水工隧洞施工中綠色環(huán)保型洞口布設(shè)

石鐵帥，于洪懿

(遼寧省水資源管理集團，遼寧 沈陽 110000)

遼寧省重點輸水工程由水源工程和輸水工程組成，其中輸水工程分為一期工程和二期工程。輸水線路總長1208.18km，其中隧洞長531.56km，管線長675.14km，暗涵與明渠長1.48km。隧洞開挖方式采取TBM和鉆爆法兩種，成洞洞徑最大8.5m，最小4.2m，包括有壓隧洞和無壓隧洞兩種型式。隧洞總長占輸水線路總長的44%，所占比例較大，除布設(shè)主洞洞口外，從施工需要、運行管理等方面考慮，還需布設(shè)施工支洞[1]，本工程共布123個洞口，其中主洞洞口44個，支洞洞口79個。洞口數(shù)量大、地形地貌變化多端、永久征地困難等因素客觀存在，二期工程柴河供水所有洞口總結(jié)前期施工經(jīng)驗，逐個洞口現(xiàn)場研究，切實做到盡量少開挖，保留原有樹木和植被，采取多種防護形式，保證安全施工作業(yè)。

1 工程概況

遼寧省重點輸水工程柴河水庫供水支線工程位于沈陽市沈北新區(qū)和鐵嶺市鐵嶺縣境內(nèi)，共分為4個施工標段，線路全長50.11km，全部為有壓隧洞。隧洞按供水對象分為三段，第一段為沈鐵共用段，線路全長24.59km；第二段為鐵嶺新城區(qū)供水支線，線路全長7.56km；第三段為沈北新區(qū)及沈陽北部地區(qū)供水支線，線路全長17.96km。柴河供水工程設(shè)計輸水流量13.67m3/s，多年平均調(diào)水量為3.456億m3。隧洞采用鉆爆法開挖，開挖斷面為圓拱斜墻形，開挖洞徑4.245m(底寬)×5.2m(高)，成洞斷面為圓形D=3.9m，圍巖襯砌混凝土厚度30～50cm，襯砌混凝土性能指標為C35 W12 F150。本工程同時包含取水首部工程、分水點事故檢修閘門井工程、鐵嶺新城區(qū)支線出口閥井工程、沈北新區(qū)出口閥井工程。

柴河供水主體工程共布置16條施工支洞，總長度為11.58km，其中1- 2#、1- 9#、2- 2#、2- 5#、3- 1#為永久支洞。其中最長的支洞為1- 3#支洞，長度為1.27km；最短的支洞為1- 5#支洞(凡河)，長度為0.40km。柴河供水工程主要巖性為白云巖、板巖、白云質(zhì)灰?guī)r、石英砂巖等，其中Ⅲ類圍巖長度為32687.92m，占施工總長度的65.39%，Ⅳ類圍巖長度為11937m，占施工總長度的23.88%，Ⅴ類圍巖長度為5367.2m，占施工總長度的10.73%。

2 綠色環(huán)保型支洞布設(shè)理念

長距離輸水隧洞施工過程中，尤其是全程采用鉆爆法開挖的輸水隧洞常常因受工期限制或其他因素的影響，采用施工支洞來增加工作面，將隧道分割成幾個段，形成“長隧短做”，以加快施工速度，改善施工條件[3]。

2.1 保護生態(tài)環(huán)境

設(shè)置施工支洞需要選擇合適的洞口，每個施工支洞口均需建設(shè)施工營區(qū)、拌合站、骨料堆存廠、鋼筋加工廠、洞口周圍還需建設(shè)渣場等工作場地，每個支洞周圍均需占用大面積的耕地、林地、道路等各式各樣的地類，對于周圍生態(tài)環(huán)境的破壞和影響很大，工程建設(shè)與生態(tài)環(huán)境保護的矛盾顯得特別突出[4]。

2.2 保證施工需要

單純從工程投資來確定隧洞的施工支洞，自然是越少越好，但是隧洞設(shè)置施工支洞時，支洞的數(shù)目及長度應(yīng)根據(jù)地形地質(zhì)條件、對外交通情況、支洞間的隧洞工程量、方便出渣及工期要求等，通過技術(shù)經(jīng)濟比較確定，要從工程工期及建設(shè)經(jīng)濟效益考慮，施工支洞能充分配合隧洞的施工，形成緊密的聯(lián)系，因此在一定程度上有利于施工。

2.3 確保安全作業(yè)

在工程建設(shè)當中布置施工支洞首先滿足工程能順利進行，與工程建設(shè)同樣重要的是保護周圍原始地貌及地類的一種現(xiàn)代化建設(shè)理念，很多情況下雖然我們工程建設(shè)的初衷不是想大面積破壞周圍環(huán)境，但我們在工程建設(shè)過程當中能通過設(shè)計、施工、管理通過一系列措施去避免或減少對周圍環(huán)境的影響是我們在工程建設(shè)當中實實在在能做到的。

2.4 保護生態(tài)環(huán)境和利于施工有機結(jié)合

在支洞布置和洞口布設(shè)時要把保護生態(tài)環(huán)境、保證施工需要、確保安全作業(yè)，還有減少工程投資等方面互相結(jié)合起來，不能只顧及某一個方面，而忽視其它方面，要互為結(jié)合和補充，形成統(tǒng)一的完整體。

3 施工支洞布置原則

3.1 施工支洞布置原則

(1)在綜合考慮地形地質(zhì)條件的情況下，水工隧洞洞線布置必須考慮施工要求，兩項工作要協(xié)調(diào)進行，充分結(jié)合水工隧洞洞線與地形的關(guān)系，進行施工支洞布置。必須結(jié)合現(xiàn)場地形條件，考慮施工交通的方便性、經(jīng)濟性及施工通風(fēng)條件等因素，力求施工支洞最經(jīng)濟[5]。

(2)在沿引水隧洞軸線方向上盡可能均勻的布置各施工支洞，通過施工支洞來平衡各段的施工工作量。受各種因素的限制，在施工支洞布置過程中應(yīng)該盡量縮短控制性引水隧洞洞段的長度，縮短工程的控制性(直線)工期，達到加快工程進度的目的。

(3)施工支洞布置應(yīng)考慮隧洞開挖的施工程序及開挖方法。在施工程序中主要有開挖及襯砌兩項內(nèi)容。對于整個隧洞來說，如何合理安排各個部位開挖和襯砌之間的順序，以及開挖和襯砌本身的順序，對于避免施工干擾，保證施工安全，加快施工速度具有重要的意義。

(4)施工支洞布置應(yīng)考慮機械化程度。如果機械化程度低，隧洞施工需要的人力相應(yīng)增加，那么隧洞內(nèi)的施工條件就相應(yīng)要求很高，這就對施工輔助設(shè)備提出了更高的要求，也限制了施工支洞的間距。如果施工機械化程度高，開挖進尺大，施工進度快，在滿足施工條件的前提下，就可以減少施工支洞的數(shù)量，提高工程的效益。

3.2 施工支洞布置

施工支洞布置時應(yīng)考慮因素主要包括盡可能使各工作面承擔的工作量一致；主要交通運輸干線通向支洞口的運輸線路工程量要??；保證良好通風(fēng)，出碴距離不長；支洞線最短，洞線地質(zhì)條件較好，洞口巖體穩(wěn)定，明挖量較??；支洞口有棄碴場地和臨建布置條件；洞口不受洪水影響。

4 支洞布置及洞口位置選擇

根據(jù)地形地質(zhì)條件、主洞布置、工程量、施工期限、施工方法及機械化程度等具體情況，同時考慮支洞的支護型式、運輸方式、運輸強度和運距等條件，全程共布置16條施工支洞，總長度為11.58km，為工程運行期間檢修需要，將1- 2#、1- 9#、2- 2#、2- 5#、3- 1#設(shè)置為永久支洞。柴河供水施工支洞均布置為平支洞，其中1- 2#支洞最大坡度為14.09%。各支洞口位置距離國、省干路較近，對外交通便利，支洞口與外界交通路聯(lián)通通暢，多數(shù)利用已有鄉(xiāng)、村道路，進行適當加寬路面整修即可，新修道路長度較短，不僅減少了在道路設(shè)施上投入的人力、財力，同時減少了修建道路設(shè)施而破壞的耕地、林地，降低了工程對當?shù)丨h(huán)境的影響，其中1- 1#支洞需要新建道路1077m，雖然1- 1#支洞為臨時支洞，但此段路為取水頭部永久進場路設(shè)計區(qū)間，將此段路與1- 1#進場路相結(jié)合不僅有效的改善了1- 1#支洞的交通條件，避免了施工期間對村民的生活干擾，同樣2- 2#、2- 5#支洞為永久支洞，永、臨結(jié)合的道路布置形式，降低了工程投資。通過實踐，柴河供水工程支洞的合理布置及洞口位置的恰當選擇，充分利用現(xiàn)有道路資源，既滿足了工程需要，又將工程對周圍環(huán)境的影響降到最低，同時降低了工程造價。

5 施工支洞洞口形式分類及布置

由于柴河供水工程本身地形地貌較為復(fù)雜，地質(zhì)條件較差，同時受工期、施工條件等制約，以及礦產(chǎn)壓覆、軍事管理區(qū)等客觀條件的影響，支洞口位置地形多種多樣，根據(jù)各洞口的地形、地貌條件，將16條施工支洞洞口分為緩坡土洞式洞口、巖石陡邊坡式洞口、平坦河灘地深基坑式洞口、巖、土結(jié)合緩邊坡式洞口4類。

5.1 緩坡土洞式洞口

2- 1#、2- 2#、2- 5#、2- 6#、3- 2#支洞口坡腳均為耕地，洞頂以上為林地，植被茂盛，山體坡度較緩，現(xiàn)場實際開挖揭露均為第四系全新統(tǒng)坡積黏土、粉質(zhì)黏土，穩(wěn)定程度較差，故歸類為緩坡土洞式洞口。如采用明挖開槽，并滿足范規(guī)定的1.5倍洞徑覆土厚度的情況下，由于各洞口處上坡坡度較緩，明挖開槽長度將大大增加，同時粉質(zhì)粘土的開挖邊坡為1∶1.25，開槽的上開口寬度較大，因此勢必造成較大規(guī)模土方明挖，造成大量植被的破壞，有違環(huán)保綠色型支洞布置理念。為此，提出明洞暗挖的施工方法，即先做明洞，后開挖明洞內(nèi)土體。此施工方法不僅降低洞臉處的邊坡開挖高度，縮短明挖開槽的長度，并減少對土體的卸荷擾動，保證洞段土體的自然穩(wěn)定，同時考慮到土洞的洞挖可用反鏟等機械設(shè)備開挖，無需爆破，對土體震動很小，因此擬定當空口覆土達到1.5m時，即可開始進洞。

5.2 巖石陡邊坡式洞口

1- 3#、1- 4#、1- 7#洞口位置山坡坡度較陡，高度較高，能夠保證洞頂足夠的覆蓋層厚度，進洞條件較好，歸類為巖石陡邊坡洞口。洞口為高邊坡巖石洞口，綜合進洞條件較好，但由于山體坡度較陡，且高度較高，其中1- 3#洞口坡頂位置局部突出，形成小范圍反坡。巖石條件下進洞通過爆破進行開挖，會引起山體的震動，雖然通過先進行欲裂爆破等手段，可減輕對山體的擾動，但仍然存在石塊塌落的風(fēng)險，由于山坡坡面較陡，三個洞口上坡坡比接近1∶0.75，其中1- 4#支洞山坡體坡度更大，因此如按照常規(guī)做法對山體進行削坡，并結(jié)合噴錨支護形式進行支護，需要對洞口以上大面積山坡進行支護，此舉不僅造成原山坡大面積的植被破壞，同時后期山體的恢復(fù)將非常困難。如此會對現(xiàn)場環(huán)境造成無法挽回的惡性破壞。為此，結(jié)合現(xiàn)場的實際情況，考慮以上三個高邊坡巖石洞口山坡坡體形成時間較長，已達到自穩(wěn)能力，施工過程中應(yīng)充分利用這一點，以減少支護范圍。并通過控制爆破強度的方法，減少對山體的擾動。根據(jù)以上設(shè)計思路的指導(dǎo)，制定洞臉部位的防護方案。

5.3 平坦河灘地深基坑式洞口

1- 5#支洞口位置為耕地和草坪種植區(qū)，地勢平坦，且位于位于汎河右側(cè)200m左右，同時根據(jù)地質(zhì)勘測情況，地基巖性為砂卵礫石，為進洞安全，洞頂覆土必須滿足規(guī)范規(guī)定的1.5倍洞徑(7.5m)，由于洞口位置頂面平坦，因此洞口開挖形成深基坑，故歸結(jié)為平坦河灘地深基坑洞口。因為洞口位置臨近汎河，地下水位較高，為做基坑開挖的防水工作，在開挖基坑的外圍2m處設(shè)置擺噴帷幕，通過高噴灌漿，及噴具的噴嘴擺動，在砂卵礫石層中形成防滲墻，達到防滲的目的。為保證防滲效果，應(yīng)嚴格控制鉆孔深度，鉆孔深度為入巖1m。

5.4 巖土結(jié)合緩邊坡式洞口

除以上洞口分類外，剩余的洞口歸類為巖、土結(jié)合緩邊坡洞口，此類洞口處上坡坡度一般較緩，洞臉上部存在一定厚度的坡積、殘積黏土夾碎石，下部問強風(fēng)化巖，受地形及風(fēng)化不均勻影響，接觸面有一定起伏變化，上部坡積、殘積土厚度局部變化較大，圍巖類別均為Ⅴ類。洞臉開挖方面，與緩坡土洞式洞口相似，巖、土結(jié)合緩邊坡式洞口山坡坡度大部分較緩，如果按照規(guī)范規(guī)定的1.5倍洞徑覆蓋層厚度要求進洞的情況下，需要開挖較長的溝槽，才能達到規(guī)范的要求?？紤]以上洞口的地質(zhì)條件，下部雖然為巖石，但全部為強風(fēng)化巖，且風(fēng)化程度較高，開挖時，可利用機械設(shè)備進行開挖，不需要爆破。因此為減少開槽長度，當洞頂覆蓋層厚度達到2m時，即可以開始進洞，洞臉處開挖坡比取1∶0.75，結(jié)合噴錨支護，保證安全。

6 結(jié)語

通過遼寧省重點輸水工程柴河供水支線工程施工支洞布置和綠色環(huán)保型洞口布設(shè)的實踐，累計減少占地4.8畝，優(yōu)化后占地面積為按照規(guī)范設(shè)計占地面積的50.0%，形成了四種不同類型洞口的洞口布置形式，針對不同的地質(zhì)條件，總結(jié)其特點，綜合考量、協(xié)調(diào)布置，制定經(jīng)濟合理的進洞方案，在保證安全、經(jīng)濟、可靠的前提下，實現(xiàn)了綠色環(huán)保型支洞布置理念。