淺埋深輸水隧洞特殊洞段開挖施工安全技術

童暢 梅楊楊

【摘要】水利工程的發展對我國社會主義建設有極其重要的作用，其不僅可以保障人民群眾用水的安全性，也保證了我國農業用水的穩定性和長久性。隧洞施工技術是水利工程建設的重要環節，輸水隧洞的安全發展對水利工程建設至關重要。在水利工程建設中，隧洞施工常受到地質條件、環境等因素的影響導致施工困難，對隧洞施工而言，初期支護是確保施工質量及安全的先決條件。本文以鄂北地區水資源配置工程2016年第7標段施工項目為例，深入探討淺埋深輸水隧洞特殊洞段開挖施工安全技術。

【關鍵詞】淺埋深;隧洞;特殊洞段;開挖;安全

Safety technology for excavation construction of special tunnel section of shallow buried deep water conveyance tunnel

Tong Chang，Mei Yang-yang

（China Water Resources and Hydropower Ninth Engineering Bureau Co.， LtdGuiyangGuizhou550008）

【Abstract】The development of water conservancy projects plays an extremely important role in China's socialist construction. It not only guarantees the safety of people's water use， but also ensures the stability and long-term nature of China's agricultural water use. Tunnel construction technology is an important part of water conservancy project construction. The safe development of water conveyance tunnel is very important for water conservancy project construction. In the construction of water conservancy projects， tunnel construction is often affected by geological conditions， environmental factors and other factors， resulting in construction difficulties. For tunnel construction， initial support is a prerequisite for ensuring construction quality and safety. Taking the construction project of the 7th section of the water resources allocation project in the north of Hubei Province as an example， this paper probes into the safety technology of the excavation construction of the special section of the shallow buried deep water tunnel.

【Key words】Shallow depth;Tunnel;Special section;Excavation;Safety

1. 工程概況

（1）鄂北地區水資源配置工程2016年第7標段施工項目位于湖北省隨州市隨縣，本工程隨岳隧洞樁號為K182+080～182+280，全長0.2Km，圍巖類型為Ⅴ類，圍巖為絹云鈉長片巖，圍巖呈強風化～弱風化狀，地下水活動輕微，上覆巖體厚 30m 左右，巖體完整性較差，圍巖極不穩定。設計流量為20.2m3/s，底部縱坡1/11000，隧洞斷面為馬蹄形，開挖斷面凈寬7.4m，過水凈寬5.8m。隨岳隧洞下穿隨岳高速，涉及特殊洞段開挖施工。隨岳隧洞與隨岳高速基本90°相交，隧洞下穿隨岳高速，穿高速處埋深約11.8m（距高速公路路基頂部），根據現場查勘可以看出，此部位高速公路路基為半幅挖方、半幅填方路基。交叉部位隧洞樁號182+206～182+232，特殊洞段樁號（交叉影響段）182+190～182+280，高速公路交叉段樁號為K42+183左右。

（2）隨岳高速公路全長335公里，于2010年全線建成通車，是湖北省高速公路網的重要組成部分。隨岳隧洞下穿施工社會影響大，安全問題得到了建設方、高速公路相關方（省交通運輸廳高速公路管理局等）等各方的重點關注。

2. 特殊洞段開挖設計

隨岳隧洞為巖石洞段，設計為V類圍巖，采用馬蹄形斷面。交叉影響段開挖斷面凈寬7.5m，過水凈寬5.8m，襯砌厚度為噴護砼0.25m+襯砌砼厚度0.6m。設計流量20.2m3/s，底部縱坡1/11000。

2.1開挖方式。

高速公路交叉影響段采用靜態破碎法開挖，最大程度減少對隨岳高速公路的影響，確保施工及高速公路的安全。

2.2支護方式。

（1）全斷面鋼拱架支護，采用I20a工字鋼，拱架間距按0.5m布置。

（2）噴C25混凝土25cm厚。

（3）頂拱和側墻掛8鋼筋網（150×150mm）。

（4）頂拱和側墻范圍內設22系統錨桿，長3m，間排距1m，梅花型布置。

（5）特殊洞段182+190～182+280段頂拱120°范圍內設108mm管棚注漿鋼管，環向間距0.4m，管棚單排長20m，搭接長度不小于5m，仰角1°，灌漿漿液為水泥漿，漿液比為1：1，灌漿壓力為2.0Mpa～2.5Mpa。

（6）特殊洞段182+190～182+280段初期支護圖1如下：

（7）開挖支護循環進尺見表1。

3. 洞室開挖支護施工

隧洞采用靜態破碎法分臺階開挖，待破碎劑將巖石開裂后，采用破碎錘和鑿巖機對巖石進行破碎，再用裝載機裝自卸汽車出渣。開挖破碎進尺均控制在1m內，開挖鉆孔前采用超前管棚超前支護，開挖一輪支護一輪。

3.1開挖施工。

3.1.1靜態破碎設計參數。

（1）隨岳隧道高速公路交叉影響段采取臺階法分部開挖，減少洞室開挖施工對高速公路的影響。臺階法施工擬分成I、II上下兩個臺階進行開挖，上下臺階采用短臺階進行施工，臺階長度3～5m?？紤]到上部臺階施工所需空間等因素，洞室I上臺階高度4.4m（I面積為26.95m2，II面積為19.35m2）（臺階法開挖示意圖見圖2）。

（2）洞內石方開挖根據實際圍巖及靜態破碎效果及時優化調整參數，擬定參數詳見表2。

3.1.2施工工藝。

3.1.3施工準備。

調試好施工設備，布置好風、水、電線路，清理運輸道路，保證運渣路線暢通，技術員做好技術交底。

3.1.4施工測量。

施工測量采用在鑒定有效期內的全站儀進行施工測量，測量斷面直線段每10m設一個測量斷面，使用激光準直儀控制開挖輪廓。每個月進行一次隧洞軸線高程和斷面復核測量，保證施工測量質量。

3.1.5超前支護。

高速公路影響段開挖前先進行管棚支護施工，先支護后進行開挖。

3.1.6鉆孔。

鉆孔采用YT28型氣腿式鑿巖機，由熟練的風鉆技工嚴格按照設計圖進行鉆孔作業。各鉆手分區、分部位定人定位施鉆，實行鉆手作業質量經濟責任制。每排孔按“平、直、齊”的要求進行控制。鉆眼完成后，由技術員按破碎孔布置圖進行檢查并做好記錄，有不符合要求的破碎孔應重新進行鉆孔。鉆孔完成后，還應用高壓風將孔內余水和余渣吹洗干凈，保證鉆孔孔內和孔旁潔凈。對于開挖掌子面不穩定的情況，可采取噴射混凝土封閉掌子面后再進行鉆孔作業。

3.1.7破碎劑施工。

3.1.7.1準備工作。

（1）根據當地氣溫、藥劑溫度、拌水溫度、巖石溫度、是否與要求相符合;檢查藥劑包裝是否破損。

（2）操作前請確定已準備好以下材料物品：1）藥劑;2）高強長纖維紙袋;3）潔凈水;4）水桶、拌和盆;5）捅棍;6）防護眼鏡;7）橡膠手套;8）備用潔凈水和毛巾。

（3）藥劑的選擇：本工程屬于地下隧道施工，施工期主要在冬季，洞內溫度在5～15℃之間，根據《無聲破碎劑》（JC 506-2008）規范，選用SCA—II、SCA—III型破碎劑，其各齡期的膨脹壓力如下表所示。

3.1.7.2拌制和灌裝

由于本隧洞工程為水平鉆孔，使用比鉆孔直徑略小的高強長纖維紙袋裝入藥劑，一次拌合按4min裝藥需要的藥卷數量（從藥劑加入拌合水到灌裝結束，這個過程的時間不能超過5min），放在盆中倒入潔凈水完全浸泡，水和藥劑的比例為0.3：1（重量比），50秒左右藥卷充分濕潤、完全不冒氣泡時，取出藥卷從孔底開始逐條裝入并用捅棍捅緊，密實地裝填到孔口，裝藥順序為由下至上分區進行，為防止裝藥過程中發生沖孔現象，在拌合水中加入抑制劑，延長藥劑前期反應時間，最后孔口用炮泥封堵，封堵長度為10cm。

3.1.7.3安全措施和注意事項。

（1）無關人員不得進入施工現場。

（2）整個灌裝過程必須使用佩戴防護眼鏡（防塵防沖擊型PVC護目鏡）。施工人員未戴防護眼鏡操作屬安全違章。發生沖孔是正?，F象，是不可預見和不可完全控制的，沖孔時藥劑溫度較高且有腐蝕性，沖入眼內可能會對角膜造成嚴重損害。沖孔產生的原因較多，大致有以下幾種：

1）操作人員操作不當。包括藥劑已經發熱冒氣仍在灌裝等，裝填不密實有空氣隔層等;

2）溫度控制不當。氣溫高時，拌和水、藥劑、鉆孔孔壁溫度控制不當、抑制劑藥量不夠，致使藥劑反應過快等;

鉆頭選用不當，鉆孔直徑過大等。

因此，為避免發生沖孔，就應對以上原因進行檢查和防范。

（3）在藥劑灌入鉆孔到巖石或混凝土開裂前，不可將面部直接近距離面對已裝藥的鉆孔。藥劑灌裝完成后，蓋上麻袋或草席，遠離裝灌點。觀察裂隙發展情況時應更加小心。此外施工現場應專門備好清水和毛巾，沖孔時如藥劑進入眼內和皮膚上，應立即用清水沖洗，情況嚴重者立即送醫院清洗治療。

（4）在破碎工程施工中需要改變和控制反應時間，必須依照廠家規定加入廠家生產或提供的抑制劑和促發劑，并按廠家的要求配制使用，嚴禁擅自在破碎劑中加入其他任何化學物品。

（5）剛鉆完孔和剛沖孔的鉆孔，孔壁溫度較高，應確定溫度正常符合要求并清洗干凈后才能繼續裝藥。

破碎劑運輸和存放中應防潮。開封后請立即使用。如一次未使用完，應立即緊扎袋口，需用時再開封。

3.1.8破碎劑膨脹開裂。

藥劑反應的快慢與溫度有直接的關系，溫度越高，反應時間越快，反之則慢。本工程隧道內溫度一般控制在10℃～25℃左右，藥劑反應時間較慢，大約為30h。

3.1.9液壓錘和鑿巖機破碎。

待破碎劑將巖石完全開裂后，采用破碎錘對開裂的巖石進行破碎，同時為保證隧洞的周邊輪廓成型效果，周邊采用鑿巖機破碎。

3.1.10出渣、清底。

破碎后的洞渣采用裝載機裝運至10t自卸汽車后直接運輸至洞外指定棄渣場棄渣。

3.2支護施工。

3.2.1施工工藝流程圖（隨岳隧洞支護施工流程圖見圖4）。

3.2.2鋼拱架制安。

（1）鋼拱架制作。

鋼拱架采用工字鋼I20。鋼拱架制作尺寸按照隧洞開挖尺寸進行制作，在型鋼加工廠按照1：1尺寸進行放樣制作。

（2）鋼拱架安裝。

1）鋼拱架的安裝間隔距離為0.5m。

2）鋼拱架各段之間的連接采用連接板焊接，拼裝后的鋼拱架應具有整體性，且每榀鋼拱架應保持在同一平面上，并與洞軸線垂直。

3）拱架支撐沿實際開挖輪廓線緊貼開挖面安裝，與圍巖之間的空隙用噴射混凝土充填?？障遁^大部位應以25鋼筋支撐于巖面，再分次噴射混凝土直至充填飽滿。

兩排鋼拱架周邊用鋼筋聯接，形成整體。拱架安裝完成后進行鎖腳錨桿、掛網鋼筋施工。鎖腳錨桿布設方向沿法向或水平向下傾斜，數量按設計要求布設，鎖腳錨桿應注漿并與鋼拱架可靠焊接。鋼筋掛網在加工廠內按設計要求制作完成，掛網安裝時與鋼拱架和連接筋焊接，網片之間同樣需要搭接焊接，搭接時縱橫鋼筋網應對齊，搭接長度不得小于200mm，掛網施工完成后應及時噴混凝土支護。

4）鋼拱架與洞壁設22鎖腳錨桿固定，錨桿布設方向垂直于開挖面，數量為根，錨桿長度L=4.5m;相鄰鋼拱架采用22縱向聯系筋連接，沿斷面均勻布設，間距1m，聯系筋與鋼拱架應可靠焊接。為增強拱架的整體穩定性，要將鋼架和系統錨桿焊接在一起。

5）鋼拱架安裝允許偏差：橫向間距和高程為±50mm，垂直度為±2°。

3.2.3錨桿施工。

（1）鉆孔。

1）錨桿采用YT28手風鉆造孔。

2）孔位按施工圖紙布置，測量控制，并在巖石基礎上做出明顯標識，孔位偏差控制在50mm以內。

3）錨桿鉆孔在自制臺架上進行，按施工圖紙規定的方向鉆孔;系統錨桿的孔軸方向垂直于開挖面;局部加固錨桿的孔軸方向應與可能滑動面的傾向相反，與滑動面的交角應大于45°。

4）鉆孔至設計孔深后，鉆機停止鉆進，直接壓入高壓風進行洗孔，洗孔完成后，進入下一工序。

（2）注漿。

1）注漿管應插到孔底，然后退出50～100mm開始注漿，注漿管隨砂漿的注入緩慢勻速拔出，使孔內填滿砂漿。

2）漿液一經拌和應盡快使用，拌和后超過規范規定使用時間的漿液應予以拋棄。

3）無論因任何原因發生灌漿中斷，應取出灌漿管，并用壓力水在30min內對灌漿孔進行沖洗。

（3）安裝。

1）錨桿孔注滿砂漿后應及時插入錨桿體，插送方向要與孔向一致，插送過程中要適當旋轉（人工扭送或管鉗扭轉）。

2）如果在安裝錨桿時發現鉆孔被部分填塞，應重新打鉆到規定的深度。

3）在砂漿強度達到設計要求之前，不得敲擊、碰撞或牽拉錨桿。

3.2.4掛網施工。

（1）鋼筋掛網在加工廠內制作完成，掛網鋼筋為8鋼筋，網孔尺寸150×150mm。

（2）掛網安裝時與鋼拱架和連接筋焊接，網片之間同樣需要搭接焊接，搭接時縱橫鋼筋網應對齊，搭接長度不得小于200mm。

3.2.4.1噴混凝土。

（1）施工準備。

1）清除開挖面的浮石、石渣和堆積物，處理完成洞室挖除欠挖部分。安設工作平臺，用高壓風水槍沖洗噴面，對遇水易潮解的泥化巖層，采用高壓風清掃巖面。埋設控制噴射砼厚度的標志（可用打入巖石或焊接在網片上的外露鋼筋標示），作業區應具有良好的通風和充足的照明設施。

2）噴射作業前，對施工機械設備，風、水管路和電線等進行全面檢查和試運行。

3）做好掌子面抽排水準備工作。

4）準備好混凝土試塊取樣模具，做好取樣準備工作。

（2）混凝土拌合和運輸。

采用小型運輸車直接運至作業面，采用PZ-6型砼噴射機進行噴砼作業。

（3）噴射混凝土。

1）噴射混凝土要隨開挖及時進行。噴射混凝土時，噴頭與受噴面應垂直，并保持0.6～1.0m的噴射距離，以減少回彈率和粉塵濃度。

2）開始向鋼筋網噴射混凝土時，適當減少噴頭至受噴面的距離，可提高噴射混凝土料流的沖擊力，迫使受噴面上的混凝土擠入鋼筋背面，以保證鋼筋掛網與壁面之間的混凝土充填密實。

3）素噴混凝土一次噴射厚度：摻速凝劑時不超過100mm;不摻速凝劑時不超過70mm。

4）分層噴射時，后一層噴射在前一次噴射混凝土終凝后進行。若終凝1h后再次噴射時，應用風水清洗前一次噴層表面后再進行后一次噴射作業。

5）兩次循環作業的噴射混凝土應有200mm搭接長度，搭接部位的起伏差應控制在允許范圍之內。噴射混凝土表面應平整，其平均起伏差應控制在100mm以內。

（4）養護

在終凝2h后噴水養護，經常保持潮濕狀態，養護時間不少于7d。

3.2.4.2洞內管棚超前支護。

（1）管棚參數。

1）鋼管規格：熱軋無縫鋼管108mm，壁厚6mm，節長為3、6m兩種。

2）間距：環向間距40cm，仰角1°，縱向搭接長度不小于5m，鋼管施工誤差：徑向不大于10cm。

3）隧洞縱向同一橫斷面內的接頭數不大于50%，相鄰鋼管接頭錯開。

（2）管棚施工。

1）管棚工藝流程如下（管棚工藝流程圖見圖5）：

2）為保證洞內管棚操作空間，施做管棚套拱及套拱前一段范圍內擴挖0.5m，擴挖部位二襯時用混凝土進行回填。

3）鉆機鉆孔立軸方向必須準確控制，考慮鉆進中的下垂，鉆孔方向較設計方向上偏1°，鉆孔位置、方向均用測量儀器測定，以保證孔口的孔向正確。每鉆完一孔便頂進一根鋼管。為確保管棚位置，洞內管棚設置不小于2m的導向管，導向管固定在鋼拱架上。

4）管棚注漿采用一次全鉆孔注漿，當巖石破碎裂隙發育時采用前進式注漿，鉆孔一段注漿一段，清孔鉆進后再注漿，一直循環至注漿中孔。巖石裂隙不發育，巖層稍好時采用后退式注漿，一次鉆孔到注漿孔終深，再從孔底利用止漿塞分段壓漿后退至孔口。

5）管棚注漿材料為水泥漿，水泥漿水灰比1：1，注漿壓力：初壓0.5～1.0MPa，終壓2.0MPa，當注漿量達到設計數量或注漿終壓達到2.0MPa而漿液注不進時，再穩壓3～5min即可結束注漿。

6）管棚施工允許偏差應符合下表（管棚施工允許偏差見表4）：

4. 施工期監測

為了解和掌握施工期地層、支護結構與周邊環境的動態變化，明確施工對地層、支護結構和周邊環境的影響程度以及可能產生安全事故的薄弱環節，及時對其安全性做出評估，同時綜合各種信息進行預警和報警，使有關各方有時間及時做出反應，防止事故的發生。施工期要加強對隧洞的監測。監測項目主要包括：洞內外觀察、洞內周邊位移量測、拱頂下沉量測、地表沉降量測等必測項目。

5. 結語

淺埋深輸水隧洞在水利工程中極為普遍，受地質條件、環境等因素的影響，施工中安全風險較大。鄂北項目通過采取合適的開挖方式、支護措施，下穿高速段的隧洞開挖支護施工順利完成，并在后續的襯砌施工中保持穩定，給各相關方上交了一份滿意的答卷。本文就鄂北項目隨岳隧洞下穿施工為例，為類似工程建設提供可鑒經驗。