米。

4.2第二阶段2015年：

2015年11月3日～2016年1月30日，断流期共88天。

在总结第一阶段施工面临困难，施工单位主动调整施工计划，大力增加设备、资金和劳动力的投入，采取三班倒24小时不间断连续作业；同时监理、设计单位和业主项目部积极配合，多次开会研讨，做到及时供图，全天随时验基、验仓，做好场内外的协调等，努力推进工程进度，具体措施如下：

4.2.1解决施工难点

1）架设4km10kv高压专线进洞、防潮箱型变压器进洞解决施工动力问题，减轻柴油发电机组压力和检修停工等问题；

2）采用混凝土泵输送混凝土解决工作面混凝土与除渣运输交叉作业的问题，确保各项工作连续不间断施工；

3）原底板混凝土拆除、锚杆钻孔和钢筋安装。

寻找能够进入隧洞且满足工程施工交叉作业需要混凝土破碎、钻孔等设备，增加焊机作业人员，改善工作环境，确保24小时轮班作业。

采用3台挖机拆除，小型柴油三轮车10台运输。

4.2.2精心组织精心施工

1）解决隧洞施工用电、通风问题，消除安全隐患，增加设备和劳动力投入。

在洞口安装1台250KWA变压器，为了解决洞内用电问题，在隧洞出口向洞内1公里处安装250KWA箱型变压器1台，隧洞出口安装300KW、100KW各1台备用；洞内安装电动12m3、内燃13m3空压机各1台解决洞内用风；8台潜孔钻钻锚杆孔；将原支洞口打开解决内燃机排烟问题，在隧洞进出口各安装鼓风机1台向洞内送风。

多进人工机械，多工作面同时作业，提升单日工效。

采用3至4个班组，进出口底板各1个，中间1至2个施工喷射顶拱混凝土、回填灌浆、固结灌浆、顶拱锚杆及挂钢筋网、边墙防水涂料抹面等工作；

2）在隧洞进出口各设立1个料场和拌合站，安装1台50型搅拌机，用10台运输车辆运输进料、出渣，混凝土采用混凝土泵入仓，解决了隧洞交叉作业問题，加快了施工进度，在施工开始前将设备、材料运输到位，确保各工作面顺利开展工作；

3）任务分解，顺序工序倒排工期，工程持续进展。

4）加强施工队伍管理和施工作业班组力量，充分调动各方力量，加大施工投入，安排跟班作业人员，协调好工序间施工矛盾，确保工程施工顺利开展和施工安全生产，确保工程质量和施工进度，确保工程顺利完工。

通过全力攻坚，完成了批复设计所有隧洞底板钢筋混凝土拆除和浇筑，并对新发现的2段合计81m露筋、隆起底板进行了拆除和浇筑，累计完成1251m底板整治。

4.3第三阶段2016年：

2016年10月25日～2017年1月21日，断流期共90天。

主要进行锚杆施工和顶拱加固回填灌浆施工，主要采取潜孔钻自进式锚杆、钢拱架加固、喷拱顶混凝土、回填灌浆等施工工艺与方法。

为确保灌浆的计量准确性，在灌浆机上配备自动计量设备；为减少拱顶喷混凝土回弹量保证质量，通过试验加入硅粉和减水剂，并掌握好添加剂配料单位和添加时间，效果显著，回弹量从超过50%降低30%以下，且强度增加。

全面完成了病害整治任务。

5、运行情况勘测与存在问题

通过近1年通水运行，近期项目业主组织施工、运行管理单位对隧洞进行了全面勘测，已整治段落运行状况良好，未有任何变形破坏发生。

但未整治段落拱顶3+550往上游破裂已有50m，说明构造应力持续挤压作用导致衬砌结构薄弱破坏还在发展，应引起足够重视。

6、结语

笔者认为：

石垭隧洞顶拱破裂、底板隆起变形的主因构造应力急剧加大导致结构破坏，泥岩膨胀性加剧了底板的破坏。

治理中提出了采取顶拱钢拱架加喷锚及回填灌浆方案加固空腔拱顶、锚杆及植筋加反拱钢筋混凝土底板方案重建底板等重大方案，对隧洞主要病害进行了治理，治理过程采用小型挖掘机拆除底板混凝土、潜孔钻自进式锚杆、钢结构加固空腔拱顶、试验使用添加剂减少拱顶喷混凝土回弹量等科学合理措施，解决了构造应力区隧洞衬砌混凝土结构破坏影响安全运行、施工安全隐患等问题，增加了结构物的使用年限和安全系数。

但隧洞结构设计上往往对构造应力和膨胀力的作用和受力分析不够深入，缺乏可靠的权威试验数据，加之施工工艺复杂薄弱环节多，使得结构安全受到影响；例外治理难度超出预料，现行水利工程定额与编规组成的造价完全不能代表工程实际费用，偏离巨大。

本文可供位于构造应力场或粘土岩隧洞勘察设计、施工和病害治理参考。

参考文献

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[2]徐志英岩石力学【】河海大学

[3]孙福魏道垛岩土工程勘察设计与施工【】地质出版社

[4]陈思熊旁多水库灌溉输水洞病害治理技术研究【J】.四川水利，2016.增2：

78～82

[5]朱天碧郝明辉人民渠七期工程主干渠石垭隧洞病害整治工程设计变更报告

作者简介：

杨刚（1964-），男，本科，1987年毕业于中南工业大学，高级工程师。

长期从事水利工程勘察设计、监理及项目管理，石垭隧洞病害治理项目负责人。