水利工程隧洞開挖技術施工工藝探析

周響

中國能源建設集團廣西水電工程局有限公司 廣西 南寧 530000

引言

在進行水利惠民工程建設時，隧洞開挖是其中十分重要的一部分，有著較高的社會價值。相較于其他建設項目而言，水利工程在進行隧洞開挖環(huán)節(jié)，涉及的影響因素較多，如果在開挖作業(yè)或者管理工作上存在不足之處，欠缺信息數據的參考和對照，就容易出現(xiàn)施工質量不達標的問題，導致現(xiàn)場作業(yè)人員面臨人身安全威脅。為此，有關部門在進行隧道開挖施工時，必須要預先確定施工技術的要點，結合相關規(guī)范標準挑選符合要求的工藝，注重現(xiàn)場施工質量的把控，從而更好地滿足不同狀態(tài)下的施工要求。

1 水利工程隧洞開挖施工技術要點

1.1 選擇線路

首先，應結合地質條件選取施工線路，避免選擇地下水豐富、巖層破碎的區(qū)域，以減少開裂塌陷等問題的發(fā)生。同時，在進行線路選擇時，還需要綜合分析巖體的穩(wěn)定性。可以通過地質勘察和工程地質力學分析來評估施工區(qū)域的巖體穩(wěn)定性，對于易發(fā)生滑坡、塌方等問題的地段，應當避免修建隧洞或采取相應的加固措施，以確保施工過程的安全可靠。采用短直線路設計原則，可以有效減少工程量和工程造價，并提高施工效率[1]。可以通過充分利用地質條件，選擇合適的隧洞走向和交點位置，優(yōu)化地形和地貌的利用，避免長距離的曲線段，合理布置隧洞的曲率半徑，進而實現(xiàn)線路的最短化。

1.2 開挖作業(yè)

①全斷面開挖，其操作流程相對簡單。工程人員需要先采用爆破設備實行爆破作業(yè)，將巖石炸碎。接下來，使用挖掘設備實行挖掘作業(yè)，將破碎的巖石清理出隧道。在挖掘的同時，根據圍巖的具體狀況，工程人員需進行襯砌和支護作業(yè)，以確保隧洞的穩(wěn)定性和安全性。此技術適用于圍巖較好、穩(wěn)定性較高的條件，存在迅速且高效的優(yōu)勢，可以大大縮短開挖時間，提高施工效果。施工人員可采取分層挖掘技術實行開挖工作，基于分層挖掘，工程人員可以有序地實行施工，并且在爆破處理、通風散煙完畢之后清理挖除臺階上的雜物，以確保隧洞的整潔和安全。②導洞開挖，其主要特點是先在平洞斷面上開挖小斷面，然后根據設計方案逐步做好整個斷面的開挖工作。相比于全斷面開挖，此種方式具有更高的靈活性和適應性。在導洞開挖過程中，工程人員可根據實際狀況進行排水、地質處理及其他必要的施工準備工作，以確保開挖質量和穩(wěn)定性。一般情況下，該技術適用于復雜地質的隧洞開挖場景，其可確保開挖工作的穩(wěn)定安全和質量，并且相對于全斷面開挖，導洞開挖更加安全，不易發(fā)生質量和安全問題[2]。

1.3 錨桿支護施工技術

其原理是通過將桿柱固定在地表巖體事先鉆好的孔洞中，以實現(xiàn)圍巖和穩(wěn)定巖體的結合，從而達成支護的目標。這種方法廣泛應用于隧道、地下礦山和地下工程等領域。根據隧洞的開挖方法和圍巖質量的不同，錨桿支護方式也會有所差異。在圍巖質量較為良好的情況下，可選擇在錨桿外部張掛鋼筋網片，并實行砼噴射來加固支護。而對于圍巖較差或斷面不穩(wěn)定的情況，便要采用隨機錨桿或者是超前錨桿進行支護處理。這些錨桿具有特殊的構造，可以通過黏結作用將圍巖與穩(wěn)定巖體緊密結合，產生懸吊效果、組合梁效果或補強效果。

1.4 鉆孔灌漿施工技術

在隧洞開挖作業(yè)中，為了防止隧洞漏水，需要進行灌漿作業(yè)。通過鉆孔并采取回填、固結等方式進行灌漿，可以填補隧洞周圍的空隙，增強地層的密實性和穩(wěn)定性。頂拱回填灌漿時通常要劃分出多個區(qū)段，確保每個區(qū)段之間的距離在45m左右。在灌漿期間，需要嚴格控制灌漿壓力，并在回填灌漿結束之后進行固結灌漿，但固結灌漿的間隔時間應控制在7～14d之間。此外，固結灌漿孔通常使用梅花型布設，并按照孔序編號進行灌漿作業(yè)。

1.5 混凝土襯砌施工技術

該技術主要用于避免圍巖變形或者是坍塌。在施工前，需要進行詳細勘測，了解圍巖的屬性，以便更好地進行砼襯砌施工。當輸水隧洞周圍位移速率逐漸放慢，并且水平收斂和拱頂位移速度滿足砼襯砌的要求時，可以開始進行襯砌施工。在施工過程中，需要連續(xù)澆筑砼，首先實行底板的澆筑，然后開展頂板和拱頂的施工處理。襯砌施工的關鍵是保證支護表面沒有明顯的裂縫，以確保支護結構的穩(wěn)定性和完整性[3]。

2 實例分析

2.1 工程概述

菲律賓新百年水源-卡利瓦大壩項目輸水系統(tǒng)中的隧洞為有壓隧洞，全長約21.9km，施工期間難以避免的會遭遇斷層破碎帶、巖溶段、突發(fā)涌水段等，因此必須要落實不良地質洞段超前地質預報工作，并編制處理預案，該隧道按照開挖方式，主要包括了鉆爆法與TBM開挖隧洞。

2.2 鉆爆法開挖隧洞洞段

2.2.1 巖溶洞段。結合詳細勘察結果，確定隧洞樁號0+433～0+733段和1+776～1+801段為巖溶發(fā)育段，可采取下述處理方式：首先，對于較小的溶洞，可以使用砂漿回填和噴錨支護的方式進行處理。其次，略大的溶洞可以使用砼回填的方式填充洞穴，并結合鋼拱架與噴錨支護技術來提供額外的支撐力。最后，對于巨大的溶洞，由于其規(guī)模較大且復雜，需要按照實際開挖情況編制專項方案。較常使用的處理方式包括跨越法與局部改線法。

2.2.2 地下暗河洞段。結合勘察結果，樁號0+541（鉆孔YZK04），有可能是正在發(fā)育的地下暗河，需采取下述處理措施：首先需要清除淤積物，將洞穴內的堆積物清除，將巖石表面予以露出。接著，可以采用混凝土回填的方式，將洞底填充至一定高程，并利用抽水設備將洞內水充分排出，以保持洞內的干燥狀態(tài)。最后，需要進行隧洞的砼襯砌和灌漿工作，以增加洞壁的強度和穩(wěn)定性[4]。

2.2.3 斷層破碎帶。結合勘察結果，采取鉆爆法的隧道段穿越了F201-203、F205、F222等多個斷層，其中F205斷層影響帶最大，約有50m。這些斷層的存在給隧道施工帶來了困難和挑戰(zhàn)，因為在遇到斷層破碎帶時，圍巖有可能會發(fā)生坍塌，甚至導致停工和人員意外受傷的風險。為了應對這一問題，需要采取一系列的處理方法。首先，在隧道上半拱部分，可以使用超前小導管注漿的方式進行支護。對于沒有地下水的地段，可以使用水泥注漿進行加固，而對于存在地下水的地段，則需要使用化學注漿的方式進行處理。其次，在隧道開挖過程中，每一次只開挖0.5到1m長度，并且還需設置鋼拱支護與噴射砼來增強整體結構的穩(wěn)定性。再次，如果隧道工作面遇到較大的水壓，則需要進行鉆孔排水，同時利用水泵將水排出。最后，需要實行隧道的襯砌、回填與固結灌漿等工作，以進一步鞏固隧道的穩(wěn)定性。

在整個施工階段，結合現(xiàn)場及周邊的水文地質條件，需要及時調節(jié)支護參數，以確保隧道在穿越斷層破碎帶時能夠得到充分的支撐和加固。并且，要密切監(jiān)測施工期間不良地質區(qū)域的變形情況，結合監(jiān)測信息，及時采取有效的措施，以應對潛在的風險。此外，還要及時記錄和調查隧道揭露的地質現(xiàn)象，為后續(xù)的工程建設提供重要的參考依據。

2.3 TBM開挖洞段

2.3.1 巖溶洞段。分析勘察結果可知，隧洞樁號5+100～5+200段及14+633～14+883段為巖溶發(fā)育段。結合施工經驗可知，若巖溶規(guī)模比較小，則掘進機能夠順利通行，而若是規(guī)模比較大，則必須要停機加以處理。

（1）針對較小與稍大的溶洞，并且隧道掘進機能夠順利通行的情況，可以采取豆粒石回填的方法來處理。首先進行回填灌漿，將豆粒石填充到溶洞中，并進行固結灌漿，以達成施工目標[5]。

（2）對于已經不再發(fā)育的小型溶洞，當隧道掘進機推進3～5m后，需要將設備停止運行，并將其退回到溶洞邊緣位置進行處理。針對原先有護盾提供支撐作用的坍落與溶洞充填物，可以選擇部分或者完全清除。如果選擇完全清除，可以使用砌石、豆粒石或者砼等灌注性較好的材料實行回填，并進行壓漿加固。如果只對部分進行清除，便可以先使用格柵拱架結合噴射砼等方法，后續(xù)再實行回填和壓漿加固。當隧道掘進機完全通過之后，需要利用管片回填孔對溶洞段實行灌漿處理，并且要支設錨桿來保證穩(wěn)定。

（3）對于處于隧道底板下方的局部充填溶洞，可以結合超前鉆探報告來判斷處理方式。如果溶洞的邊界和隧道底板間距未超過洞徑的1倍，則可以選擇完全或者是部分清理充填物。可以使用豆粒石或混凝土來對溶洞的頂板進行支頂加固，或者可以先實行注漿加固。待隧道掘進機通過之后，需要利用管片回填孔對溶洞段實行高壓固結灌漿，并且要支設錨桿。如果充填溶洞在隧道洞徑的1倍到2倍范圍內，就需要在掘進機通過以后進行灌漿加固。

（4）針對有進行充填處理且規(guī)模較大的溶洞，需要在掘進機中安裝超前鉆探儀器，以實現(xiàn)對全洞超前注漿處理，這樣可以防止掘進機通過時充填物發(fā)生塌落或者下沉的情況。待隧道掘進機經過之后，同樣需要利用管片回填孔對溶洞段實行灌漿加固，并且要支設錨桿，確保溶洞的穩(wěn)定。

（5）對于空的或者有進行少量充填且規(guī)模較大的溶洞，加固流程較為復雜。如果具備建基條件，可以考慮采用梁、拱、橋型基礎設置渡槽、箱涵等措施來跨越溶洞。如果地質條件非常復雜，其他方式較難取得理想的處理效果時，可以考慮局部改線避開溶洞，以確保隧道的順利施工。

2.3.2 斷層破碎帶。結合勘察結果，TBM開挖隧洞穿越斷層時，F(xiàn)207和F223影響帶相對較大，大約在100m左右。為保證施工安全性，具體可采取下述措施。

（1）軟弱地帶TBM下沉處理。當發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)嚴重下沉的軟弱地帶時，可以先經過預注漿加固處理之后，再進行掘進操作。如果TBM在掘進過程出現(xiàn)下沉現(xiàn)象，應及時將其后退至斷層軟弱區(qū)之外，并安裝枕木對TBM實行姿態(tài)調整。隨后，可以澆筑砼以替代軟弱地帶，等到砼結構處于一定強度之后，方可繼續(xù)推進工作。

（2）涌水處理。在開始掘進之前，可以通過進行超前鉆孔來探測出水量和水壓涌水點的位置。如果發(fā)現(xiàn)水量較小且已經建立了有效的排水系統(tǒng)，可以繼續(xù)進行掘進工作；但如果水量比較大或者水壓沒有減少的跡象，就需要先采取注漿堵水等處理措施，再繼續(xù)掘進。在掘進過程中，也要及時將工作面上的涌水有效排除，并實施回填灌漿工作。對于水壓比較高或水量太大的情況，需要使用更加專業(yè)的注漿堵水等方法加以處理。

（3）卡機。如果卡機是由于盾體位置的坍塌導致其摩擦力太大，應當將周邊的坍塌物充分清理干凈；若是刀盤被卡住，便應當采取開挖通道的方式來有效清理刀盤。在施工過程中，還應當結合實際狀況制定專門的施工計劃，對于斷層F207和F223等有較大影響范圍的情況，應當重點落實超前地質預測工作，并采取相應的措施來確保施工作業(yè)的安全進行。

3 結束語

綜上可知，隧洞屬于水利工程中十分重要的一環(huán)，其施工質量關系到整個工程是否能夠正常使用，更關乎現(xiàn)場作業(yè)人員的人身安全。在進行隧洞開挖作業(yè)時，應當重視對相關開挖技術的使用，同時結合開挖環(huán)節(jié)有可能發(fā)生的問題，制定對應的質量控制策略，以此為工作人員以及施工質量帶來充分保障，并進一步促進國內水利事業(yè)的健康發(fā)展。