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[摘 要]本文针对水工隧洞遇大型地下暗河，成功运用简支梁的设计理念，采用搭设便桥进行洞内运输，着重阐述了具体的施工方案与便桥的应力验算，并介绍了详细的施工控制要点。
[关键词]水工隧洞 大型暗河 施工方案
中图分类号：TU455 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）13-0085-01
1 概述
牛栏江——滇池补水工程是一项水资源综合利用工程，是滇中调水近期重点工程。工程分布于云南省曲靖市沾益县、会泽县以及昆明市的寻甸县、嵩明县和昆明市盘龙区境内。由德泽水库水源枢纽工程、干河提水泵站工程及干河提水泵站至昆明（盘龙江）的输水线路工程组成。
输水线施工5标段包括大公山隧洞1+682～13+269段洞身及大公山1#支洞、2#支洞、3#支洞。隧洞內断面采用标准马蹄形断面，底拱半径为4.0m，侧底拱半径为6.0m，顶拱半径为2.0m，开挖断面约4.8m×5.4m（宽×高）。
大公山2号洞主洞K6+308.296～K6+321.296为过暗河溶洞段。暗河溶洞高度最高约16m，宽度一般10m，最宽15m。过隧洞段溶洞宽度12～13m，高度13～6.5m（右壁到左壁溶洞高度逐步降低，右壁至中线已揭露溶洞，中线～左壁有1～3.5m厚基岩）。河床中有较厚的巨石、块石、砂卵石，推测厚度大于5m，两岸为淤积粘土、粉细砂，厚度最高接近溶洞两边顶部，约15m。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°。此段隧洞埋深约100～110m，地表落水洞、漏斗发育，并有多处伏流存在。溶洞内有较大水流暗河。枯期暗河水流高程比隧洞底板低约10m，汛期地下水位比隧洞顶板高约5m，因此汛期暗河水流会进入隧道，枯期暗河流量约1.5m3/s。
2 施工方案
2.1 施工准备
掌子面排险、清渣、喷砼封闭掌子面；
准备2cm厚钢板及I32b工字钢；
从掌子面左侧2.5m宽向前掘进，底板抬高1m，开挖高度2.5m，采用“弱爆破、短进尺”，掘进至左右两侧具备搭设便桥平台的条件。
2.2 临时支护方案渡过地下暗河
对掌子面揭露的围岩采用10cm厚C20喷射混凝土封闭揭露的围岩，防止掉块，影响地下暗河河床左右两壁的施工安全。
暗河揭露处，隧洞底板（暗河顶部）围岩较为单薄，要求在洞身两侧各5m（共15m）范围内对暗河顶部和左右两壁进行加固，有效保护围岩，增设Φ22系统锚杆，L=3m， @1.5×1.5m；全断面挂Φ6.5，@20×20mm钢筋网；喷射C20砼15cm厚。
采用I32b工字钢，长12m，共18根，平均分布于揭露的地下暗河顶部（隧洞底板范围内）。靠洞内有轨运输，两轨附近适当加密，小里程平台搭设长度为4m， 大里程平台搭设长度为3m，悬空5m。考虑到搭设平台两侧为不同角度的悬臂岩石，对两侧搭设平台铺4m宽，纵向长2.2m，2cm厚钢板，对施工便桥支点处受力状况由线状态转化为面状态受力，加强施工便桥支承处的整体受力。并在I32b工字钢便桥底设置Φ22，L=5m，纵向间距1.5m的连接钢筋，与隧洞底板两侧边墙增设的L=3m，Φ22系统锚杆（对称分布），焊接采用双面搭接焊，以减轻便桥跨中受力。
在I32b工字钢便桥上满铺2cm厚钢板，加强施工便桥整体连接及稳定性。
在便桥钢板上满铺枕木，回填10cm厚碎石，防止运输车辆侧滑。
掌子面右侧采用Φ48×3mm（壁厚）钢管，设置防护栏，防止人、物坠落且便于观测地下暗河水流大小。
对掌子面揭露的围岩（为探视揭露的地下暗河前方及底板围岩所施做的导洞暨渡过地下暗河搭设便桥平台）暂不做开挖扰动，对隧洞过暗河以后按Ⅳ类围岩开挖支护。
2.3 I32b工字钢便桥受力计算书
2.3.1 荷截分析
施工便桥承受荷截主要由桥梁自重荷截q及车辆荷截p两部分组成，其中车辆荷截为主要荷截，如下图所示：（见图1）
为简便计算方法，桥梁自重荷截按均布荷截考虑，车辆荷截按集中荷载考虑，以单片工字钢受力情况分析确定q、p值。
2.3.1.1 q值的确定
I32b工字钢每米重57.7kg/m，再加上方木的重量，方木的密度1140kg/m3（取最大值），全桥面满铺。
q=（0.16×4×1×1140+57.7×18）÷18）×10÷1000）=0.98KN/m
加上钢板、护栏、连接钢筋的重量：按0.43KN/m考虑，单片工字钢承受力按1.4KN/m，即：q=1.4KN/m。
2.3.1.2 p值的确定
根据实际情况，施工便桥可通过最大重17t的车辆（主要为扒渣机13.5t/台、出渣棱矿17t/台，考虑最大重量17t），其压力为170 KN/m。由18片梁同时承受，可得到Fmax=F÷18，单片工字钢承受集中荷载为：Fmax=F18=170/18=9.4KN。
施工便桥设计通过车速为5km/h，车辆对桥面的冲击荷载较少，取冲击荷载系数为0.2，计算得到：P=9.4*（1+0.2）=11.3KN。
2.3.2结构强度验算
已知：q=1.4KN/m，p=11.3KN，工字钢计算跨度L=12m，根据设计规范工字钢容许弯曲应力[σ]=210MPa， 容许剪应力[τ]=120MPa。
2.3.2.1 计算最大弯矩及剪力
最大弯矩（上图所示情况下）：Mmax=ql2/8+Pl/4=59.1KN
最大剪力（当P接近支座处时）：Vmax=ql/2+P=19.7KN
2.3.2.2 验算强度
（1）正应力验算
σ= Mmax/w=59.1/1090=54.2MPa<[σ]=210MPa满足要求。（w为32b工字钢净截面弹性抵抗矩，查表得到1090cm3。）
（2）剪力计算
工字钢在受剪时，大部分剪力由腹板承受，且腹板中的剪力较均匀，因此剪力可近似按τ=V/（I/S）d计算，（I/S）为惯性矩与半截面静力矩的比值，d为腹板厚度，可直接查规范得到，I/S=34.1cm，d=11.5cm，计算得到：τ=V/（I/S）d=19.7/（341*11.5）=5.1MPa<[τ]=120MPa满足要求。
2.3.3 整体挠度验算
工字钢梁容许挠度[f]为（1/200～1/1000）L这里取L/800。[f]=1200/800=1.5cm，而梁体变形为整体变形，由18片工字钢为一整体进行验算，计算得到：f=[5ql4/384+Fl3/48]/EL，其中已求得：q=1.4KN/M，F=11.3KN，经查规范：E=2.06*105MPA，I=21700cm4，代入计算得到：f=0.6cm<[f]=1.5cm，满足要求。
2.3.4 验算结果分析
根据以上验算，可见本桥可承受重量为17 t的出渣车辆可安全运行。
2.4 隧洞衬砌跨暗河方案
隧洞衬砌断面作为跨暗河整体箱梁断面，长度为15.6m， 该段配筋按双层筋布设（原设计为单层筋），主筋调整为Φ22@20×20cm，隧洞底板钢筋调整为Φ28@15×15cm.该段混凝土衬砌底板厚度调整为50cm（原设计40cm），混凝土采用C35抗硫酸盐混凝土、抗渗标号W8，由于跨暗河混凝土衬砌为简支梁结构，该段纵向浇筑不得分段分期，横向必须保证一次至边墙3m以上。
3 结束语
在临时支护渡过暗河施工完毕后，隧洞继续向前开挖支护了100m。暗河段支护未出现任何安全隐患，充分说明临时渡过暗河施工处理方案是得当有效的。雨季来临前对该段进行了混凝土衬砌施工，汛期洞内未出现暗河水流涌入，顺利的通过了验收小组和水利专家组的验收，专家们对过暗河段施工予以肯定，为我公司在处理大型地质灾害段及突发事件方面积累了经验。
[关键词]水工隧洞 大型暗河 施工方案
中图分类号：TU455 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）13-0085-01
1 概述
牛栏江——滇池补水工程是一项水资源综合利用工程，是滇中调水近期重点工程。工程分布于云南省曲靖市沾益县、会泽县以及昆明市的寻甸县、嵩明县和昆明市盘龙区境内。由德泽水库水源枢纽工程、干河提水泵站工程及干河提水泵站至昆明（盘龙江）的输水线路工程组成。
输水线施工5标段包括大公山隧洞1+682～13+269段洞身及大公山1#支洞、2#支洞、3#支洞。隧洞內断面采用标准马蹄形断面，底拱半径为4.0m，侧底拱半径为6.0m，顶拱半径为2.0m，开挖断面约4.8m×5.4m（宽×高）。
大公山2号洞主洞K6+308.296～K6+321.296为过暗河溶洞段。暗河溶洞高度最高约16m，宽度一般10m，最宽15m。过隧洞段溶洞宽度12～13m，高度13～6.5m（右壁到左壁溶洞高度逐步降低，右壁至中线已揭露溶洞，中线～左壁有1～3.5m厚基岩）。河床中有较厚的巨石、块石、砂卵石，推测厚度大于5m，两岸为淤积粘土、粉细砂，厚度最高接近溶洞两边顶部，约15m。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°。此段隧洞埋深约100～110m，地表落水洞、漏斗发育，并有多处伏流存在。溶洞内有较大水流暗河。枯期暗河水流高程比隧洞底板低约10m，汛期地下水位比隧洞顶板高约5m，因此汛期暗河水流会进入隧道，枯期暗河流量约1.5m3/s。
2 施工方案
2.1 施工准备
掌子面排险、清渣、喷砼封闭掌子面；
准备2cm厚钢板及I32b工字钢；
从掌子面左侧2.5m宽向前掘进，底板抬高1m，开挖高度2.5m，采用“弱爆破、短进尺”，掘进至左右两侧具备搭设便桥平台的条件。
2.2 临时支护方案渡过地下暗河
对掌子面揭露的围岩采用10cm厚C20喷射混凝土封闭揭露的围岩，防止掉块，影响地下暗河河床左右两壁的施工安全。
暗河揭露处，隧洞底板（暗河顶部）围岩较为单薄，要求在洞身两侧各5m（共15m）范围内对暗河顶部和左右两壁进行加固，有效保护围岩，增设Φ22系统锚杆，L=3m， @1.5×1.5m；全断面挂Φ6.5，@20×20mm钢筋网；喷射C20砼15cm厚。
采用I32b工字钢，长12m，共18根，平均分布于揭露的地下暗河顶部（隧洞底板范围内）。靠洞内有轨运输，两轨附近适当加密，小里程平台搭设长度为4m， 大里程平台搭设长度为3m，悬空5m。考虑到搭设平台两侧为不同角度的悬臂岩石，对两侧搭设平台铺4m宽，纵向长2.2m，2cm厚钢板，对施工便桥支点处受力状况由线状态转化为面状态受力，加强施工便桥支承处的整体受力。并在I32b工字钢便桥底设置Φ22，L=5m，纵向间距1.5m的连接钢筋，与隧洞底板两侧边墙增设的L=3m，Φ22系统锚杆（对称分布），焊接采用双面搭接焊，以减轻便桥跨中受力。
在I32b工字钢便桥上满铺2cm厚钢板，加强施工便桥整体连接及稳定性。
在便桥钢板上满铺枕木，回填10cm厚碎石，防止运输车辆侧滑。
掌子面右侧采用Φ48×3mm（壁厚）钢管，设置防护栏，防止人、物坠落且便于观测地下暗河水流大小。
对掌子面揭露的围岩（为探视揭露的地下暗河前方及底板围岩所施做的导洞暨渡过地下暗河搭设便桥平台）暂不做开挖扰动，对隧洞过暗河以后按Ⅳ类围岩开挖支护。
2.3 I32b工字钢便桥受力计算书
2.3.1 荷截分析
施工便桥承受荷截主要由桥梁自重荷截q及车辆荷截p两部分组成，其中车辆荷截为主要荷截，如下图所示：（见图1）
为简便计算方法，桥梁自重荷截按均布荷截考虑，车辆荷截按集中荷载考虑，以单片工字钢受力情况分析确定q、p值。
2.3.1.1 q值的确定
I32b工字钢每米重57.7kg/m，再加上方木的重量，方木的密度1140kg/m3（取最大值），全桥面满铺。
q=（0.16×4×1×1140+57.7×18）÷18）×10÷1000）=0.98KN/m
加上钢板、护栏、连接钢筋的重量：按0.43KN/m考虑，单片工字钢承受力按1.4KN/m，即：q=1.4KN/m。
2.3.1.2 p值的确定
根据实际情况，施工便桥可通过最大重17t的车辆（主要为扒渣机13.5t/台、出渣棱矿17t/台，考虑最大重量17t），其压力为170 KN/m。由18片梁同时承受，可得到Fmax=F÷18，单片工字钢承受集中荷载为：Fmax=F18=170/18=9.4KN。
施工便桥设计通过车速为5km/h，车辆对桥面的冲击荷载较少，取冲击荷载系数为0.2，计算得到：P=9.4*（1+0.2）=11.3KN。
2.3.2结构强度验算
已知：q=1.4KN/m，p=11.3KN，工字钢计算跨度L=12m，根据设计规范工字钢容许弯曲应力[σ]=210MPa， 容许剪应力[τ]=120MPa。
2.3.2.1 计算最大弯矩及剪力
最大弯矩（上图所示情况下）：Mmax=ql2/8+Pl/4=59.1KN
最大剪力（当P接近支座处时）：Vmax=ql/2+P=19.7KN
2.3.2.2 验算强度
（1）正应力验算
σ= Mmax/w=59.1/1090=54.2MPa<[σ]=210MPa满足要求。（w为32b工字钢净截面弹性抵抗矩，查表得到1090cm3。）
（2）剪力计算
工字钢在受剪时，大部分剪力由腹板承受，且腹板中的剪力较均匀，因此剪力可近似按τ=V/（I/S）d计算，（I/S）为惯性矩与半截面静力矩的比值，d为腹板厚度，可直接查规范得到，I/S=34.1cm，d=11.5cm，计算得到：τ=V/（I/S）d=19.7/（341*11.5）=5.1MPa<[τ]=120MPa满足要求。
2.3.3 整体挠度验算
工字钢梁容许挠度[f]为（1/200～1/1000）L这里取L/800。[f]=1200/800=1.5cm，而梁体变形为整体变形，由18片工字钢为一整体进行验算，计算得到：f=[5ql4/384+Fl3/48]/EL，其中已求得：q=1.4KN/M，F=11.3KN，经查规范：E=2.06*105MPA，I=21700cm4，代入计算得到：f=0.6cm<[f]=1.5cm，满足要求。
2.3.4 验算结果分析
根据以上验算，可见本桥可承受重量为17 t的出渣车辆可安全运行。
2.4 隧洞衬砌跨暗河方案
隧洞衬砌断面作为跨暗河整体箱梁断面，长度为15.6m， 该段配筋按双层筋布设（原设计为单层筋），主筋调整为Φ22@20×20cm，隧洞底板钢筋调整为Φ28@15×15cm.该段混凝土衬砌底板厚度调整为50cm（原设计40cm），混凝土采用C35抗硫酸盐混凝土、抗渗标号W8，由于跨暗河混凝土衬砌为简支梁结构，该段纵向浇筑不得分段分期，横向必须保证一次至边墙3m以上。
3 结束语
在临时支护渡过暗河施工完毕后，隧洞继续向前开挖支护了100m。暗河段支护未出现任何安全隐患，充分说明临时渡过暗河施工处理方案是得当有效的。雨季来临前对该段进行了混凝土衬砌施工，汛期洞内未出现暗河水流涌入，顺利的通过了验收小组和水利专家组的验收，专家们对过暗河段施工予以肯定，为我公司在处理大型地质灾害段及突发事件方面积累了经验。