向家壩灌區南北總干渠首部長引水隧洞施工關鍵技術

景茂貴，劉益勇，車公義，樊啟祥

(1.中國三峽建設管理有限公司，四川成都610041；2.中國華能集團有限公司，北京100031)

0 引 言

近十年，我國水工隧洞得到了迅猛發展，其建設規模和難度不斷刷新紀錄。據不完全統計，截至2013年底，各類水工隧洞已建成的超過10 000 km、正在建設的超過1 000 km、已規劃的超過2 000 km[1]。規劃中的南水北調西線一期工程引水線路總長255.9 km，隧洞總長252.7 km(單體隧洞最長72 km)，工程面臨高寒缺氧、活斷層、高地應力及高地溫、高壓涌水等突出問題，因此成為世界建設難度最大的引水隧洞[2，3]。為適應施工難度不斷增加的長隧洞工程建設，有必要開展長隧洞施工技術研究。本文結合類似工程經驗和相關文獻資料，對南北干渠長隧洞特殊地質條件的處理和針梁臺車快速襯砌等進行了分析研究，形成了一套相對固定和成熟的施工關鍵技術。

1 工程概況

向家壩水電站灌區工程位于川南干旱區，是一座以灌溉為主，兼顧城鄉生活、工業供水的大型水利工程，是《四川省農業發展上臺階建設項目規劃》中的重要水利工程。根據規劃，向家壩灌區工程幅員面積10 155.6 km2，灌溉面積3 533.3 km2，惠及500萬人。灌區咽喉工程——南北干渠——分別位于向家壩水電站大壩左右岸(見圖1)，渠長約5.2、10.1 km，襯砌后分別為直徑6 m和8.2 m的圓形有壓洞，設計引用流量分別為38、98 m3/s。

圖1 南北干渠平面布置

根據現場地形條件，北干渠設2條施工支洞(即N1號和N2號施工支洞)和3個棄渣場，5個工作面平行施工，單工作面最長約3 km。南干渠設2條施工支洞(即S1號和S2號施工支洞)，4個工作面施工，單工作面最長約1.5 km。隧洞采用鉆爆法開挖、針梁臺車襯砌，總體“先挖后襯”的施工方案。

南北干渠垂直埋深多為200～500 m，圍巖以泥質粉砂巖和粉砂質泥巖為主，易遇水軟化和失水崩解，Ⅳ2和Ⅴ類圍巖約占95%。取水隧洞部分洞段穿越巖爆、崩塌堆積體寬大裂隙、煤層、大涌水等特殊不良地質區域，施工期圍巖穩定性突出、安全風險高；近距離穿越水富新縣城、地下廠房帷幕等敏感建筑物，施工干擾大、精細化爆破控制要求高；取水隧洞為有壓隧洞，襯砌質量要求高。

2 長隧洞施工關鍵技術

2.1 長隧洞開挖方法與地質預報

長隧洞的開挖方法主要有鉆爆法和TBM法兩種。對于地層較均一、硬度適中的圍巖，采用TBM掘進效果較好；對于存在大量高地應力巖爆、大斷層、溶洞和塌方等不利地質條件時，鉆爆法開挖適應性更強。南北干渠特殊地質條件多，經技術經濟分析后，最終采用常規鉆爆法開挖，并分別于2015年8月19日和2016年7月4日實現全線安全順利貫通。開挖期間，南北干渠洞內未發生質量安全事故，創造了復雜地質條件下長隧洞安全施工的典范。

長隧洞開始掘進之前，盡管采用了多層次平行的綜合勘探方法，但要消除地質條件的不確定性是不可能的，“十隧九變”是施工常態。在實際施工時，必須進行綜合性的超前預報，并將其納入正常的施工工序[4]。南北干渠開挖施工過程中，主要采用了地質雷達和水平超前鉆孔，成功預報了北干渠樁號2+858大涌水和南干渠樁號4+139崩塌堆積體寬大裂隙，通過采取提前引排和超前加固措施，避免了人員和設備受損并安全通過上述洞段。

2.2 精細化爆破振動控制

南干渠沿線近距離經過向家壩地下廠房灌漿帷幕、水富新縣城、水富市政交通隧洞等敏感建筑物，最近距離僅16.5 m(見圖2)。鑒于復雜的地質條件和周邊環境，為避免對附近建筑物造成損傷，降低對周邊居民的干擾，按照精細爆破的指導思想[5]，先在南干渠S2號支洞內進行爆破試驗，根據成果優化爆破設計，并持續開展安全監測。

2.2.1爆破試驗

試驗方案是循環進尺≤2 m；中心直孔掏槽；試驗期間爆破振動控制標準暫定為居民住宅和商鋪基礎處最大振動速度不超過2 cm/s，市政管線地表處不超過1.5 cm/s，爆破噪聲控制標準暫定為120 dB。主要設計參數見表1，起爆網路布置見圖3。

表1 S2號支洞第1次爆破試驗設計參數

表2 S2號施工支洞第1次爆破試驗振動數據

圖2 向家壩南干渠平面布置

圖3 S2號支洞第1次爆破試驗炮孔布置(單位：mm)

試驗時在距離S2號洞口150 m范圍內的路面、建筑物基礎布置了6個振動測點，在正沖向最近的建筑物一樓(140 m)布置1個噪聲測點(見圖4)。爆破振動監測數據見表2，1號測點豎向振動波形見圖5所示。

圖4 S2號支洞爆破振動監測布置

測點振速最大值出現在初始掏槽孔起爆時刻，這表明南干渠爆破開挖產生的質點振動速度峰值取決于掏槽孔的布孔、聯網方式與單段藥量，與其他爆破參數關聯性不大。相關監測點最大振動幅值：市政管線0.91 cm/s，城區道路0.62 cm/s，居民樓基礎處0.41 cm/s，均低于預先規定的安全閾值；同時無路面下沉開裂等震害現象。81棟一樓的噪聲測值為115 dB，未超過設計控制標準120 dB，但居住在6層以上的居民反映，爆破時家中能感覺到樓板和門窗發生輕微晃動，使老年人和嬰幼兒產生驚嚇、心慌等不良反應。

圖5 1號測點第1次爆破試驗豎直向振動波形

炮孔類型孔深/m孔徑/mm數量/個孔距/cm排距/cm藥徑/mm單孔藥量/kg第1排掏槽孔1.4421460—320.9第2排掏槽孔2.1421085—321.5輔助孔2424060～8558～68321底板孔24287570321周邊孔242404050250.4

表4 S2施工支洞第2次爆破試驗振動數據

2.2.2爆破方案優化

圖6 S2號支洞第2次爆破試驗炮孔布置(單位：mm)

在第1次爆破試驗監測數據和調查成果的基礎上，對爆破設計方案進行了優化：將掏槽方式由單排直孔改為雙排斜孔。改進后的爆破設計參數見表3，起爆網路布置見圖6。第2次爆破試驗時在相同位置布置了6個振動測點和1個噪聲測點，振動監測數據見表4，1號測點豎向振動波形見圖7。

監測數據顯示，改進后的爆破方案產生的振動比第1次試驗有明顯降低，S2工區路面(1號測點)的振動峰值速度降低幅度約20%，居民樓基礎(4號、5號測點)的振動峰值速度降低幅度為30%，居住在高樓層的居民反映家中樓板和門窗沒有出現晃動，表明雙排斜孔掏槽能夠起到較好的減振效果。

近距離過地下廠房帷幕、水富市政交通隧洞等敏感建筑物時，參照上述思路開展雙排或多排斜孔試驗、優化爆破設計及振動監測，確保了南干渠在復雜環境下微震爆破取得成功。

2.3 特殊地質問題處理

2.3.1寬大裂隙處理

圖7 1號測點(S2工區)第2次爆破試驗豎直向振動波形

測點號最大主應力應力值/MPa方位/(°)傾角/(°)中間主應力應力值/MPa方位/(°)傾角/(°)最小主應力應力值/MPa方位/(°)傾角/(°)實測應力分量/MPaσxσyσzTxyTyzTzz最大水平主應力/MPa最小水平主應力/MPa最大水平主應力方位側壓力系數λ=σh/σz左01-21.69259.292.63-18.82351.0133.25-11.61165.2956.62-16.88-21.45-13.801.060.973.1821.6816.6577.561.57左02-21.27185.4115.78-10.7278.8945.17-8.13289.4140.57-20.24-9.47-10.401.39-0.95-3.1720.429.297.241.96左03-9.43290.5170.14-3.83186.245.09-2.3694.4719.14-3.90-3.09-8.62-0.112.130.663.913.08352.400.45左04-9.56329.7354.51-4.32235.083.310.49142.7335.29-3.61-3.60-6.190.782.623.944.392.8244.820.71左05-13.544.475.18-6.62251.0777.15-4.6495.5411.73-13.42-4.78-6.590.720.340.6613.484.724.732.05左06-13.62237.0213.96-8.7925.6473.77-5.16144.998.12-7.75-10.82-9.003.751.24-0.2013.345.2356.131.48

表6 各工況支護和襯砌結構應力峰值 MPa

南干渠開挖至樁號4+187時，掌子面頂部揭露出陡傾角寬大裂隙，最大寬度約0.8～1.5 m，洞頂以上空腔高度超過3 m，沿洞軸線方向延伸，總長約150 m。寬大裂隙空腔內充填泥質松散塊石，有孤石滑出。由于該洞段上覆巖體為崩塌堆積體，埋深僅30～50 m，為保證施工安全和地表穩定，采取了如下措施：①加強封閉和支撐。噴混凝土封閉掌子面和空腔內的充填物，拱頂180°范圍內采用大管棚超前支護。②回填頂部空腔。拱頂上方用Φ22鋼筋焊接成鋼筋龍骨，模噴50 cm混凝土作為模板，回填1.5m厚一級配C25混凝土，埋管引排空腔內積水，減小外水壓力。③布置永久監測。防止洞室坍塌和地表沉陷。

監測資料顯示，目前該洞段圍巖、襯砌結構和對應地表均安全穩定。

2.3.2巖爆

巖爆是高地應力條件下圍巖發生脆性破壞時應變能突然釋放造成的一種動力失穩現象。自1738年在英國錫礦坑道中首次報道以來，巖爆已成為高應力地下工程中普遍關注的一種地質災害[6]。由于存在損毀施工設備和砸傷施工人員等，巖爆給工程建設帶來嚴重的影響和安全威脅[7，8]。為保證施工安全，目前治理巖爆的原則仍是“以防為主、防治結合”[9-11]。

在北干渠樁號1+369～1+412開挖過程中，每循環爆破后，掌子面巖體均有零星、間斷的噼啪聲和爆裂聲響，同時還出現巖塊剝落形成的片幫，偶有巖塊彈射現象，最大粒徑約70 cm，厚約15～20 cm。為了解和掌握發生的上述現象，現場開展了地應力測試。現場共布設了6個孔(左01～左06)，計算成果見表5。

(1)開挖階段措施。根據地應力測試成果，該區域會發生高地應力現象。采取短進尺(按1.5 m控制)、增加超前應力釋放孔、提高光爆效果、高壓水噴淋和封閉掌子面、噴納米鋼纖維混凝土、打水脹式錨桿、預留變形量(技術超挖2 cm)等系列措施，最終安全地通過了巖爆洞段。

(2)襯砌階段措施。根據現場實測的地應力資料，按Ⅳ類均質圍巖考慮，隧洞底部、頂部以及兩側圍巖取4倍開挖洞徑，其余上部覆蓋層巖石采用等效荷載施加，沿洞軸線方向取10 m建立隧洞分析模型(見圖8)，研究襯砌不同承載比例下支護結構的受力情況(見表6)。

圖8 三維有限元計算模型示意

從表6可以看出，當圍巖地應力釋放80%及以上時施工永久襯砌，混凝土與鋼筋應力均在設計強度內?？傮w上，圍巖應力釋放越充分實施支護，其結構受力越小，安全裕度越大。

處理措施：①巖爆洞段頂拱120°范圍內布置應力釋放孔(Ф76 mm@2 m×2 m，L=9 m)加速高地應力的釋放過程。待高地應力釋放基本完成(即變形收斂)再進行襯砌施工(應力釋放孔施工完成至襯砌時間間隔不少于3個月)。②調整結構縫(按8～10 m設置結構縫)。③加強結構配筋，環向鋼筋由Ф25 mm調整為Ф28 mm。④布置永久監測設備，加強運行期監測。

2.3.3大涌水

北干渠在開挖至樁號2+858.00后，掌子面頂拱出現嚴重涌水，日均涌水量約3 000 m3。采取的措施有：①根據地質資料推斷滲水通道。②水玻璃水泥漿封堵出水孔，水灰比0.8～1∶1，水玻璃稀釋濃度25～35 Be，雙液體積比(水泥漿體積/水玻璃體積)為1∶(0.5～0.7)。③對已支護段進行灌漿(孔深6 m，孔徑Φ60 mm，間距1 m、排距2 m，壓力0.5 MPa)。④前述灌漿完成后，對未開挖洞段進行灌漿，角度35°～45°，灌漿參數同前，見圖9所示。

圖9 灌漿施工示意(單位：mm)

圖10 針梁臺車結構及頂部拼接示意

2.4 襯砌施工

南北干渠采用先挖后襯和針梁臺車全圓一次襯砌成型的方案。通過不斷的總結和改進，單臺針梁臺車每月可澆筑12～14倉(144～168 m)，外觀質量較好。主要控制措施有：

2.4.1臺車設計

①針梁長度。一般為2倍模板長度+富余長度，以南北干渠為例，針梁長度為28～30 m。②模板厚度。根據襯砌厚度和超挖情況，模板厚度一般為10～12 mm。③模板環向拼接。一般采取鉸接，為便于脫模，最后的拼接部位最好設置于頂部，如圖10所示。④模板倉口及附著式振搗器布置?？v向布置為窗口4排，每排7個共計28個；附著式振搗器6排，每排4個共計24個，如圖11所示。

圖11 窗口及振搗器布置

2.4.2入倉振搗

該工序對混凝土澆筑質量至關重要，經過大量的研究和總結分析，得出經驗：①底板。采用Φ50 mm振搗棒振搗，振搗時間一般為10～15 s。②腰線。下料厚度控制在30 cm左右，上升速度不大于1 m/h，兩側高差控制在0.5 m以內。Φ50 mm振搗棒和附著式振搗器振搗時間均為8～10 s為宜?？觳迓危駬v時以混凝土不再下沉，不出現氣泡，并開始泛漿為止。③頂拱?；炷寥雮}后采用附著式振搗器進行振搗，下料厚度控制在30 cm左右，振搗時左、右側附著式振搗器分開啟動，振搗時間控制在10～12 s，復振時間控制在3～5 s。

2.5 人員跟蹤定位系統

為提高洞內應急救援能力和加強現場管控，南北干渠洞內安裝了基于無線射頻信號的人員跟蹤定位系統。隧洞內信號全覆蓋，可實現對人員及設備的精確定位、洞內時長統計、雙向呼救、超時報警等。通過安裝于手機端的APP，管理人員可隨時隨地掌握現場情況。尤其對管理人員未履職到崗、作業人員和澆筑罐車超過預定時間出洞(作業人員可能存在安全問題或現場澆筑不正常)等自動報警提示，大大提高了對現場的管控能力。

3 監測成果分析

3.1 施工期臨時監測

為充分發揮安全監測在指導施工中的重要作用，南北干渠十分重視施工期安全監測。按照100～200 m布置1條，特殊地質條件加密布置的原則，南北干渠共布置93條圍巖收斂監測斷面。在所有監測斷面中，南取4+120.000和北取2+280斷面收斂變形最大，分別為22.53、34.24 mm，其余斷面變化量較小或均已收斂。經計算，上述兩斷面的隧洞周邊位移變形相對值F分別為0.44和0.46，均小于規范允許的1.6，南北干渠隧洞總體安全穩定。

變形監測數據顯示，南北干渠圍巖的變形收斂時間主要集中在開挖后的前4～6個月內，該段時間內的變形量一般占監測總變形量的80%左右；絕大部分斷面在8～10個月內基本收斂；如存在軟弱夾層等則收斂時間更長，面對此種情況需加強監測并盡快完成永久襯砌施工。

3.2 運行期永久監測

由于北干渠襯砌尚未澆筑至監測斷面設計樁號，暫未安裝。本部分主要介紹南干渠永久監測情況。根據南干渠沿線圍巖地質條件和內水壓力分布情況，全線共設計有4個永久監測斷面，每個斷面安裝有4支襯砌鋼筋計、3支滲壓計、3支測縫計、1支應變計和1支無應力計。儀器具體布設如圖12所示。

圖12 南干渠永久監測典型斷面布置(單位：mm)

監測結果為：①鋼筋應力計。在襯砌鋼筋上安裝有鋼筋計。監測數據顯示，南干渠襯砌鋼筋應力一般在3個月達到穩定狀態且應力相對較小，均不超過10 MPa。②滲壓計。在各監測斷面襯砌外側布置了滲壓計，監測圍巖的滲壓及分布。根據監測數據顯示，各斷面滲壓水頭值均較小，最大為0.77 m。③測縫計。在襯砌混凝土與巖石結合面處安裝有測縫計，用于測量混凝土的開合度情況。根據監測數據顯示，各斷面開合度監測值均較小，最大值為0.03 mm。④應變及無應力計。在襯砌混凝土中埋設有應變和無應力計，用于監測混凝土變形情況，當混凝土初凝后，測取初始值。從監測數據看，測值較小。

從以上監測數據看，各類測值變化不大，說明南干渠開挖期支護效果和襯砌質量均較好。

4 結 論

本文以向家壩南北干渠為例，結合相關文獻研究，對長隧洞工程的開挖與地質預報，精細化爆破振動控制、特殊地質條件處理措施及針梁臺車快速襯砌等施工關鍵技術進行了分析研究，總結如下：

(1)長隧洞由于穿越地層多，存在斷層、溶洞、大涌水、巖爆、高地溫和有毒有害氣體等多種不利地質條件。施工過程中需注重超前預報和安全監測，并把其作為施工中的一個必須環節，做到有的放矢，方能確保施工安全。另外，對各種特殊地質條件需要有處理措施及手段，并做好應急預案編制。

(2)長隧洞經過不同類型敏感建筑物時，應提前做好調查分類和標識測量，按不同建筑物的保護類別做好爆破振動控制，并進行過程監測和反饋分析。雙排或多排斜孔掏槽可有效降低爆破振動速度，盡可能采用。

(3)針梁臺車襯砌具有速度快、外觀質量好等優點，但需注意模板搭接、窗口設置、臺車抗浮和振搗時間等細節設計與過程控制。

(4)為保證長隧洞施工期安全，同時及時掌握運行期圍巖變形、滲流滲壓、混凝土襯砌和鋼筋等受力變化情況，一般需布設施工期臨時監測和運行期永久監測。臨時監測主要根據地質情況布設，永久監測一般布置于施工支洞或檢修通道等附近。

(5)一切工序標準化、一切標準信息化已是工程發展的大趨勢。建議在工程的初始階段，通過各種試驗和總結分析，盡快制定適應本工程的相關標準化工藝或管理流程并加強宣貫，在工程開工就嚴格執行；引入智能信息化系統，確保對各工程數據的實時監控和全過程追蹤。