引洮供水二期主體工程第35標段引水隧洞施工技術(shù)

張永鵬，吳建東

(1.甘肅省水務投資有限責任公司， 甘肅 蘭州 730000; 2.甘肅省水利科學研究院，甘肅 蘭州 730000)

1 工程概況

引洮供水二期主體工程施工第35標段隧洞總長7641m，為1#隧洞洞身及出口段，2#、5#隧洞進出口及洞身段，6#洞進口段。本工程隧洞襯砌采用鋼筋混凝土，隧洞為砂礫巖，砂礫巖強度低，比較分散，所以成巖較差。局部層位含砂量高，遇水易出現(xiàn)流沙，地質(zhì)情況較差，隧洞開挖、支護難度較大。由于地質(zhì)較差，所以在隧洞開挖施工中需要根據(jù)地質(zhì)情況做一些支護措施，以確保施工人員的安全和施工進度。比如采用管棚法、砂漿錨桿法、系統(tǒng)錨桿、型鋼拱架支撐等的使用幾乎貫穿整個隧洞，施工難度大，強度高，對工程進度影響較大。通過分析該工程的地質(zhì)情況可知，該工程1#—6#引水隧洞的開挖與支護是施工的難點，因此本文我們主要介紹對該工程6個引水隧洞的土洞、石洞開挖及支護等措施。

2 隧洞開挖

2.1 土洞開挖

土洞洞壁穩(wěn)定性較差，所以土洞開挖后必須進行支護。該工程土洞開挖后采用骨架護坡法來進行洞身支護。為防止水流對土洞的沖刷，使用排水溝排出水流。洞身采用全斷面一次開挖預留核心土法，持短進尺原則施工。開挖完畢后快速進行初噴、布設錨桿、掛網(wǎng)或鋼支撐的施做等初期支護[1-3]。

2.2 石洞開挖

石質(zhì)洞室采用新奧法施工，采用光面爆破，根據(jù)圍巖地質(zhì)情況選定單循環(huán)進尺。通過噴錨聯(lián)合支護增強圍巖的穩(wěn)定性[2-7]。

(1)炮眼數(shù)目

炮眼數(shù)目的多少直接影響爆破效果，暫按巷道斷面和巖石堅固性系數(shù)估算：

(1)

式中，f—巖石堅固性系數(shù)；S—開挖面積，為7m2；N—炮孔數(shù)目。

(2)炮眼裝藥量

掏槽眼、輔助眼裝藥量分別按下式計算：

Q1=η×L×r=0.6×1.8×1=1.08kg

(2)

Q2=η×L×r=0.6×1.6×1=0.96kg

(3)

式中，η—炮眼裝藥系數(shù)；取η=0.6；L—眼深；r—每m長度炸藥量，r=1kg/m。

(3)炮眼直徑為42mm。

(4)掏槽眼深1.8m、輔助眼深1.6m、底眼深1.6m。

(5)光面爆破參數(shù)

周邊孔間距計算：

a=(10-15)d

(4)

(5)

式中，a—孔間距，mm；m—密集系數(shù)；W—抵抗線，m；d—鉆孔直徑，mm。

光面爆破參數(shù)見表1。

表1 光面爆破參數(shù)

(6)炮眼布置圖

設計炮眼布置圖及爆破參數(shù)如圖1及表2所示。

圖1 圍巖起爆順序及爆破參數(shù)圖

表2 炮孔參數(shù)表

(7)爆破網(wǎng)絡連接

爆破前提前準備好爆破材料。裝填完畢后，使用“簇聯(lián)”法連接爆破線。隧洞鉆孔爆破裝藥示意圖如圖2所示。

3 隧洞支護

3.1 隧洞支護概述

隧洞進口段、洞身段、出口段圍巖為Ⅴ類[8]，分類見表3。

表3 隧洞圍巖分類

針對本工程工程第35標段1#—6#引水隧洞圍巖穩(wěn)定性情況，隧洞開挖期間的臨時支護措施采用柔性支護和剛性支護相結(jié)合的方案。隧洞開挖期間的洞身柔性支護主要使用錨噴支護[2-3，5-7]，具體的施工順序包括混凝土噴射、錨桿安裝及掛鋼筋網(wǎng)。洞身的剛性支護主要指鋼架支護。①超前支護：本工程隧洞洞身開挖期間在頂拱180°的范圍內(nèi)使用超前系統(tǒng)鋼管管棚法進行支護，管棚的環(huán)向間距設置為30cm，長度設置為3m。②錨桿：該隧洞支護使用的錨桿規(guī)格為Φ18水泥基藥卷系統(tǒng)錨桿，錨桿安裝的排距設置為1.0m，錨桿布置為梅花型布置，排距為1.0m。③鋼筋網(wǎng)：拱頂180°范圍Φ6.5@200×200。④拱架：該隧洞支護使用鋼筋規(guī)格為I12鋼架，鋼架的支撐間距設置為0.6m。⑤噴混凝土：混凝土噴射厚度設置為100mm。我們選取錦屏水庫輸水渠1#隧洞襯砌斷面鋼筋圖作為配筋案例，如圖3所示。

3.2 普通錨桿支護

本工程砂漿錨桿支護先按照設計要確定孔位，再鉆孔。鉆孔完畢后。使用高壓水槍沖洗孔洞直至鉆孔流出的水干凈。錨桿的支護先注漿，后插錨桿，砂漿填滿孔洞后，使用鉆機插入錨桿。最后對孔口進行填堵。錨桿埋設完成后，進行洞身掛網(wǎng)支護，現(xiàn)場編制鋼筋掛網(wǎng)，按照3m間距編制縱橫向鋼筋網(wǎng)后，將錨桿與鋼筋網(wǎng)焊接在一起。掛網(wǎng)施工完成后，進行噴混凝土施工，噴射混凝土覆蓋鋼筋網(wǎng)。

圖2 鉆孔爆破裝藥示意圖

圖3 隧洞斷面襯砌配筋圖

3.3 噴射混凝土支護

(1)施工準備

施工前必須先檢查施工機械以確保施工的進度和施工人員的安全問題。噴混凝土前清理豎井表面，使用高壓水槍沖洗壁面，確保表面沒有泥土并埋設判斷混凝土噴射厚度的標志。

(2)噴射混凝土

噴混凝土前清洗噴射面，放置壁面殘留有泥土等，進而影響施工質(zhì)量。清洗完噴射面后，混凝土的噴射自下而上進行。噴完一段后再進行下一塊的噴射，依次進行。為確保混凝土凝結(jié)較好，保證初期強度，混凝土的噴射分次進行。噴射后的混凝土初凝后再進行下一次的噴射作業(yè)。第一次噴射的混凝土達到初凝狀態(tài)可以保證施工質(zhì)量，便于下次噴射施工的進行。每次混凝土的噴射厚度控制在5cm。

隧洞斷面的的鋼筋支護必須按照相關(guān)規(guī)程、規(guī)范與標準的規(guī)定執(zhí)行[10-13]。該隧洞混凝土的強度等級設計為C25，抗凍等級設計為F50，抗?jié)B等級設計為W4。支護鋼筋規(guī)格采用HPB235及HRB400級，混凝土保護層厚度設計為35mm，縫端處20mm。①號鋼筋焊接點每排只能選擇選用焊接點a或b，相鄰2排焊接點錯開布置。②號鋼筋焊接點每排只能選擇選用焊接點c或d，相鄰2排焊接點錯開布置。⑥號、⑦號鋼筋縱向隔排(相對環(huán)向筋)梅花形布置，間距400mm。鋼筋搭接采用焊接。隧洞斷面具體的支護及襯砌如圖4所示。

隧洞Ⅴ類圍巖及土質(zhì)隧洞一次支護完成后，采用監(jiān)控量測措施量測周邊位移及頂拱下沉。進出口加強段的鎖口段、斷層破碎帶及土質(zhì)隧洞等自穩(wěn)性差的洞段，依據(jù)圍巖穩(wěn)定情況，頂拱180°范圍內(nèi)采用超前管棚法施工[11]。通過管棚進行超前注漿加固圍巖，進出口加強段及土洞使用超前管棚，洞段的使用范圍依據(jù)開挖的圍巖狀況確定。

4 隧洞混凝土襯砌

襯砌段隧洞開挖結(jié)束后，由內(nèi)往外后退式先進行底板清理再進行混凝土襯砌。輸水隧洞混凝土襯砌采用簡易拼裝式鋼模臺車。

4.1 洞身巖面及地板清理

襯砌前使用水槍和高壓風清理洞身面的殘渣和塊石。隧洞洞身的殘渣與塊石被清理后還要使用高壓水槍沖洗，避免隧洞表面還有殘留物影響混凝土襯砌質(zhì)量。隧洞清底以100m為一段，提前襯砌施工。采用機械清底渣，輔以人工配合清理底細渣，農(nóng)用三輪車運輸。底板清洗干凈、積水排干后再進行底板干硬性砼施工。

4.2 混凝土澆筑

隧洞襯砌混凝土按照設計要求拌制完成后，進行混凝土入倉澆筑作業(yè)?；炷猎跐仓雮}完成后為使混凝土澆筑均勻、密實，使用振搗器振搗攤平混凝土。在進行混凝土澆筑時控制兩側(cè)混凝土均勻上升，防止出現(xiàn)澆筑不均勻從而影響澆筑質(zhì)量。在側(cè)拱、頂拱使用插入式振搗器振搗混凝土。為避免出現(xiàn)漏振，振搗時將振搗器插入下層混凝土15 cm。為使?jié)仓幕炷僚c巖面緊密結(jié)合，在拱頂采用封拱器。封拱器可以將澆筑的混凝土慢慢壓進洞身壁面，防止出現(xiàn)澆筑不密實、洞身巖面與混凝土接觸不良等現(xiàn)象。各隧洞襯砌主要工程量見表4。

表4 各隧洞襯砌主要工程量 單位：m3

4.3 鉆孔灌漿工程

本工程的鉆孔工程主要包括鉆芯取樣孔、錨桿孔等鉆孔施工。灌漿采用水泥漿。本工程主要涉及的灌漿作業(yè)包括回填灌漿作業(yè)、固結(jié)灌漿作業(yè)和接觸灌漿作業(yè)。灌漿采用同種方式，回填灌漿范圍頂拱120°，間距2～3m，2～3孔/排，梅花型布置。富水及破碎段排水孔加密布置。

圖4 隧洞斷面支護設計圖

5 隧洞開挖應急處理措施

本工程輸水隧洞具有洞線長、圍巖巖性差等特點，地下隧洞施工中遭遇不良工程地質(zhì)問題不可避免，且長距離、較大埋深增大了地質(zhì)問題的復雜性。

5.1 淺埋段及地下塌方處理措施

為防止出現(xiàn)塌方，臨時支護主要采用系統(tǒng)工字鋼、水泥基藥卷系統(tǒng)錨桿、掛網(wǎng)噴C20混凝土，頂拱120°～180°范圍內(nèi)再采用管棚超前支護。

5.2 斷層破碎段處理措施

(1)對一般斷層破碎帶，可采用超前注漿小導管或超前中空注漿錨桿提前對掌子面前方邊、頂拱巖體進行預加固[14]，開挖導洞并采用臨時支護，對隧洞圍巖進行封閉支護，在圍巖變形穩(wěn)定后適時采用對破碎帶進行永久混凝土襯砌。

(2)隧洞開挖一旦穿越巖溶區(qū)時，若該區(qū)處在含水層及地下水暗河，則易引起涌水。一旦隧洞開挖遇見大型斷層破碎帶需要進行止水處理時，一般在距離破碎帶5～8m時，由下而上，由里而外、先無水孔后有水孔的順序?qū)Χ粗車扑閹нM行超前灌漿預加固形成止水層。形成的止水層不僅可以切斷地下水的流動通道。該止水層還可以封閉隧洞斷面的出水口裂縫。阻止水流對巖土的沖刷，從而提高巖體的強度和自穩(wěn)定能力。

(3)在斷層破碎帶噴錨支護結(jié)束時，設置變形監(jiān)測裝置檢測圍巖的變形情況。

6 結(jié)語

本文詳細敘述了對于圍巖穩(wěn)定性差且開挖距離又長的引水隧洞的開挖、支護、襯砌等施工過程。文中詳細描述了新奧法施工中的爆破參數(shù)計算過程以及工程對塌方、斷層破碎帶、地下突涌水現(xiàn)象的應急處理方案。該工程石洞開挖爆破眼、裝藥量等的計算、襯砌支護的設計可為類似工程的開挖爆破、洞身襯砌提供借鑒；結(jié)合工程特點的相應應急處理措施可為復雜地質(zhì)條件的隧洞施工提供一種較為全面具體的施工方案。