失陷性黃土地區(qū)小斷面輸水隧洞施工技術(shù)

席剛盈

(陜西省桃曲坡水庫管理局，陜西 銅川727031)

1 概述

桃曲坡水庫灌區(qū)南支渠與岔口連通工程地處富平縣梅家坪鎮(zhèn)以北，西起劉家坡村北的210國道東側(cè)南支渠7+556.1處，東至岔口村以北的石川河，全長3.2km。工程設(shè)計流量4.0 m3/s，校核流量 5.0 m3/s，由渠首進(jìn)水閘、明涵、隧洞等三部分組成。隧洞段全長2.4 km，平均埋深28 m，設(shè)計比降i=1/400，2.0×2.0 m 城門洞型斷面，C20砼襯砌。隧洞洞身地層主要為第四系松散堆積物，屬于自重失陷性黃土地質(zhì)條件，失陷等級為Ⅳ級(很嚴(yán)重)。

2 工程項目的特點及難點

1)進(jìn)口分水閘及隧洞出口(位于石川河)施工受灌溉季節(jié)影響較大，必須將分水閘和出口隧洞涵洞段的施工安排在非灌溉及枯水季節(jié)，確保灌區(qū)灌溉不受影響。

2)隧洞斷面較小，且洞身有彎道三處、較大陡坡及消力池兩處，施工難度較大。

3)隧洞洞線穿越失陷性黃土地區(qū)，失陷等級Ⅳ，對隧洞的抗?jié)B漏要求較高，施工安全隱患較大。

4)由于本過程基本上為土質(zhì)隧洞，需要人工開挖，對勞力的選擇性較大，施工工期較長。

5)沿洞線共有陡坡兩處，彎道三處，對測量的技術(shù)要求較高。

6)洞內(nèi)有坡度為i=1/8、i=1/10陡坡兩處，且單向最遠(yuǎn)通風(fēng)均超過500 m，通風(fēng)運輸壓力較大。

3 主要施工工藝及施工步驟

3.1 施工原則和總體安排

1)隧洞工程共開6個工作面，即隧洞進(jìn)口、1#措施井上下游兩個工作面、2#措施井上下游兩個工作面、出口工作面，以確保工程每日進(jìn)度。

2)隧洞進(jìn)口段及絕大部分洞身施工采用全斷面人工開挖，隧洞出口段200 m屬巖石段，采用鉆爆法全斷面開挖。

3)因為隧洞絕大部分洞身處于失陷性黃土地區(qū)，盡管不受地下水位的影響，但在施工中應(yīng)管理好施工用水，防止雨水或施工用水漫流。

4)在施工中應(yīng)遵循“短掘進(jìn)、少擾動、強支護(hù)、嚴(yán)治水、勤測量”的施工原則，緊湊施工工序，精心組織施工。

5)在施工過程中應(yīng)做好黃土構(gòu)造節(jié)理的產(chǎn)狀與分布狀況的調(diào)查，對因節(jié)理切割而造成坍塌的，在施工時應(yīng)加強支護(hù)措施，防止坍塌，保證施工安全。

6)隧洞進(jìn)口洞門施工盡量避開雨季，爭取早日安排施工。在洞口段襯砌10～20 m后，視地質(zhì)情況及時按正常循環(huán)組織正洞施工。

3.2 隧洞測量

隧洞測量分洞內(nèi)及洞外測量，在測量工作開展前，先行做好隧洞工程測量設(shè)計，估算預(yù)期的誤差，確定導(dǎo)線施測的等級，確定洞外小三角控制網(wǎng)點、洞內(nèi)支線點及高程點，以保證洞室開挖軸線的正確，即貫通精度符合設(shè)計要求。

在隧洞對內(nèi)的直線段，采用紅外線對中指向儀，不僅使洞內(nèi)測量工作任務(wù)量減小，而且可以直觀指導(dǎo)作業(yè)面開挖斷面的控制。

3.2.1 洞外控制測量

導(dǎo)線各水平角用全站儀GTS-311全測回法分別觀測左角兩測回，導(dǎo)線邊長使用全站儀往返對向觀測2個測回。根據(jù)測定的導(dǎo)線，設(shè)定洞口投點。洞外高程控制測量根據(jù)水準(zhǔn)點，分別在進(jìn)出口附近采用二等高程控制測量精度要求引設(shè)兩個水準(zhǔn)點。采用水準(zhǔn)儀多次往返引測，全站儀復(fù)測，進(jìn)口、出口水準(zhǔn)聯(lián)測。

3.2.2 洞內(nèi)測量

洞內(nèi)測量分平面控制測量及水準(zhǔn)、施工測量。

A.平面控制測量在未貫通前都是支導(dǎo)線。該隧道長度為大于1 000 m，基本上由三段直線隧洞，采用中線支導(dǎo)線控制進(jìn)行平面控制測量，導(dǎo)線點用全站儀定出，角度觀測2個測回，測角中誤差要求小于2.5″。

洞內(nèi)平面控制測量注意事項:

a.每次建立新點，都必須檢測前一舊點，確認(rèn)舊點沒有發(fā)生位移，才能發(fā)展新點。

b.導(dǎo)線應(yīng)盡量布設(shè)在避免施工干擾、穩(wěn)固可靠地段;導(dǎo)線邊以接近等長為宜，一般直線地段不宜短于200 m，曲線地段不宜短于70 m。

c.邊長丈量，用鋼尺丈量時，鋼尺需經(jīng)過檢定，當(dāng)時用全站儀時，應(yīng)注意洞內(nèi)排煙和漏水地段的測量狀況。

d.洞內(nèi)導(dǎo)線點，用全站儀測設(shè)，標(biāo)志頂點應(yīng)比洞內(nèi)地面低20～30 cm，上面加設(shè)堅固覆蓋，然后填平地面，注意覆蓋不要和標(biāo)志頂點接觸，避免洞內(nèi)運輸或施工的碰撞。鋪底時應(yīng)用全站儀加以恢復(fù)，改用永久性鋼筋樁布設(shè)。

B.洞內(nèi)水準(zhǔn)測量，將洞外水準(zhǔn)點的高程引到洞內(nèi)，作為洞內(nèi)高程控制的基礎(chǔ)，作為隧洞施工放樣的依據(jù)，以保證隧道在豎向正確貫通。

a.在隧洞貫通之前，洞內(nèi)水準(zhǔn)點的延伸采用往返對向、多次觀測進(jìn)行檢測。

b.在洞內(nèi)每隔200 m至500 m設(shè)立一個永久水準(zhǔn)點。為施工便利，應(yīng)在導(dǎo)坑內(nèi)拱部邊墻上每50 m設(shè)立一個臨時水準(zhǔn)點。

c.水準(zhǔn)儀到標(biāo)尺的距離不宜超過50 m，標(biāo)尺可直接立于導(dǎo)線點上。

d.因洞內(nèi)施工干擾較大，可采用掛尺傳遞高程，高差計算公式仍用hab=a-b，但對于零端在頂上時，讀數(shù)應(yīng)為負(fù)值。

C.洞內(nèi)施工測量

a.施工中線測量。

永久性中線點用全站儀測設(shè)，直線上每100 m一個、曲線上每50 m一個;臨時中線點用經(jīng)緯儀測設(shè)，直線上每20 m一個、曲線上每10 m一個，掘進(jìn)襯砌延伸中線點用經(jīng)緯儀每10 m加密一個，曲線上采用長弦支距法串線加密，直線上直接串線加密。

b.施工水準(zhǔn)測量。

施工水準(zhǔn)測量，采用水準(zhǔn)儀每10 m加設(shè)一個臨時水準(zhǔn)點，掘進(jìn)采用水準(zhǔn)管抬設(shè)加密。

c.斷面輪廓的測設(shè)。

斷面輪廓的測設(shè)采用串線設(shè)定，高程采用水準(zhǔn)管設(shè)定，輪廓線采用布點聯(lián)線設(shè)定。

3.3 隧洞施工

3.3.1 隧洞施工總體施工程流程

洞挖土方采用人工開挖和裝渣運輸，洞挖石方采用人工鉆爆開挖，人工裝渣。

隧洞總體施工流程圖。

3.3.2 洞內(nèi)通風(fēng)

根據(jù)施工設(shè)計手冊及檢索到的國內(nèi)小斷面隧洞施工經(jīng)驗，施工洞、井內(nèi)的最低風(fēng)速不小于0.15 m/s，工作面附近的最小風(fēng)速不低于0.25 m/s，隧洞、豎井工作面最大風(fēng)速為4 m/s?？紤]到本次隧洞施工以人工開挖為主，除隧洞出口段為人工鉆爆需要排煙外，其它區(qū)段只需要考慮運輸通風(fēng)排煙的情況，因此本次隧洞開挖方式擬采用壓入式通風(fēng)方式，采用軸流式通風(fēng)機，風(fēng)機功率11 kW。輸風(fēng)管選用DN300塑料柔性風(fēng)管。塑料風(fēng)管采用法蘭連接，解決接頭氣密性差、阻力大等問題，100 m漏風(fēng)量控制在不超過10%。風(fēng)管布置在隧洞開挖附加斷面上。

另外由于本工程隧洞埋深較淺，在施工過程中也可采用在隧洞頂部鉆孔輔助通風(fēng)的方式，進(jìn)一步促進(jìn)隧洞內(nèi)的空氣流通，保證施工期間洞內(nèi)空氣暢通。本工程沿線布置DN600豎向通風(fēng)孔16處，通風(fēng)孔之間間距根據(jù)現(xiàn)場地形條件為120～200 m。豎井通風(fēng)孔與機械強制通風(fēng)相結(jié)合，有效解決了隧洞長距離通風(fēng)的不足問題，而且局部可以實現(xiàn)隧洞內(nèi)的自然通風(fēng)，減少了風(fēng)機的開啟時間，大大降低了施工成本。

隧洞橫斷面布置圖見圖1。

圖1 隧洞通風(fēng)平面示意圖

3.3.3 供電與照明布置

洞內(nèi)供電為380V電源，布設(shè)與隧洞一側(cè)，僅供作業(yè)面照明及砼澆筑時機械動力。隧洞照明，采用36 V安全電壓，沿洞身一側(cè)邊墻直線敷設(shè)，每隔5 m安裝36 V低壓燈泡用于照明。

3.3.4 隧洞洞身施工

1)洞身開挖:由于該隧洞斷面較小，大型機械用不上，所以只能采用人工開挖形式。人工開挖用二齒鈀較日常作業(yè)工具略有改進(jìn)，開挖時先下后上分層開挖，作業(yè)熟練后每作業(yè)班組平均進(jìn)度可保持1.2 m。

2)裝渣運輸:采用人工裝渣、農(nóng)用小三輪車運輸為主。在陡坡段施工運輸時采用小型卷揚機牽引輔助運輸。

3)清底:在整個斷面開挖時應(yīng)嚴(yán)格控制超欠挖，及時清底到位。

圖2 隧洞通風(fēng)平面示意圖

4)隧洞支護(hù):在本工程實際施工過程中，考慮到失陷性黃土在開挖完成后很快在掌子面出現(xiàn)的塌幫、頂部掉塊等現(xiàn)象(開挖后3～5 d即開始)，我們及時調(diào)整作業(yè)工序，采用邊挖邊襯砌的方式，始終保持土洞開挖掌子面距砼襯砌面距離不超過10 m，有效減少了隧洞的二次支護(hù)，確保了作業(yè)安全。

對于洞內(nèi)消力池的施工，因開挖斷面超過3.5m高度，采用現(xiàn)消力池部分開挖，完成消力池砼工程后二次回填至隧洞底高程，之后開始正常隧洞施工。雖然這樣會對對進(jìn)度產(chǎn)生一點影響，但施工安全問題卻得到了很好的解決，也是對工程整個進(jìn)度的一個促進(jìn)。

圖3 隧洞通風(fēng)斷面示意圖

5)砼襯砌

a.模版的安裝:根據(jù)隧洞斷面型式，為保證澆筑質(zhì)量，本過程模版選用鋼制定型模板，模板長度為1.0 m。直墻部位采用平面模板，模板寬度為40 cm鋼制模板拼裝，在起拱部分采用定型弧度模版，模板寬度為40 cm。選擇較短長度分層澆筑，可以滿足洞頂砼回填厚度，確保工程質(zhì)量。

b.洞身襯砌砼應(yīng)連續(xù)灌筑，盡可能做到不間歇施工，在砼澆筑期間加強振搗，特別應(yīng)注意拱角及拱頂部分的砼澆筑。洞室超挖部分用與襯砌砼同強度的砼灌筑回填。澆筑的砼在拆模后表面應(yīng)無裂縫、蜂窩、漏振現(xiàn)象，其密實度及強度的檢測可采用砼回彈儀進(jìn)行強度檢查、砼試件塊抽檢。為保證砼澆筑質(zhì)量和人工作業(yè)強度、運輸能力等，本工程砼一次澆筑長度為5.0 m。

4 工程施工改進(jìn)效果

1)人工全斷面開挖雖然在當(dāng)時現(xiàn)場條件下是不得已的選擇，但人工開挖在工作面較為靈活，且好的作業(yè)習(xí)慣容易培養(yǎng)，易形成良性的作業(yè)循環(huán)，日進(jìn)尺穩(wěn)定，影響及干擾較少，整個項目的工期能夠保證。

2)掌握了失陷性黃土地質(zhì)的特點，采用邊挖邊襯的作業(yè)形式，確保了工程施工安全。

3)采用豎井通風(fēng)和機械壓入式通風(fēng)結(jié)合的方式，提高了隧洞施工過程中的通風(fēng)效率，確保了掌子面作業(yè)有序進(jìn)行，對隧洞供電容量的要求大大降低，節(jié)約了工程成本。

4)砼連續(xù)澆筑過程中合理分段，模板1.0 m分節(jié)，使?jié)仓r間縮短，且能保證拱頂?shù)幕靥詈穸?，確保了澆筑質(zhì)量。

通過以上主要作業(yè)工序的合理安排及改進(jìn)調(diào)整，是的本項目在實際施工過程中能始終保持安全、進(jìn)度穩(wěn)定、現(xiàn)場管理便捷等特點，有效降低了工程施工成本，使項目提前6個月順利完成，為濕陷性黃土地區(qū)淺埋深隧洞施工積累了經(jīng)驗。