富水地質條件下地面大開挖隧洞成型方案比選

孫 強，單柏翔，游 艇

0 前言

隧洞工程包括交通隧洞（鐵路隧道、公路隧道）、水工輸水隧洞。隨著隧洞工程快速發展，施工技術、設計理念均有較大改進，主要表現在從常規地形、地質條件向復雜地質條件的轉變，從常規開挖方法到平地大開施工方法的轉變，從以前短距離單支洞泄洪洞到現在考慮遠距離支、主洞整體概念的輸水隧洞等[1-3]。本文涉及到以上兩個方面，一是富含水砂礫石層的復雜地質條件；二是區別于巖石坡面的平地面大開挖。

以柴河水庫隧洞工程為例，柴河水庫隧洞工程支洞口位于汎河250 m處，隧洞埋深0～36 m，地表為砂卵礫石，透水性強；洞室部位地層巖性為晚侏羅世侵入的安山巖、蝕變安山巖。進口段巖組不整合接觸帶、節理發育部位巖體較破碎～破碎，圍巖多為Ⅳ、Ⅴ類。安山巖局部節理裂隙極其發育、蝕變作用強烈，加之地下水與地表汎河水產生水力聯系，洞室開挖過程中可能出現節理切割的失穩超塊體塌方、突水等地質問題，為解決如此復雜的地質條件下的開挖進洞問題，提出三種方案，進行對比研究。

1 存在問題

（1）在滿足主隧洞線路情況下，支洞必須布置在距離汎河河道250 m左右的河灘地上，因地面平整，必須采用大開挖的方式，開挖方量大，基坑深，砂礫石透水嚴重，而且存在汛期河水倒灌的危險[4-5]；（2）工期長，施工受季節影響大，且滲水量大，抽排費用高，長期排水邊坡有容易失穩。

工程布置圖詳見圖1所示。

圖1 隧洞大開挖布置圖（單位：m）

2 隧洞成型方案

2.1 方案一：阻水帷幕后設輕型鋼大棚

利用明槽段外圍阻水帷幕施工對目前存在較大滲水的邊坡進行系統處理，阻斷強弱風化巖體滲水、地下滲水進入施工明槽，保證水量控制的可控范圍內。同時，在明槽段上部搭設型鋼大棚作為覆蓋形成相對較封閉的室內操作空間，阻止地上降雨、降雪等上部水體進入基坑，保證明槽段形成較為干燥的施工條件，解決雨天、雪天坡陡路滑，冬季保溫等無法克服的施工困難，提高生產強度，保證工期滿足合同要求。此方案由分兩部分：一是阻水帷幕；二是輕型型鋼棚布置。

2.1.1 阻水帷幕施工

洞口阻水帷幕灌漿緊貼擺噴防滲墻布置單排帷幕孔，預計布孔206個。孔距1.6 m，孔深15.7 m，先導孔與檢查孔鉆孔孔徑Φ76 mm，灌漿孔鉆孔孔徑Φ56 mm。預計鉆孔約3234 m，巖石灌漿1854 m，灌漿單耗250 kg/m，灌漿水泥用量約460 t。灌漿孔分三序施工，Ⅰ序孔51個，Ⅱ序孔52個，Ⅲ序孔103個，所有灌漿孔共分為10個單元。

施工時間計劃：前期準備10天，設備人員進場后現場布置5天，主體施工30天，灌后等強14天，灌后質量檢查孔施工7天，共計66天。

2.1.2 型鋼大棚施工

對整個明槽段開挖輪廓線外全覆蓋輕型型鋼大棚進行封閉，型鋼大棚坐落于明槽開挖輪廓外圍堰之上，高出地表以上。型鋼大棚能有效的阻止外部降雨、降雪等外來水體進入基坑，同時，可兼顧冬季保溫施工。大棚全長152 m，跨度8 m～52 m，覆蓋建筑面積5058 m2，大棚屋檐高于堰頂高程1.5 m～2.0 m（設采光窗、通風口）。型鋼大棚采用方鋼作為主體骨架、屋面、墻面檁條采用冷彎薄壁型鋼制作，屋面板采用100mm厚彩鋼瓦覆蓋。大棚雙坡排水，排水通過明槽圍堰堰頂截水溝排放。

施工時間計劃：前期施工準備10天，設備人員進場后現場布置5天，材料進場5天，主體施工40天，共計劃時間60天。

2.1.4 方案工程量及費用估算

阻水帷幕+型鋼棚組合施工工程量及費用見表1。

表1 方案一主要工程量及費用計算

2.2 方案二：外延明洞并回填

從支洞樁號0+130后進入洞挖施工，為改變冬季、雨季難以正常施工的現狀，擬將明拱段外延至0+000樁號處，待明拱形成達到強度要求后，回填砂卵石土至原地貌地面以上，將原設計明槽所無法避免的降雨、降雪影響因素最大程度的降低；同時，通過底板混凝土澆筑、拱架外圍鋪設土工膜等措施，有效阻斷底板及明槽邊坡強滲水進入明洞拉槽段，保證施工滿足施工需求。

2.2.1 施工方案及技術參數

1）明拱段施工：采用“型鋼拱架+鋼筋網+噴射混凝土”支護施工，型鋼拱架采用I12工字鋼加工，拱架間Φ22錨桿連接；拱架外側鋪裝6 mm厚鋼板全斷面封閉；拱架內側布設鋼筋網Φ8@150 mm×150 mm，噴射混凝土標號C25，噴射厚度150 mm。

2）防滲施工措施

①底板混凝土澆筑：底板混凝土采用C20混凝土澆筑施工，澆筑厚度200mm，表面鋪設鋼筋網Φ8@150mm×150mm一層。

②土工膜防滲：為阻斷明槽邊坡滲漏，在拱架回填施工之前，沿拱架外圍側環向鋪設土工膜一層，根據大壩防滲體施工及工程施工經驗參考擬選用兩布一膜，規格500 g/m2，伸長率40%～60%的土工膜。土工膜緊貼拱架鋼板面鋪設，以拱架鋼板作為土工膜支撐層。為保證底板與拱架外圍整體的防滲效果，在底板混凝土澆筑期間，預埋土工膜與明洞外側土工膜焊接連接，保證明洞段處于整體防滲保護體保護范圍內。

3）明槽回填：在明拱段拱架施工完成后，分層回填素土、砂土或洞渣料至開挖前原地貌地面線。施工時，土工膜施工與分層回填同步進行，土工膜側面和上部500 mm范圍內人工回填素土層，以作為土工膜上墊層。

2.2.2 施工工期

拱架加工制作15天，明拱安裝45天，噴射混凝土10天，底板混凝土澆筑13天，明拱外側土工膜安裝、拱外回填施工7天。合計直線工期68天。

2.2.3 方案工程量及費用估算

方案工程量及費用估算，見表2。

表2 方案二工程量及費用估算

2.3 方案三 現澆混凝土涵洞

擬將0+000～0+130明槽段通過現澆鋼筋混凝土形成混凝土涵洞，根據通行需求，涵洞斷面按5 m×5 m（凈斷面）設計，鋼筋混凝土涵洞施工完成后，涵洞外側回填砂礫石土至原地表高程。

2.3.1 施工方案及技術參數

1）涵洞施工

①鋼筋混凝土澆筑采用組合鋼模板施工，混凝土及配筋采用與鎖口相一致的C35鋼筋混凝土，雙層配筋，主筋Φ22，分布筋Φ16。按10 m一倉進行分倉澆筑，倉位間設置橡膠止水。澆筑時，澆筑層高按2 m控制。

②底板混凝土采用C20混凝土澆筑施工，澆筑厚度200 mm，表面鋪設鋼筋網Φ8@150 mm×150 mm一層。

2）回填施工

在涵洞施工完成后，分層回填素土、砂土或洞渣料至開挖前原地貌地面線。

2.3.2 施工工期

涵洞澆筑施工采用人工搭設滿堂架，支立組合鋼模板進行施工，底板混凝土澆筑13天，涵洞澆筑預計直線工期93天，土石方回填7天。

2.3.3 方案工程量及費用估算

方案工程量及費用估算，見表3。

表3 方案三工程量及費用估算

2.4 方案比選

根據對各施工方案的對比分析，認為方案二為最佳方案。

3 結論

（1）通過外延明拱噴射混凝土+外包土工膜及底板混凝土澆筑形成完整防滲整體，能有效阻斷外圍滲水滲漏進入洞內，利用明拱外延封閉將原有露天施工影響進行合理規避，保證即使地下水位上漲，明槽段強風化巖體滲水不影響施工洞室作業。

（2）可加強此施工工作面的安全保障能力，對整個工程安全建設起到積極的促進作用；同時，方案實施得當，明槽邊坡滲水得到有效控制，防止在汛期超標滲水進入主洞，消除對下游洞室可能存在的威脅隱患。

（3）通過明拱外延有效的解決了滲水問題，保障了施工安全，避免了因道路滲水、坡面滲水導致濕滑、冰潔路面多存在的安全隱患，減少工程經濟損失；同時，方案的實施進一步提高工程本身防洪度汛能力，減少可能出現的不可預見的經濟損失。

（4）可大幅改雨雪、冰凍條件下不利的交通條件，特別是在冬季負溫狀態下（每年11月至次年3月此時間段內，長坡面結冰路面運輸相當困難，施工效率低下）施工工期不受影響，4個冬季施工均能高效施工，為工程達標投產產生積極的推進作用。

[1]劉銳.復雜地質條件下中小型水利工程勘測設計工作若干問題思考[J].水利建設與管理,2017,01:59-62.

[2]孫超.長江大堤巨厚粉細砂層混凝土防滲墻施工[J].水利建設與管理,2016,12:16-19.

[3]傅輝云.淺談軟弱地基復雜地質層堤防基礎處理辦法[J].水利建設與管理,2016,05:09-11.

[4]范遠東,郭青春.深水拋石圍堰防滲帷幕設計與施工探討[J].水利建設與管理,2014,12:06-09.

[5]朱品安.復雜地質條件下淺埋隧洞開挖施工技術 [J].建筑科學,2008,35:48-49.