东江水源工程中碧岭隧洞应急加固处理方法研究

王晓艳

（江西省赣抚平原水利工程管理局,江西 南昌 330096）

1 工程概况

东江水源工程是深圳市政府为长远解决深圳水资源短缺问题而投资建设的大型跨流域调水工程[1]，是深圳两大境外引水工程之一。工程东起惠州东江，西至深圳市宝安区，引水干线全长106 km，以“长藤结瓜”的形式横穿深惠两地。工程分一期、二期建设，分别在2001 年和2010 年建成并全面通水，引水规模达到7.2 亿m3。作为广东省“九五”重点水源建设项目，东江水源工程在2010年特区建立30 周年之际当选“深圳市30 年30 个特色建设项目”之一，被誉为深圳的“生命线工程”。为保证该工程的安全运行，每年10月左右均会全线停水进行检修，检修时间为期30 d。碧岭隧洞是东江水源工程的重要组成部分，全长1.7958 km，断面型式为城门洞型的低流速无压隧洞，隧洞设计断面为净宽4.2 m，高5.3 m。该隧洞进口底高程为44.05 m，出口底高程为38.06 m，隧洞设计底坡1/3000；隧洞工程等别为Ⅱ等，主要建筑为级别为2 级次要建筑物级别为3 级。

在2011 年停水检修期间发现部分洞段边墙出现细微裂缝。2012 年3 月，坪山新区汤坑社区保障性住房项目开工建设，该项目施工范围临近碧岭隧洞（受影响洞段K64+754.5 ～K64 +972.5），保障房施工基础距碧岭隧洞结构最近仅为十几米。受施工影响，隧洞已发现裂缝将进一步发展扩大，存在较大安全隐患；若对方施工不慎，极有可能造成隧洞结构损伤，严重将导致隧洞坍塌，后果不堪设想。因此需要立即对隧洞洞段进行加固处理，以保障隧洞结构安全。

2 裂缝成因分析

在裂缝检测过程中发现大小裂缝30 余条，其中有5m 以上的纵向裂缝18 条，10 m以上的纵向裂缝8 条，4 条贯穿性裂缝。裂缝具有以下特点：大部分纵向裂缝位于拱顶，并向边墙扩展延伸，裂缝分布呈不规则；4 条贯穿性裂缝有渗水和钙质析出，呈白色；检测初期仅有少量裂缝，但裂缝扩大发展很快，裂缝分布密集。根据有关资料及现场分析，产生裂缝的原因有：

（1）地质情况。碧岭隧洞洞线围岩分布主要有石英砂岩、粉砂岩、含炭泥质砂岩、砂质泥岩等，岩石较为软弱，岩体破碎易风化，部分洞段位于地下水位以下，岩体稳定性较差。在设计施工时对围岩地质情况探测分析不到位，是产生裂缝的主要原因。

（2）支护及衬砌方式。碧岭隧洞初期支护方式有围岩较稳定洞段采用喷锚支护，喷混凝土厚度5 cm，较差洞段采用10 cm，在围岩不稳定及地下水影响较大洞段采用钢拱架，间距1 m，二衬采用C25 素混凝土和C25 钢筋砼厚30 cm两种方式，洞顶只进行回填灌浆，未进行固结灌浆，选用的支护和衬砌形式不满足围岩稳定及衬砌承载力要求。

（3）施工方式。施工方式及施工工艺也是造成隧洞裂缝的原因，初期支护、衬砌、混凝土浇筑、保养等施工方式不当，以及施工缝、变形缝及沉降缝施工不合理，也会造成隧洞开裂。

3 加固方法优选

3.1 加固方法分析

（1）回填压注。当隧道衬砌的后部与周围岩石之间存在空腔时，引起衬砌承受不均匀的载荷，并且空腔部分不能产生被动抵抗力以抑制衬砌的变形。在这种情况下，可以采取回填压注法进行隧洞加固。

（2）内表面加固。内表面加固是在隧洞衬砌表面粘贴钢板或玻璃纤维[2]，以此限制裂缝的发展及结构内侧开裂。从加固材料来说，无论是钢板还是玻璃纤维均能较好地承受二次衬砌内表面的拉应力。由于玻璃纤维及钢板弹性模量不同，总体来讲钢板的加固效果更好，但同时钢板也存在自重大、加工不便的缺点。

（3）内套钢拱架加固。当隧洞变形或裂缝主要是受到外部压力而产生时，可以选用此方法。内套钢拱架加固是钢拱架和混凝土结合体，既提高了加固强度，又提高了结构刚度。但该方法必须以隧洞内有足够的富裕净空为前提。

3.2 方案优选

碧岭隧洞应急加固主要考虑以下几个方面：①东江水源工程停水检修时间短，总工期为30 天，碧岭隧洞加固必须在30 天内，甚至更短时间内完成，以确保通水；②碧岭隧洞加固段距检修支洞口较远，且隧洞断面净宽仅为4.2 m，大型机械设备、车辆及材料等运输不便；③碧岭隧洞加固主要是预防隧洞受外部施工影响出现结构性损伤；④碧岭隧洞为引水隧洞，隧洞加固、恢复供水后不能影响过流面。

基于以上隧洞加固方法的优缺点分析及结合碧岭隧洞的实际情况，内套钢拱架加固方法作为碧岭隧洞应急加固优选方法。

4 施工设计方案

本次施工主要内容为：对桩号K64 +754.5～K64 +972.5洞段按间距75 cm进行环向加固支撑，共计291 榀。钢拱架结构为：隧洞环向采用I14 工字钢及8#槽钢连接，沿隧洞轴线方向每0.75 m设置一道；相邻两钢拱架之间通过角钢连接；钢拱架与隧洞衬砌之间通过M20 螺栓固定；对K64+932.5～K64 +972.5 间共计55 榀拱架底板槽钢埋入底板并用细石砼回填。钢拱架断面见图1。

图1 内套钢拱架断面图

4.1 施工流程及施工工艺

（1）施工流程

施工准备、测量放线→钢拱架制作→防腐处理→钢拱架安装→焊接角钢→焊接槽钢（回填细石砼）→补漆→验收。

（2）施工工艺

开工前组织测量放样，复测隧洞加固洞段桩号及断面，准确放出顶部拱架底端水平面。如果复测成果与设计图有较大出入，应报监理工程师及时进行调整，并在施工中及时复核。

钢拱架严格按照设计要求采用型钢制作，顶拱在钢结构加工场集中进行冷弯加工。由于顶拱采用单根长度为6 m的工字钢进行弯制，长度稍短于顶拱弧长。相差部分，提前将部分弯制好的工字钢按适当长度进行切割，然后与6 m弯拱进行焊接，形成完整顶拱。

钢结构防腐涂装工程前钢结构工程已检查验收，并符合设计要求；防腐涂装在结合井外开阔地带进行，周边设置警示带进行隔离。另外，现场需放置2 台～4 台干粉灭火器，防止发生火灾；露天防腐施工作业应选择适当的天气，大风、遇雨等均不应作业。

刷漆前，应采用人工用钢丝刷等将铁锈、油污等清除干净，避免涂刷后漆膜附着不牢。 底漆、刷漆、面漆以及涂层检查与验收均需要符合相关规定。

架立前，先用角钢制作支架固定在叉车上，配合进行安装。安装时，先进行顶拱的安装，将顶拱固定在叉车支架顶部进行固定，垂直上升至顶拱，然后打入M 20 膨胀螺栓进行固定，然后焊接安装立柱，通过用吊线锤的方法调整拱架立柱的倾斜度，保证拱架在一竖直平面内，最后焊接底板槽钢，即拼装成一榀。架设钢拱架时在拱脚以上30 cm高度处、顶拱处、竖向工字钢及底板槽钢共计打入16 组M20 膨胀螺栓，确保受力可靠。

待钢结构焊接完成后，应对全部钢拱架进行检查，对焊接接缝及安装过程中掉漆部分及时进行补漆施工，防止通水后锈蚀。补漆施工前先搭设活动脚手架，上下配合，提高效率。由于是引水隧洞，补漆作业时下部应随上部作业进度铺设彩条布等，避免油漆污染水源。

因2012 年隧洞加固时，前55 榀采用底板开槽埋入方式，后回填混凝土修复。受检修时间影响，混凝土凝结时间不够，通水后，部分混凝土被水流冲刷，本年停水检修期间对其进行进一步修复。采用C25 细石砼修复，并搭设砂袋围堰，保证干地施工。

4.2 施工重难点及注意细节

（1）拱架的制作及安装

每榀钢拱架全长13 m，顶部为拱形。为此，钢拱架顶拱部分由工厂先进行拉弯处理，运至施工现场后进行接长，然后在洞内与立柱和底板槽钢进行焊接连接。

（2）钢拱架的运输

由于施工面是在引水隧洞内，洞口距地面垂直高度约15 m，洞内水平运距最远达250 m。钢拱架顶拱及立柱制作完成并进行防腐后，统一由25 t吊车由结合井外吊入洞内，然后再由人工推车等配合转运至工作面。

（3）合理安排施工

停水检修总工期共30 天，碧岭隧洞的加固必须在停水检修期间完成。为此，提前安排充足人员采用两班倒轮流施工的同时，安排油漆班组、拱架架设班组、焊接班组、混凝土班组进行流水作业。

（4）底板槽钢焊接

隧洞内有大量自产水影响焊接施工。为此，除在洞口结合井处安排2 台7.5 kW水泵进行24 h不间断抽水外，还要在施工作业面前后搭设砂袋围堰确保焊接作业。

5 结论

因停水检修时间短、工期紧，碧岭隧洞加固采用了施工速度快、效果好的内套钢拱架加固方法。内套钢拱架作为隧洞应急加固的一种处理方案，缓解了引水隧洞的险情，确保了整个“生命线工程”的安全运行，但钢拱架水下部分长期受水流冲刷及浸泡，水上部分长期处于潮湿环境中，极易产生锈蚀，需要在每年的停水检修中进行检查及必要的维护保养。