輸水隧洞淺埋段的設(shè)計與施工

范遠(yuǎn)東

（遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院 遼寧 沈陽 110006)

1 引言[1～2]

對于淺埋地下工程而言，其顯著特點是埋深淺，在施工過程中，由于地層損失引起的地面移動明顯，對周邊環(huán)境的影響較大。因此，對各種開挖、支護(hù)襯砌、注漿方法等提出了更高的要求，施工難度增加，所以如何有效控制淺埋地下工程施工擾動誘發(fā)的地面移動變形，成為淺埋地下工程設(shè)計與施工研究的重點、難點。淺埋暗挖法是一種綜合施工技術(shù)，其特點是在開挖中采用多種輔助施工措施加固圍巖，合理調(diào)動圍巖的自承能力，開挖后即時支護(hù)，封閉成環(huán)，使其與圍巖共同作用形成聯(lián)合支護(hù)體系，有效地抑制圍巖過大變形。

2 概述

2.1 工程概況

東湖電站引水隧洞工程位于遼寧省境內(nèi)，橫跨桓仁、新賓、清原三縣，全長130.88km。主體工程由桓仁水庫進(jìn)水口、有壓隧洞（2條）、地下消能電站、無壓引水隧洞、清河分水口等組成。引水隧洞采用鉆爆法為主、TBM為輔的聯(lián)合施工方法，共布置20條施工支洞。其中工程項目五標(biāo)段位于清原縣境內(nèi)，沿線布置15#、16#、17#以及18#四條支洞。15#支洞位于清原縣清原鎮(zhèn)瓦子窯北，渾河右岸山體。樁號95+806m～96+777.67m范圍為15#支洞上游主洞控制段，全長 971.67m，其中 96+652m～96+741m范圍為淺埋段，全長89m。

1.2 工程地質(zhì)描述

96+652m～96+741m淺埋段隧洞埋深12.3m～24.1m，位于渾河右岸，地表山體較陡，坡度約38°左右。洞身圍巖類別為Ⅴ類，巖性以凝灰質(zhì)砂巖、凝灰?guī)r為主，巖石強度低，為較軟巖。節(jié)理較發(fā)育，多微張，節(jié)理面多平直光滑，一般無充填，局部鈣質(zhì)或泥質(zhì)充填。巖體較破碎～完整性差。巖體弱透水，地下水多呈滲水或滴水狀態(tài)，局部呈線流狀態(tài)。

3 淺埋段斷面設(shè)計

引水隧洞成洞底板設(shè)計坡度為0.3115‰，淺埋暗挖段隧洞開挖及襯砌斷面為馬蹄形，成洞斷面直徑為7.28m，襯砌厚0.7m；超前支護(hù)措施采用超前小導(dǎo)管，初期支護(hù)采用型鋼支撐+錨、網(wǎng)、噴結(jié)構(gòu)，型鋼支撐采用HW150型鋼支撐，錨桿采用長度4000mm、Φ25砂漿錨桿，鋼筋網(wǎng)采用φ8@150mm×150mm，C30噴射混凝土厚度為200mm，具體支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖1。

4 淺埋段施工

該淺埋段圍巖軟弱，施工時嚴(yán)格按照“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強支護(hù)、早封閉、勤量測”的原則組織施工。

4.1 淺埋段超前地質(zhì)預(yù)報

施工前采取鉆探與物探相結(jié)合的綜合地質(zhì)預(yù)報方式進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報。地質(zhì)預(yù)報每12m進(jìn)行一次，在一個預(yù)報單元隧洞施工過程中，若圍巖地質(zhì)情況出現(xiàn)突變，則應(yīng)在此樁號重新進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報，預(yù)報長度可根據(jù)現(xiàn)場實際地質(zhì)條件而定。

4.2 淺埋段超前支護(hù)

超前支護(hù)采用Φ42超前小導(dǎo)管，開挖后及時初噴封閉掌子面。初噴完成后按照型鋼拱架+錨+網(wǎng)+噴順序進(jìn)行初期支護(hù)施工。噴射混凝土采用濕噴工藝。

4.2.1 超前小導(dǎo)管施工

當(dāng)圍巖應(yīng)力較小，地下水較少，巖體軟弱破碎，開挖面有可能出現(xiàn)坍塌時采用超前小導(dǎo)管。超前小導(dǎo)管選用Φ42熱軋鋼管，厚度不小于3.5mm，長度3m，每1.2m施工一循環(huán)。沿隧道拱部均勻布設(shè)，環(huán)向間距為300mm，沿隧道縱向開挖輪廓線向外以10°～30°的外插角鉆孔，縱向兩組小導(dǎo)管間應(yīng)有不小于100cm的搭接長度。

（1）超前小導(dǎo)管安裝

超前小導(dǎo)管采用Φ42熱軋鋼管，注漿管一端做成尖形，另一端焊上加勁箍。在距離加勁箍650mm處開始鉆孔，鉆孔沿管壁間隔75mm，呈梅花型布設(shè)，孔位互成90°，孔徑6mm。

（2）超前小導(dǎo)管注漿[3～4]

用KBY-50/70注漿機進(jìn)行注漿，采用注漿量和注漿壓力雙控原則進(jìn)行注漿時間的控制。注漿前，噴5cm～10cm厚混凝土封閉工作面，以防止漏漿。注漿壓力0.5MPa～1.0MPa。漿液采用水泥-水玻璃雙液漿。

4.2.2 超前周邊預(yù)注漿

根據(jù)地質(zhì)預(yù)報判斷地質(zhì)條件較差或可能存在大量用水的情況下，隧洞采用洞內(nèi)超前周邊預(yù)注漿預(yù)加固。

（1）注漿加固圈固結(jié)范圍為開挖輪廓線外4m。注漿長度為35m，全斷面共布孔25個。一個注漿段完成后留6m不開挖作為下一注漿段的止?jié){巖盤。第一循環(huán)采用1.5m厚C20混凝土止?jié){墻。

（2）注漿孔自掌子面沿開挖方向，以隧道中軸為中心呈傘狀布置。漿液擴散半徑為2m，孔底間距不大于3m，開孔直徑不小于110mm，終孔直徑Φ91mm；孔口管采用Φ108mm，壁厚5mm的熱軋無縫鋼管。

（3）注漿材料采用超細(xì)水泥漿或超細(xì)水泥-水玻璃雙液漿，雙液配比為：C∶S（體積比）=1∶1.0，水泥漿水灰比0.8∶1～1∶1，水玻璃模數(shù) 2.6～2.8，水玻璃濃度35Be'。注漿壓力一般參考注漿處靜水壓力加1MPa～2MPa。

4.3 淺埋段開挖

4.3.1 超前地質(zhì)探孔

嚴(yán)格遵循“先探后挖”的原則，上臺階每循環(huán)開挖前，必須施做超前地質(zhì)探孔，拱頂布置1個，兩側(cè)拱腰各布置1個，共計3個。

地質(zhì)探孔采用風(fēng)鉆打孔，通過加長鉆桿并控制打鉆角度，以保證探測到掌子面前方5m范圍內(nèi)及開挖輪廓線外2m范圍內(nèi)的地質(zhì)情況。施做過程中，根據(jù)鉆進(jìn)速度的變化、沖洗液顏色及流量、巖粉成分、卡鉆位置、突進(jìn)位置、鉆進(jìn)難易程度，并結(jié)合目測孔內(nèi)出水量進(jìn)一步判斷前方地質(zhì)。

4.3.2 施工方法

（1）上、下臺階法開挖

淺埋段洞身開挖采用上、下臺階法施工。上臺階首先采用礦山法爆破開挖，施工拱部初期支護(hù)。上臺階施工步距控制在4m～6m，開始進(jìn)行下臺階開挖，采用挖機開挖馬口，接長鋼拱架，隨后噴射混凝土封閉。

（2）施工技術(shù)措施

開挖前先嚴(yán)格按照設(shè)計要求進(jìn)行超前預(yù)支護(hù)施工，在保證圍巖基本穩(wěn)定的前提下進(jìn)行開挖作業(yè)。上臺階開挖采取短進(jìn)尺策略，每循環(huán)進(jìn)尺0.6m，即施工1榀拱架；下臺階左右分部錯開開挖，以保證上臺階的同一榀鋼拱架兩側(cè)拱腳不同時懸空。開挖后及時進(jìn)行初期支護(hù)作業(yè)，以封閉圍巖，保證施工安全。

4.4 淺埋段爆破設(shè)計

4.4.1 爆破設(shè)計原則

根據(jù)隧洞開挖技術(shù)特點，保證隧洞開挖成形良好，盡量減少超欠挖量，減少爆破對圍巖的擾動深度和破壞，確保地表村莊居民建筑物安全。

4.4.2 爆破設(shè)計參數(shù)

該淺埋段地質(zhì)屬Ⅴ類圍巖，上臺階循環(huán)進(jìn)尺0.6m，下臺階進(jìn)尺1.2m。采用楔形掏槽，打設(shè)時與掌子面成60°夾角，并根據(jù)實際進(jìn)尺確定眼底深度。每對掏槽眼孔底相距不小于20cm。輔助眼、內(nèi)圈眼、底板眼采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，所有裝藥炮眼均采用炮泥堵塞，堵塞長度一般不小于25cm。周邊眼外插角控制在2°～3°，保證眼底不進(jìn)入開挖輪廓線內(nèi)。周邊眼采用間隔裝藥。淺埋段上下臺階開挖炮眼布置見圖2。

4.4.3 淺埋段減震控制爆破

為了保障施工周圍村莊居民的正常工作和生活，避免爆破震動對既有地表房屋造成破壞等，采用減震控制爆破技術(shù)，并進(jìn)行爆破震動監(jiān)測。控制單段允許裝藥量，改一次大爆破為多次小爆破，降低爆破震動速度值和噪聲。同時通過爆破震動監(jiān)測，觀測爆破振動對既有房屋的影響，測點布置在被測地表房屋附近的地表、房屋基礎(chǔ)上。

4.5 淺埋段襯砌施工

該淺埋暗挖段隧洞采用馬蹄形斷面，成洞 尺 寸 拱 部 R=3.64m，H=7.28m； 采 用C30W10F200混凝土襯砌，底板與邊頂拱均為50cm。施工襯砌遵循“底板超前、邊頂拱整體襯砌”的原則，初期支護(hù)完成后，為有效地控制其變形，底板盡量緊跟開挖面施工。

5 監(jiān)控量測

對96+652m～96+741m淺埋段隧洞施工期周邊位移量測及頂拱下沉觀測，通過對開挖圍巖面變形的及時觀測，獲得圍巖變形的動態(tài)信息，再通過位移反分析，提出正確的支護(hù)參數(shù)、合適的支護(hù)機會、判斷支護(hù)效果，完善支護(hù)設(shè)計以指導(dǎo)工程施工。

5.1 監(jiān)控量測斷面布置

拱頂下沉收斂斷面的間距不大于5m，每25m布設(shè)一組監(jiān)控量測斷面，必要時候增設(shè)監(jiān)控量測斷面。具體布置圖見圖3。隧洞開挖結(jié)束馬上進(jìn)行測點的安裝埋設(shè)及量測，將不銹鋼錨固環(huán)固定在螺紋鋼筋的一端，再將鋼筋用M20水泥砂漿固定在各測設(shè)點的鉆孔中。

圖3 淺埋段監(jiān)控量測點布置圖

5.2 量測頻率

拱頂下沉量與凈空水平收斂量量測宜用相同頻率，應(yīng)從表中根據(jù)變形速度和距開挖面的距離選擇較高的一個量測頻率。量測作業(yè)均持續(xù)到變形基本穩(wěn)定1周～3周。必要時，在地表埋設(shè)監(jiān)控量測點。

量測頻率滿足下表1規(guī)定：

表1 量測頻率表

6 結(jié)論

東湖電站引水隧洞樁號96+652m～96+741m范圍淺埋暗挖段經(jīng)過150多天的施工順利通過，在節(jié)點工期之前完成任務(wù)，從工程實踐看，獲得了一些有益的經(jīng)驗。

（1）在施工初期階段，當(dāng)?shù)刭|(zhì)較差、位移下沉量及速度變化較大時，應(yīng)適當(dāng)加大監(jiān)測頻次。

（2）注漿技術(shù)在淺埋暗挖隧洞施工中至關(guān)重要，采用超細(xì)水泥-水玻璃雙液漿進(jìn)行超前周邊預(yù)注漿可以快速達(dá)到預(yù)期效果。

（3）淺埋暗挖施工中及時網(wǎng)噴及襯砌封閉對控制圍巖收斂變形及地面沉降作用顯著，因此，在淺埋段隧洞施工中，應(yīng)及時跟進(jìn)封閉襯砌。

（4）淺埋暗挖段爆破設(shè)計中應(yīng)控制單段允許裝藥量，改一次大爆破為多次小爆破，降低爆破震動速度值和噪聲，以保障開挖安全及施工周圍村莊居民的正常工作和生活。陜西水利

[1]王夢恕.地下工程淺埋暗挖技術(shù)通論[M].安徽教育出版社,2004.

[2]王夢恕.中國隧道及地下工程修建技術(shù)[M].人民交通出版社,2010.

[3]國家能源局.DL/T5148-2012.水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范[S],2012.

[4]楊曉東.錨固與注漿技術(shù)手冊[M].中國電力出版社,2009.