淺埋深輸水隧洞特殊洞段開挖施工安全技術(shù)

童暢 梅楊楊

【摘要】水利工程的發(fā)展對我國社會(huì)主義建設(shè)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(nóng)業(yè)用水的穩(wěn)定性和長久性。隧洞施工技術(shù)是水利工程建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，輸水隧洞的安全發(fā)展對水利工程建設(shè)至關(guān)重要。在水利工程建設(shè)中，隧洞施工常受到地質(zhì)條件、環(huán)境等因素的影響導(dǎo)致施工困難，對隧洞施工而言，初期支護(hù)是確保施工質(zhì)量及安全的先決條件。本文以鄂北地區(qū)水資源配置工程2016年第7標(biāo)段施工項(xiàng)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(shù)。

【關(guān)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(qū)水資源配置工程2016年第7標(biāo)段施工項(xiàng)目位于湖北省隨州市隨縣，本工程隨岳隧洞樁號(hào)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(qiáng)風(fēng)化～弱風(fēng)化狀，地下水活動(dòng)輕微，上覆巖體厚 30m 左右，巖體完整性較差，圍巖極不穩(wěn)定。設(shè)計(jì)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(jù)現(xiàn)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(hào)182+206～182+232，特殊洞段樁號(hào)（交叉影響段）182+190～182+280，高速公路交叉段樁號(hào)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(wǎng)的重要組成部分。隨岳隧洞下穿施工社會(huì)影響大，安全問題得到了建設(shè)方、高速公路相關(guān)方（省交通運(yùn)輸廳高速公路管理局等）等各方的重點(diǎn)關(guān)注。

2. 特殊洞段開挖設(shè)計(jì)

隨岳隧洞為巖石洞段，設(shè)計(jì)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(hù)砼0.25m+襯砌砼厚度0.6m。設(shè)計(jì)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(tài)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(hù)方式。

（1）全斷面鋼拱架支護(hù)，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(cè)墻掛8鋼筋網(wǎng)（150×150mm）。

（4）頂拱和側(cè)墻范圍內(nèi)設(shè)22系統(tǒng)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(nèi)設(shè)108mm管棚注漿鋼管，環(huán)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(hù)圖1如下：

（7）開挖支護(hù)循環(huán)進(jìn)尺見表1。

3. 洞室開挖支護(hù)施工

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

3.1開挖施工。

3.1.1靜態(tài)破碎設(shè)計(jì)參數(shù)。

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

（2）洞內(nèi)石方開挖根據(jù)實(shí)際圍巖及靜態(tài)破碎效果及時(shí)優(yōu)化調(diào)整參數(shù)，擬定參數(shù)詳見表2。

3.1.2施工工藝。

3.1.3施工準(zhǔn)備。

調(diào)試好施工設(shè)備，布置好風(fēng)、水、電線路，清理運(yùn)輸?shù)缆罚ＷC運(yùn)渣路線暢通，技術(shù)員做好技術(shù)交底。

3.1.4施工測量。

施工測量采用在鑒定有效期內(nèi)的全站儀進(jìn)行施工測量，測量斷面直線段每10m設(shè)一個(gè)測量斷面，使用激光準(zhǔn)直儀控制開挖輪廓。每個(gè)月進(jìn)行一次隧洞軸線高程和斷面復(fù)核測量，保證施工測量質(zhì)量。

3.1.5超前支護(hù)。

高速公路影響段開挖前先進(jìn)行管棚支護(hù)施工，先支護(hù)后進(jìn)行開挖。

3.1.6鉆孔。

鉆孔采用YT28型氣腿式鑿巖機(jī)，由熟練的風(fēng)鉆技工嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖進(jìn)行鉆孔作業(yè)。各鉆手分區(qū)、分部位定人定位施鉆，實(shí)行鉆手作業(yè)質(zhì)量經(jīng)濟(jì)責(zé)任制。每排孔按“平、直、齊”的要求進(jìn)行控制。鉆眼完成后，由技術(shù)員按破碎孔布置圖進(jìn)行檢查并做好記錄，有不符合要求的破碎孔應(yīng)重新進(jìn)行鉆孔。鉆孔完成后，還應(yīng)用高壓風(fēng)將孔內(nèi)余水和余渣吹洗干凈，保證鉆孔孔內(nèi)和孔旁潔凈。對于開挖掌子面不穩(wěn)定的情況，可采取噴射混凝土封閉掌子面后再進(jìn)行鉆孔作業(yè)。

3.1.7破碎劑施工。

3.1.7.1準(zhǔn)備工作。

（1）根據(jù)當(dāng)?shù)貧鉁?、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(zhǔn)備好以下材料物品：1）藥劑;2）高強(qiáng)長纖維紙袋;3）潔凈水;4）水桶、拌和盆;5）捅棍;6）防護(hù)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(nèi)溫度在5～15℃之間，根據(jù)《無聲破碎劑》（JC 506-2008）規(guī)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(qiáng)長纖維紙袋裝入藥劑，一次拌合按4min裝藥需要的藥卷數(shù)量（從藥劑加入拌合水到灌裝結(jié)束，這個(gè)過程的時(shí)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(shí)，取出藥卷從孔底開始逐條裝入并用捅棍捅緊，密實(shí)地裝填到孔口，裝藥順序?yàn)橛上轮辽戏謪^(qū)進(jìn)行，為防止裝藥過程中發(fā)生沖孔現(xiàn)象，在拌合水中加入抑制劑，延長藥劑前期反應(yīng)時(shí)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(xiàng)。

（1）無關(guān)人員不得進(jìn)入施工現(xiàn)場。

（2）整個(gè)灌裝過程必須使用佩戴防護(hù)眼鏡（防塵防沖擊型PVC護(hù)目鏡）。施工人員未戴防護(hù)眼鏡操作屬安全違章。發(fā)生沖孔是正常現(xiàn)象，是不可預(yù)見和不可完全控制的，沖孔時(shí)藥劑溫度較高且有腐蝕性，沖入眼內(nèi)可能會(huì)對角膜造成嚴(yán)重?fù)p害。沖孔產(chǎn)生的原因較多，大致有以下幾種：

1）操作人員操作不當(dāng)。包括藥劑已經(jīng)發(fā)熱冒氣仍在灌裝等，裝填不密實(shí)有空氣隔層等;

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

鉆頭選用不當(dāng)，鉆孔直徑過大等。

因此，為避免發(fā)生沖孔，就應(yīng)對以上原因進(jìn)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(yuǎn)離裝灌點(diǎn)。觀察裂隙發(fā)展情況時(shí)應(yīng)更加小心。此外施工現(xiàn)場應(yīng)專門備好清水和毛巾，沖孔時(shí)如藥劑進(jìn)入眼內(nèi)和皮膚上，應(yīng)立即用清水沖洗，情況嚴(yán)重者立即送醫(yī)院清洗治療。

（4）在破碎工程施工中需要改變和控制反應(yīng)時(shí)間，必須依照廠家規(guī)定加入廠家生產(chǎn)或提供的抑制劑和促發(fā)劑，并按廠家的要求配制使用，嚴(yán)禁擅自在破碎劑中加入其他任何化學(xué)物品。

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

破碎劑運(yùn)輸和存放中應(yīng)防潮。開封后請立即使用。如一次未使用完，應(yīng)立即緊扎袋口，需用時(shí)再開封。

3.1.8破碎劑膨脹開裂。

藥劑反應(yīng)的快慢與溫度有直接的關(guān)系，溫度越高，反應(yīng)時(shí)間越快，反之則慢。本工程隧道內(nèi)溫度一般控制在10℃～25℃左右，藥劑反應(yīng)時(shí)間較慢，大約為30h。

3.1.9液壓錘和鑿巖機(jī)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(jìn)行破碎，同時(shí)為保證隧洞的周邊輪廓成型效果，周邊采用鑿巖機(jī)破碎。

3.1.10出渣、清底。

破碎后的洞渣采用裝載機(jī)裝運(yùn)至10t自卸汽車后直接運(yùn)輸至洞外指定棄渣場棄渣。

3.2支護(hù)施工。

3.2.1施工工藝流程圖（隨岳隧洞支護(hù)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(jìn)行制作，在型鋼加工廠按照1：1尺寸進(jìn)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(yīng)具有整體性，且每榀鋼拱架應(yīng)保持在同一平面上，并與洞軸線垂直。

3）拱架支撐沿實(shí)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(yīng)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(lián)接，形成整體。拱架安裝完成后進(jìn)行鎖腳錨桿、掛網(wǎng)鋼筋施工。鎖腳錨桿布設(shè)方向沿法向或水平向下傾斜，數(shù)量按設(shè)計(jì)要求布設(shè)，鎖腳錨桿應(yīng)注漿并與鋼拱架可靠焊接。鋼筋掛網(wǎng)在加工廠內(nèi)按設(shè)計(jì)要求制作完成，掛網(wǎng)安裝時(shí)與鋼拱架和連接筋焊接，網(wǎng)片之間同樣需要搭接焊接，搭接時(shí)縱橫鋼筋網(wǎng)應(yīng)對齊，搭接長度不得小于200mm，掛網(wǎng)施工完成后應(yīng)及時(shí)噴混凝土支護(hù)。

4）鋼拱架與洞壁設(shè)22鎖腳錨桿固定，錨桿布設(shè)方向垂直于開挖面，數(shù)量為根，錨桿長度L=4.5m;相鄰鋼拱架采用22縱向聯(lián)系筋連接，沿?cái)嗝婢鶆虿荚O(shè)，間距1m，聯(lián)系筋與鋼拱架應(yīng)可靠焊接。為增強(qiáng)拱架的整體穩(wěn)定性，要將鋼架和系統(tǒng)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(fēng)鉆造孔。

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

3）錨桿鉆孔在自制臺(tái)架上進(jìn)行，按施工圖紙規(guī)定的方向鉆孔;系統(tǒng)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(yīng)與可能滑動(dòng)面的傾向相反，與滑動(dòng)面的交角應(yīng)大于45°。

4）鉆孔至設(shè)計(jì)孔深后，鉆機(jī)停止鉆進(jìn)，直接壓入高壓風(fēng)進(jìn)行洗孔，洗孔完成后，進(jìn)入下一工序。

（2）注漿。

1）注漿管應(yīng)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(nèi)填滿砂漿。

2）漿液一經(jīng)拌和應(yīng)盡快使用，拌和后超過規(guī)范規(guī)定使用時(shí)間的漿液應(yīng)予以拋棄。

3）無論因任何原因發(fā)生灌漿中斷，應(yīng)取出灌漿管，并用壓力水在30min內(nèi)對灌漿孔進(jìn)行沖洗。

（3）安裝。

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

2）如果在安裝錨桿時(shí)發(fā)現(xiàn)鉆孔被部分填塞，應(yīng)重新打鉆到規(guī)定的深度。

3）在砂漿強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求之前，不得敲擊、碰撞或牽拉錨桿。

3.2.4掛網(wǎng)施工。

（1）鋼筋掛網(wǎng)在加工廠內(nèi)制作完成，掛網(wǎng)鋼筋為8鋼筋，網(wǎng)孔尺寸150×150mm。

（2）掛網(wǎng)安裝時(shí)與鋼拱架和連接筋焊接，網(wǎng)片之間同樣需要搭接焊接，搭接時(shí)縱橫鋼筋網(wǎng)應(yīng)對齊，搭接長度不得小于200mm。

3.2.4.1噴混凝土。

（1）施工準(zhǔn)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(shè)工作平臺(tái)，用高壓風(fēng)水槍沖洗噴面，對遇水易潮解的泥化巖層，采用高壓風(fēng)清掃巖面。埋設(shè)控制噴射砼厚度的標(biāo)志（可用打入巖石或焊接在網(wǎng)片上的外露鋼筋標(biāo)示），作業(yè)區(qū)應(yīng)具有良好的通風(fēng)和充足的照明設(shè)施。

2）噴射作業(yè)前，對施工機(jī)械設(shè)備，風(fēng)、水管路和電線等進(jìn)行全面檢查和試運(yùn)行。

3）做好掌子面抽排水準(zhǔn)備工作。

4）準(zhǔn)備好混凝土試塊取樣模具，做好取樣準(zhǔn)備工作。

（2）混凝土拌合和運(yùn)輸。

采用小型運(yùn)輸車直接運(yùn)至作業(yè)面，采用PZ-6型砼噴射機(jī)進(jìn)行噴砼作業(yè)。

（3）噴射混凝土。

1）噴射混凝土要隨開挖及時(shí)進(jìn)行。噴射混凝土?xí)r，噴頭與受噴面應(yīng)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(wǎng)噴射混凝土?xí)r，適當(dāng)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(wǎng)與壁面之間的混凝土充填密實(shí)。

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

4）分層噴射時(shí)，后一層噴射在前一次噴射混凝土終凝后進(jìn)行。若終凝1h后再次噴射時(shí)，應(yīng)用風(fēng)水清洗前一次噴層表面后再進(jìn)行后一次噴射作業(yè)。

5）兩次循環(huán)作業(yè)的噴射混凝土應(yīng)有200mm搭接長度，搭接部位的起伏差應(yīng)控制在允許范圍之內(nèi)。噴射混凝土表面應(yīng)平整，其平均起伏差應(yīng)控制在100mm以內(nèi)。

（4）養(yǎng)護(hù)

在終凝2h后噴水養(yǎng)護(hù)，經(jīng)常保持潮濕狀態(tài)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于7d。

3.2.4.2洞內(nèi)管棚超前支護(hù)。

（1）管棚參數(shù)。

1）鋼管規(guī)格：熱軋無縫鋼管108mm，壁厚6mm，節(jié)長為3、6m兩種。

2）間距：環(huán)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(nèi)的接頭數(shù)不大于50%，相鄰鋼管接頭錯(cuò)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(nèi)管棚操作空間，施做管棚套拱及套拱前一段范圍內(nèi)擴(kuò)挖0.5m，擴(kuò)挖部位二襯時(shí)用混凝土進(jìn)行回填。

3）鉆機(jī)鉆孔立軸方向必須準(zhǔn)確控制，考慮鉆進(jìn)中的下垂，鉆孔方向較設(shè)計(jì)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(jìn)一根鋼管。為確保管棚位置，洞內(nèi)管棚設(shè)置不小于2m的導(dǎo)向管，導(dǎo)向管固定在鋼拱架上。

4）管棚注漿采用一次全鉆孔注漿，當(dāng)巖石破碎裂隙發(fā)育時(shí)采用前進(jìn)式注漿，鉆孔一段注漿一段，清孔鉆進(jìn)后再注漿，一直循環(huán)至注漿中孔。巖石裂隙不發(fā)育，巖層稍好時(shí)采用后退式注漿，一次鉆孔到注漿孔終深，再從孔底利用止?jié){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(dāng)注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)數(shù)量或注漿終壓達(dá)到2.0MPa而漿液注不進(jìn)時(shí)，再穩(wěn)壓3～5min即可結(jié)束注漿。

6）管棚施工允許偏差應(yīng)符合下表（管棚施工允許偏差見表4）：

4. 施工期監(jiān)測

為了解和掌握施工期地層、支護(hù)結(jié)構(gòu)與周邊環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化，明確施工對地層、支護(hù)結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境的影響程度以及可能產(chǎn)生安全事故的薄弱環(huán)節(jié)，及時(shí)對其安全性做出評估，同時(shí)綜合各種信息進(jìn)行預(yù)警和報(bào)警，使有關(guān)各方有時(shí)間及時(shí)做出反應(yīng)，防止事故的發(fā)生。施工期要加強(qiáng)對隧洞的監(jiān)測。監(jiān)測項(xiàng)目主要包括：洞內(nèi)外觀察、洞內(nèi)周邊位移量測、拱頂下沉量測、地表沉降量測等必測項(xiàng)目。

5. 結(jié)語

淺埋深輸水隧洞在水利工程中極為普遍，受地質(zhì)條件、環(huán)境等因素的影響，施工中安全風(fēng)險(xiǎn)較大。鄂北項(xiàng)目通過采取合適的開挖方式、支護(hù)措施，下穿高速段的隧洞開挖支護(hù)施工順利完成，并在后續(xù)的襯砌施工中保持穩(wěn)定，給各相關(guān)方上交了一份滿意的答卷。本文就鄂北項(xiàng)目隨岳隧洞下穿施工為例，為類似工程建設(shè)提供可鑒經(jīng)驗(yàn)。