水工隧洞交叉洞段布置及其施工控制探析

許方安 王麗麗 陳國勛

(1.溫州市水利建設管理中心，浙江 溫州 325000；2.溫州市水旱災害防御中心，浙江 溫州 325000)

新建水工隧洞線路與周邊已建交通隧道、引輸水隧洞等其他地下建筑物臨近或交叉布置時，由于施工爆破振動、地下水滲透、地質(zhì)薄弱層等因素，可能會相互影響相互干擾[1]，甚至產(chǎn)生安全隱患。因此，存在上述情況時，在隧洞設計和施工階段需高度重視，合理布置線路，優(yōu)化隧洞斷面，完善開挖方案[2]，加強支護和監(jiān)測[3]，以策安全。平陽南湖分洪工程南、北線分洪隧洞倒虹吸段先后下穿白巖寨公路隧道、小型灌溉隧洞和平陽引供水隧洞，具有開挖斷面大(最大開挖洞徑15.5m)，與臨近交叉洞段距離近，施工技術難度高、安全風險大等特點，本文以其北線分洪隧洞倒虹吸段下穿已建平陽引供水工程4號引水隧洞為例，對其交叉布置及施工控制要點進行探析，以供參鑒。

1 工程簡況

平陽縣南湖分洪工程位于水頭鎮(zhèn)，是鰲江流域治理的重要組成部分，其建設內(nèi)容為進口分洪閘、分洪隧洞、施工支洞及補償工程。其中，分洪隧洞2條，北線分洪隧洞長6.563km，南線分洪隧洞長6.538km，含上游無壓段、倒虹吸段和下游無壓段，襯后洞寬14m，設計最大分洪流量均為410m3/s。

北線分洪隧洞在樁號ND1+524～ND3+609處設倒虹吸段，倒虹吸段總長2085m，斷面形式為城門洞形，襯后尺寸14m×11m(寬度×高度)，底高程由4.71m漸變至-11.50m，再由-11.50m漸變至2.66m。倒虹吸段在樁號ND2+980處與已建平陽引供水工程4號引水隧洞相交(見圖1)，4號引水隧洞斷面為城門洞形，凈寬3.0m，邊墻凈高1.1m，頂為三心拱，凈斷面面積3.636m2，為有壓隧洞。

圖1 倒虹吸段下穿4號引水隧洞三維縱剖面

該工程所在區(qū)域為低山丘陵—沿海沖洪積、沖海積平原交互地帶，受燕山晚期花崗巖侵入侏羅系上統(tǒng)西山頭組熔結凝灰?guī)r地質(zhì)構造作用影響，北線分洪隧洞倒虹吸與4號引水隧洞交叉段圍巖完整性較差。據(jù)與4號引水隧洞交叉段地質(zhì)編錄結果，該段揭露壓性斷層，上下盤各有一條擠壓滑動帶，寬分別為20cm和15cm，充填高嶺土和斷層泥，斷層中間為強烈高嶺土化破碎帶，滴水，局部塌方高1.7m，交叉段巖體類別預計為Ⅲ～Ⅳ類。

2 交叉段布置

北線分洪隧洞倒虹吸下穿4號引水隧洞交叉段，在方案設計時重點考慮以下方面：一是要確保4號引水隧洞的結構安全，施工期間不影響其正常輸水；二是要確保本工程分洪隧洞的結構安全；三是要盡量減少影響范圍、影響程度和影響時間，快速安全通過。

從平面投影分析，分洪隧洞倒虹吸段與4號引水隧洞夾角越大，相應倒虹吸段施工影響長度越短，快速安全穿過越有利。該工程擬定了直線穿越方案(方案一)和曲線穿越方案(方案二)，南北線倒虹吸段共同進行布置比較分析(見圖2)。

a.方案一(直線方案)。方案一南北倒虹吸交叉段可比線路總長約1.2km，在已建4號引水隧洞下方約13m處穿過，兩隧洞軸線夾角為11.3°，隧洞圍巖類別預計為Ⅲ～Ⅳ類。

b.方案二(曲線方案)。方案二南北倒虹吸段線路經(jīng)過兩次偏轉，中間直線段與已建4號引水隧洞夾角為40.0°，倒虹吸交叉段可比線路總長1.28km，在已建4號引水隧洞下方約13m處穿過，隧洞圍巖類別預計為Ⅲ～Ⅳ類。

圖2 倒虹吸段下穿4號引水隧洞方案平面布置

兩個方案比較情況見表1。

表1 倒虹吸下穿4號引水隧洞段比選方案比較

通過上述比較，方案一水力條件好，施工條件好，工程可比投資比方案二小，雖然與已建引供水隧洞軸線夾角較小，需要控制爆破施工的隧洞長度更長，但該段不是直線工期的控制段，對整體工期無影響。本段通過控制爆破、加強支護、滲漏灌漿和監(jiān)測等工程措施，可將對已建4號引水隧洞正常運行影響程度降到最低，故推薦方案一。

3 施工控制

北線分洪隧洞倒虹吸下穿4號引水隧洞交叉段開挖斷面大(開挖洞徑15.5m)，大斷面隧洞開挖后具有應力重分布不利、底腳處應力集中、拱頂不穩(wěn)定、松弛地壓較大以及支護結構承載力相對較小等力學特點，施工技術難度較大；且施工期間4號引水隧洞不間斷通水，兩者垂直距離12.95m，施工干擾較大，容易因爆破振動引起裂隙貫穿，甚至出現(xiàn)坍塌、突水等風險，存在一定的施工安全隱患。

為此，該工程結合地質(zhì)情況，綜合考慮安全、進度、投資等因素，采取“超前探測、預注漿、短進尺、弱爆破、強支護、重監(jiān)測”的施工方案，確保了施工安全。

3.1 超前地質(zhì)預報

通過超前地質(zhì)預報[4]，了解和判斷掌子面前方一定距離內(nèi)不良地質(zhì)的性質(zhì)、位置、寬度和影響隧洞的長度，提前判斷地下水情況、圍巖類別及對施工的影響，從而為避免工程地質(zhì)災害、降低施工風險及保證施工安全提供扎實的基礎資料。

交叉段主要采取地質(zhì)雷達探測、TSP預報和紅外探水預報方式進行超前地質(zhì)預報，其中，地質(zhì)雷達預報和紅外探水預報每25m一循環(huán)，TSP預報共開展2次。根據(jù)超前地質(zhì)預報結果，該段巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體相對較破碎，圍巖以Ⅲ類偏差為主，局部Ⅳ類，局部含裂隙水，施工過程中需加強支護。

3.2 超前預注漿

超前預注漿作用主要是止水和加固圍巖[5]。通過注漿使?jié){液對圍巖進行擠密、劈裂和填充，提高圍巖的承載和自穩(wěn)能力，并將地下水有效地封堵在開挖輪廓線以外位置，使得圍巖的透水量減小，保證正常施工。

為應對可能出現(xiàn)的山體裂隙貫穿，造成施工或運行期4號引水隧洞內(nèi)水外滲，該交叉段在地質(zhì)超前預報和超前鉆孔分析判定基礎上，對Ⅳ類及更差圍巖進行短距離超前預注漿處理，預注漿材料采用疏水性聚氨酯溶液，注漿斷面排距2.5m，每排16孔，孔深4.0m，按照“止水灌漿4m+開挖2m”的循環(huán)工序施工。

3.3 洞室開挖施工

北線交叉段與4號引水隧洞距離近，開挖斷面大，爆破開挖存在一定的安全風險，為確保施工安全，堅持“弱爆破、短進尺、強支護、早封閉、勤監(jiān)測”的原則，并根據(jù)爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)，優(yōu)化爆破參數(shù)，以減小爆破振動影響。

為此，對交叉段針對性地編制爆破開挖施工方案，采用導洞超前(超前控制在10m內(nèi))、分段毫秒(半秒)延時微差爆破工藝及限制單段爆破最大用藥量等措施。每循環(huán)進尺1.0m，開挖方量170m3，炸藥單耗0.365kg/m3，單段最大齊爆藥量控制在6.0kg。開挖爆破布孔情況見圖3。

圖3 交叉段開挖爆破布孔(單位：m)

為確保4號引水隧洞安全，隧洞爆破振動采用薩氏公式驗算：

R=(K/V)1/αQ1/3

式中：K、α為地質(zhì)地形條件系數(shù)，根據(jù)工程地勘報告，K值取200，α值取1.8；Q為一次齊爆的最大藥量，實際為5.9kg；R為爆點與保護對象距離，交叉段下穿4號引水隧洞凈距12.95m；V為爆破安全允許振速，cm/s。

該工程隧洞爆破f>50Hz，保護對象為水工隧洞，爆破安全允許振速V取10cm/s。經(jīng)驗算，V=9.1cm/s，振速小于質(zhì)點安全允許振速，交叉段爆破振動對4號引水隧洞影響可控。

隧洞開挖遵循新奧法原理施工，光面爆破，非電毫秒雷管起爆，乳化炸藥爆破；圍巖穩(wěn)定較差時，支護緊跟掌子面；出渣采用反鏟挖掘機配合裝載機裝渣，自卸汽車運輸。

3.4 初期支護

針對交叉段的地質(zhì)條件，初期支護采用柔性支護和剛性支護兩種措施。柔性支護主要為錨噴支護，包括錨桿(含砂漿錨桿、自進式中空注漿錨桿及超前注漿小導管)、掛鋼筋網(wǎng)及噴混凝土；剛性支護主要為鋼拱架支護。

其中，自進式中空注漿錨桿利用風動鑿巖機安裝連接套與錨桿連接，錨桿鉆孔完成后與風動鑿巖機脫離，同時錨桿留置在孔中，在安裝好止?jié){塞及排氣管后，采用錨桿專用的螺桿式注漿泵往中空錨桿內(nèi)壓注漿液，注漿壓力為1.2MPa。超前注漿小導管在現(xiàn)場加工，鋼管前端呈尖錐狀、尾部焊接φ6加勁環(huán)，管壁四周按20cm間距鉆φ6壓漿孔，梅花形布置，尾部1m不設壓漿孔；注漿小導管采用風動鑿巖機鉆孔，鉆孔完成后利用鉆機的頂推力將小導管推送入孔中，然后進行安裝排氣管、封孔等施工，同時在小導管管口安裝注漿球閥；注漿由兩側對稱向中間進行，自下而上逐孔注漿，注漿壓力由小到大，初始注漿壓力0.2～0.3MPa，終止壓力1.0～1.5MPa。型鋼拱架在初噴后架立，排距間距加密至0.5m，同榀鋼拱架兩底角位置采用同等材質(zhì)的型鋼連通，以保障拱腳穩(wěn)固，使型鋼拱架封閉成環(huán)，保障型鋼拱架承載力。

3.5 安全監(jiān)測

分洪隧洞交叉段施工是全線的重難點部位，也是監(jiān)測工作的重點。隧洞交叉段施工期安全監(jiān)測內(nèi)容主要包括收斂變形、拱頂下沉、鋼拱架應變、錨桿應力、爆破振動等項目[6]。

根據(jù)北線隧洞下穿開挖過程監(jiān)測結果，隧洞最大周邊收斂累計值為2.8mm，拱頂沉降為1.9mm，小于設計控制值15mm；最大鋼拱架應變累計值為ND2+970右拱肩部位197.71MPa，小于設計控制值211MPa；最大錨桿應力累計值為ND2+970左拱腰部位40.16kN，小于設計控制值84kN；爆破最大質(zhì)點振速5.92cm/s，未超規(guī)范允許值10.0cm/s；上述監(jiān)測指標表明交叉段爆破開挖符合預期安全目標。

4 結 語

平陽南湖分洪工程北線分洪隧洞倒虹吸段下穿平陽引供水工程4號引水隧洞交叉段，施工期間在4號引水隧洞不間斷通水的條件下，通過優(yōu)化交叉線路布置，合理制定爆破開挖方案，強化開挖斷面支護，加強地質(zhì)預報和安全監(jiān)測等措施，確保了倒虹吸交叉洞段施工安全，對類似工程有一定的參考價值。