引水隧洞穿越不良地質(zhì)段開挖施工技術(shù)探討

郭繼東，邵　華

(1.遼寧省水利廳，沈陽 110003；2.遼寧省白石水庫管理局，遼寧 朝陽 122000)

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引水隧洞穿越不良地質(zhì)段開挖施工技術(shù)探討

郭繼東1，邵華2

(1.遼寧省水利廳，沈陽 110003；2.遼寧省白石水庫管理局，遼寧 朝陽 122000)

隧洞穿越不良地質(zhì)(主要是流砂和地下水)地段加大了隧洞施工難度與風(fēng)險，文章根據(jù)實際工作經(jīng)歷，就引水隧洞穿越不良地質(zhì)地段施工技術(shù)運用展開深入探討。隧洞工程施工過程中的任何不良地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生都是有征兆的，只要加強現(xiàn)場施工人員的防范意識，提早判斷預(yù)測，采取科學(xué)、合理的治理工程措施，就可以減少塌方、涌砂或涌水事故的發(fā)生，保障隧洞開挖施工安全、順利地進(jìn)行。

引水隧洞；不良地質(zhì)；隧洞流砂；地下水；施工技術(shù)

0　引　言

由于我國幅員遼闊，地形地貌復(fù)雜多變，各地區(qū)水資源分布不均衡，人為通過工程措施合理調(diào)配水資源的時間、空間分布，解決水資源供需矛盾，長距離跨流域(調(diào))引水隧洞工程建設(shè)越來越多。引水隧洞在開挖施工過程穿越不同地層揭露出流砂和地下水等不良地質(zhì)現(xiàn)象造成的塌方，給隧洞施工造成很大的困難，嚴(yán)重影響引水隧洞的施工進(jìn)展，加大工程建設(shè)成本，甚至?xí)斐砂踩a(chǎn)事故，對工程所在地也會造成較大的影響[1]。如何采取有效的施工處理措施和預(yù)防措施值得我們?nèi)ヌ接懞蛯嵺`。

1　工程概述

某工程引水隧洞全長6226.739m，平均縱坡2.71%，隧洞設(shè)計引用流量Q=62.0 m3/s。低壓段長5391.50m，為馬蹄形斷面，底寬4.5m，洞高5 m，低壓隧洞全長采用C35W12F200鋼筋混凝土襯砌；高壓段長835.239m(其中斜井段長度167.83m，高差125m)，為圓形斷面，內(nèi)徑為5.0m，高壓管道分別采用C35W12F200鋼筋混凝土、鋼板襯砌。隧洞總體埋深較淺，開挖直徑為6m(混凝土襯砌厚度50cm和30cm)，主要為Ⅲ、Ⅳ類圍巖，圍巖為薄層～中厚層砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖，水平互層或夾層，節(jié)理發(fā)育，裂隙間夾泥。

該隧洞具有隧洞長、斷面小的特點，且圍巖地質(zhì)情況較差，雨季地下滲水量大，在施工中存在空間有限，交叉工序多，大型機械無法運用，施工難度大，且該引水隧洞為工程最關(guān)鍵的線路。

2　施工特點及難點

本工程具有如下特點：隧洞結(jié)構(gòu)形式多樣，施工工作面較分散，施工布置難度較大；施工支洞長，工作量大；引水隧洞開挖斷面大，開挖單頭掘進(jìn)長度長，工期緊，施工通風(fēng)困難；地下隧洞開挖部分地質(zhì)條件差，圍巖強度低，支護(hù)要求高，對施工安全存在較大影響。引水隧洞開挖高差大地下水埋藏較深，施工難度大，特別是4個斜井井段是本標(biāo)的一個難點。調(diào)壓室斷面大，兩個調(diào)壓井開挖直徑達(dá)18m，高度在80m左右，地質(zhì)條件復(fù)雜，巖體破碎，施工難度大。

2.1實地資料和數(shù)據(jù)收集

施工前，都要對工程進(jìn)行實地考察，對工程的概況有所了解，引水隧洞工程的施工也是如此，引水隧洞施工主要收集工程各項數(shù)據(jù)信息和地質(zhì)資料，詳細(xì)的資料主要包括以下3個要點：

1)收集引水隧洞的具體信息，如：引水洞與隧洞的相對距離和具體位置的信息；引水洞的全長以及縱向坡度、斷面類型、斷面尺寸等。

2)分析引水隧洞的巖層屬性以及特征，尤其要分析當(dāng)?shù)赝甑牡卣鹩涗浺约熬唧w地段巖層的抗震能力。

3)分析區(qū)域的地質(zhì)情況以及水文情況，對于洞外地表、埋深范圍以及隧洞穿越地層巖石情況等都要進(jìn)行仔細(xì)分析，以便對引水隧洞施工過程中以及投入使用時可能出現(xiàn)的不良地層情況進(jìn)行推測[2]。

對具體資料進(jìn)行分析之后要根據(jù)施工附近的地形和地貌等特征，在距離施工的洞口附近設(shè)置施工人員生活區(qū)以及生產(chǎn)區(qū)等的房屋設(shè)施，還要對混凝土拌和站以及砂石料堆放場有具體的規(guī)劃，對于施工用風(fēng)、水、電等都要進(jìn)行仔細(xì)考量和研究確定。

2.2確定施工方案

引水隧洞施工方案的確定比較復(fù)雜，本部分結(jié)合以往的施工經(jīng)驗，簡單介紹引水隧洞的施工方案確定：

2.2.1首先確定進(jìn)洞方案

設(shè)計方案是要求作洞頂截水溝、天溝和排水溝，隨后進(jìn)行刷坡，直到達(dá)到設(shè)計坡度，采用人工的方式在洞口處由上而下開挖，同時要及時進(jìn)行防護(hù)，在現(xiàn)場按照設(shè)計方案中的支護(hù)參數(shù)制作支護(hù)工具，并安裝完成對引水隧洞洞口部位的初期支護(hù)。根據(jù)圍巖的類別進(jìn)行進(jìn)洞施工，確定進(jìn)洞方法類型，然后進(jìn)行洞門端墻砌筑，這也是對引水隧洞工程的第2次支護(hù)。

2.2.2引水隧洞施工

首先對隧洞流砂段進(jìn)行支護(hù)和施工。施工時應(yīng)當(dāng)對流砂斷段的地質(zhì)進(jìn)行勘探和研究，對于施工的要用到的注漿機以及型鋼拱架或者鋼格柵等材料、機械設(shè)備要提前準(zhǔn)備并調(diào)試好，對于機械設(shè)備的操作人員也應(yīng)進(jìn)行落實并派專人管理，對于支護(hù)中要運用到的原材料如鋼軌、焊接鋼管以及水玻璃和水泥等要充足準(zhǔn)備，另外，在開挖爆破的過程中，結(jié)合開挖掘進(jìn)循環(huán)鉆設(shè)超前勘探孔用以判斷掌子面正前方待開挖洞段的圍巖地質(zhì)情況，根據(jù)超前探孔鉆進(jìn)情況，如果發(fā)現(xiàn)圍巖地質(zhì)松軟，須及時采取防護(hù)措施，進(jìn)行封閉或臺階法施工；如出現(xiàn)滲水量太大甚至突涌水時考慮多打花管，完善洞內(nèi)底板部位的排水工程。提前進(jìn)行有效地支護(hù)施工，可以避免施工人員因無法掌握掌子面前方待開挖洞段洞穴流砂位置和分布情況，造成塌方的后果。

2.2.3隧洞流砂段開挖和支護(hù)

進(jìn)行隧洞流砂段開挖時，要充分考慮隧洞流砂的流動性，如果遇到隧洞流砂的流動性太強的情況下，則不應(yīng)對隧洞流砂段進(jìn)行全面開挖，在其他施工中也應(yīng)盡量減少擾動圍巖。類似情況開挖方法比較多，以下以臺階法為例進(jìn)行介紹，對于隧洞流砂段的上半部分采用人工的方式進(jìn)行挖掘，每一循環(huán)進(jìn)尺應(yīng)控制在50cm以內(nèi)，同時這部分的滲水位置不應(yīng)當(dāng)封堵，而應(yīng)打入花管進(jìn)行排水。可以對于滲漏流砂的位置可以進(jìn)行封堵。同時根據(jù)流砂的流動性，以及涌水量或滲水量等，對臺階的長度進(jìn)行控制。在開挖以后，要及時初噴混凝土進(jìn)行封閉，初噴厚度要提前進(jìn)行設(shè)計研究，施工時也要嚴(yán)格按照設(shè)計的要求確定其厚度，運用型鋼架進(jìn)行支撐，打設(shè)砂漿錨桿進(jìn)行拱墻掛網(wǎng)施工，確定形成全斷面初期支護(hù)閉合環(huán)以后，進(jìn)行二次混凝土襯砌施工。

要加強拱部的縱橫方向支護(hù)，橫向支護(hù)對于支撐流砂體的垂直壓力以及擠壓力有巨大意義，因此必須要加強拱部型鋼或者鋼格柵的橫向支撐，同時掛設(shè)鋼筋網(wǎng)，收集沉降量和水平位移以及沉降速度和水平位移的速度等基礎(chǔ)資料，必要時架設(shè)橫支撐；另外，施工過程中須打入多環(huán)超前管棚，加強縱向支護(hù)力度，以免因為拱部的開挖，管棚對流砂和滲水支承能力不足，造成拱部沉降。考慮到流砂以及其他軟弱的圍巖承載能力不足的情況，對斷面進(jìn)行二期支護(hù)施工時，可以考慮進(jìn)行基底換填的工程措施補強基礎(chǔ)，為抵制圍巖復(fù)雜的擠壓力，可以設(shè)置橫向的澆筑底板，在拱部和邊墻底板的支護(hù)斷面外形成一個完整的封閉環(huán)結(jié)構(gòu)，避免圍巖位移、變形或者沉降。在引水隧洞工程中，拱部縱橫方向支護(hù)工作非常重要，因此相關(guān)的施工和管理人員必須嚴(yán)格按照規(guī)范認(rèn)真施工。

在進(jìn)行下部臺階施工時，要著重考慮流砂的自穩(wěn)能力，嚴(yán)格遵循新奧法施工原則，控制進(jìn)尺、加強支護(hù)措施，可分為左右兩側(cè)，邊挖邊護(hù)的方法。完成了一側(cè)的施工以及噴射混凝土，打設(shè)錨桿等全部初期工序以后，再對下部臺階另一側(cè)進(jìn)行施工。

3　隧洞流砂、溶洞的坍方處理方法

3.1隧洞流砂坍方主要有兩種情況

一是出現(xiàn)坍碴，流砂與隧洞內(nèi)的積水出現(xiàn)一同向外噴涌的情況，此時要等待噴涌情況相對穩(wěn)定后，才能組織施工人員進(jìn)行現(xiàn)場處理，采用堵截相結(jié)合的方式，橫向?qū)⑻杲財啵苊庠谔幚淼倪^程中出現(xiàn)砂體流動的情況；第二種情況比較嚴(yán)重，就是坍孔封閉，在處理這類情況的時候要采用上文中提及的超前支護(hù)方法，另外，應(yīng)該在隧洞外設(shè)專職的安全員，負(fù)責(zé)觀察洞內(nèi)外的地表動向等情況的觀察，對于隧洞內(nèi)外出現(xiàn)的開裂、沉降或者變形等異常情況，應(yīng)及時通知相關(guān)人員并采取緊急有效的措施。

隧洞坍方的處理方式至關(guān)重要，攸關(guān)施工人員的生命安全，同時對于工程人力、物力等資源也會因此造成浪費，加大引水隧洞的施工造價，因此要充分重視隧洞坍方的處理。

3.2隧洞砂巖地段的溶洞處理

引水隧洞工程受地質(zhì)斷層的影響非常大，圍巖的結(jié)構(gòu)發(fā)育過程可能對隧洞砂巖地段造成各種洞害情況。如在引水隧洞施工過程中出現(xiàn)大規(guī)模的溶洞時，要選擇施工梁跨或者拱跨等跨越措施進(jìn)行解決；面對干涸并且規(guī)模很小的溶洞時，可以直接采用注漿的方式進(jìn)行加固和充填，防止溶洞影響到隧洞工程，出現(xiàn)坍陷安全隱患；另外，可以根據(jù)其他可能出現(xiàn)的實際情況，進(jìn)行支撐加固的工程措施。

4　填充物的處理

在隧洞穿越洞穴填充物地段的時候，該部分的處理方式應(yīng)該進(jìn)行特殊處理。洞穴的填充物通常是松軟極易坍塌的，因此可以采取設(shè)計支承樁的方式對樁基進(jìn)行加固處理；當(dāng)溶洞內(nèi)的填充物較淺少的時候，可以采用人工方式進(jìn)行換填處理；如果溶洞內(nèi)的填充物是大量的流塑狀的泥沙的時候，可以采用注漿的方式，將泥沙改造成為有強度的硬塑土的加固方式有利于施工安全。

5　地下水的處理

隧洞開挖過程中穿越不良地質(zhì)地段揭露的地下水按照出水量劃分，主要有滲水和突涌水。

5.1滲水防治

對結(jié)合鉆爆循環(huán)布設(shè)的超前探孔探明的點、面、線狀滲水，嚴(yán)格采用“新奧法”隧洞開挖施工原則，開挖后根據(jù)隧洞圍巖滲水情況采取以下措施：

1)點狀滴水主要采取堵漏劑封堵處理。

2)點狀線流采取表面封堵為主，埋引水管排水、水泥灌漿為輔的處理原則。

3)局部面流采取風(fēng)鉆造孔，插入花管、固定孔口并封堵，用PVC管或鋼管連接將水集中引出，然后對引水管進(jìn)行灌漿處理。

4)大面積淋水采取布設(shè)系統(tǒng)灌漿孔，分序由四周向中央、由下向上的原則進(jìn)行灌漿處理。

5.2突涌水防治

隧洞開挖揭露出突水、涌水現(xiàn)象時，需進(jìn)行超前灌漿加固掌子面前方未開挖洞段巖體。掌子面按照1倍開挖洞徑進(jìn)行全斷面封閉的超前灌漿，把前方未開挖揭露洞段巖體中存賦的大壓力、大流量的地下水阻擋在封閉范圍之外，同時加固易塌方的圍巖。灌漿材料采用HSC特種水泥(防滲帷幕型和含水細(xì)砂型)。HSC特種水泥主要性能指標(biāo)及適用情況見表1。

表1　HSC特種灌漿材料性能指標(biāo)表

結(jié)合現(xiàn)場實際情況并參考HSC特種灌漿材料性能指標(biāo)，封堵灌漿應(yīng)選用防滲帷幕型特種灌漿材料，超前止水灌漿選用含水細(xì)砂型特種灌漿材料。

在灌漿形成覆蓋隧洞斷面的混凝土不透水殼狀結(jié)構(gòu)和超前支護(hù)的聯(lián)合作用下，采取短進(jìn)尺開挖，及時架設(shè)型鋼拱架并進(jìn)行錨噴支護(hù)，可以有效地防治隧洞的突發(fā)涌水問題，確保隧洞的施工安全。

6　結(jié)　論

結(jié)合本工程輸水隧洞穿越流砂地層和地下水處理的工程實踐，表明隧洞工程施工過程中的任何不良地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生都是有征兆的，只要加強現(xiàn)場施工人員的防范意識，提早判斷預(yù)測，采取科學(xué)、合理的治理工程措施，就可以減少塌方、涌砂或涌水事故的發(fā)生，保障隧洞開挖施工安全、順利地進(jìn)行。

[1]張德模.不良地質(zhì)隧洞開挖與支護(hù)施工技術(shù)研究[J].科技傳播,2011(10)：21，38.

[2]文天平,楊黎明.不良地質(zhì)隧洞洞口段的施工技術(shù)[J].世界隧洞,2000(03):8-12，18.

1007-7596(2016)05-0086-03

2016-03-18

郭繼東(1976-)，男，遼寧沈陽人，工程師，從事農(nóng)田水利工程管理工作；邵華(1988-)，男，遼寧朝陽人，助理工程師，從事水利水電工程管理工作。

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