山區(qū)長(zhǎng)距離小斷面引水隧洞施工技術(shù)研究

1 引言

在長(zhǎng)距離、復(fù)雜地形、地質(zhì)條件下引水隧洞作為一種主要的輸水建筑物被廣泛使用[1-5]。 目前，關(guān)于長(zhǎng)距離小斷面引水隧洞的研究多集中于預(yù)先支護(hù)設(shè)計(jì)預(yù)警、配筋計(jì)算[6-8]、支護(hù)方案優(yōu)化等處置問題[9-11]，對(duì)于整體開挖的綜合方案，沒有統(tǒng)一的、概括性的研究定論。 以長(zhǎng)距離、小斷面引水隧洞施工為研究對(duì)象，對(duì)于施工中普遍存在的操作空間狹窄、工作面小、單頭掘進(jìn)工作效率低等問題，以及施工中可能出現(xiàn)的塌方、突泥涌水等工程災(zāi)害預(yù)防進(jìn)行有針對(duì)性的分析，可有效保證工程的施工及后期運(yùn)營(yíng)安全；同時(shí)，可以為小斷面長(zhǎng)距離隧洞施工技術(shù)的發(fā)展提供一定借鑒，同條件、同類型水工隧洞的施工提供參考。

2 工程概況

畢大供水2 標(biāo)段由王家壩隧洞及山家寨輸水管道組成。王家壩隧洞樁號(hào)為10+400~19+559，全長(zhǎng)9.16 km。

2.1 工程地質(zhì)

王家壩隧洞區(qū)主要為三疊系下統(tǒng)至二疊系地層， 線路走向與巖層近于直交。 地層巖性主要有砂巖、泥巖、泥晶灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖、鈣質(zhì)泥巖夾泥灰?guī)r。

2.2 隧洞結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及難點(diǎn)

工程難點(diǎn)1：小斷面的工程開挖空間受到局限，不能采用大型機(jī)械或快速爆破等擾動(dòng)過大的措施， 只能采用人工開鑿與小爆破多循環(huán)的施工方式，減緩了施工進(jìn)度；難點(diǎn)2：長(zhǎng)隧洞對(duì)渣體的運(yùn)送增加了阻礙，只能在支洞口進(jìn)行擴(kuò)寬，減少大型機(jī)械與掌子面的運(yùn)送距離；難點(diǎn)3：隧洞的坡向進(jìn)深逐漸向下，面臨更高的涌水壓力，隨著工程進(jìn)度的進(jìn)展，隧洞的涌水風(fēng)險(xiǎn)也在逐漸增加，只能采用多級(jí)抽排的方式實(shí)現(xiàn)。

3 王家壩隧洞小斷面隧洞施工

3.1 施工方案

按照“新奧法”原理組織隧洞施工，并根據(jù)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)和不同圍巖級(jí)別及周邊環(huán)境選擇相應(yīng)的施工工法， 按全標(biāo)段嚴(yán)格控制工期，采取平行流水作業(yè)法施工。

3.1.1 施工工序

首先采用風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)鉆孔，全斷面法光面爆破開挖，楔形掏槽，非電毫秒雷管微差起爆。 爆破后，采用立爪式裝巖機(jī)裝渣，農(nóng)用車無軌運(yùn)輸，絞車牽引礦車有軌運(yùn)輸方式出渣。 出渣結(jié)束后進(jìn)行支護(hù)施作： 初期支護(hù)錨桿鉆孔采用風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)鉆孔，人工安裝錨桿，砂漿泵注漿；鋼筋網(wǎng)在綜合加工廠預(yù)先加工，通過有軌礦車運(yùn)至交叉口，再轉(zhuǎn)運(yùn)至工作面，人工在支護(hù)平臺(tái)上安裝；噴射混凝土采用濕噴機(jī)；輕軌拱架采用有軌礦車運(yùn)輸，安裝時(shí)利用簡(jiǎn)易臺(tái)架人工安裝。

3.1.2 施工工藝

開挖及支護(hù)工藝流程如圖1 所示。

圖1 支洞開挖及支護(hù)施工工藝流程圖

為保證安全和開挖輪廓線平整、控制超欠挖，根據(jù)洞身圍巖情況和斷面尺寸，支洞與主洞開挖鉆爆設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 開挖鉆爆設(shè)計(jì)圖

3.1.3 支護(hù)措施

自支洞與主洞邊墻交點(diǎn)處往支洞洞口方向16 m 范圍內(nèi)按B 型斷面開挖，采用I18 型鋼架配合錨噴支護(hù)，鋼架間距為0.50 m； 其中支洞最后一榀鋼拱架采用雙榀鋼拱架合并而成，便于主洞鋼拱架的架設(shè)。 考慮設(shè)備、材料存放以及提供裝渣空間，對(duì)支洞與主洞相交處邊墻進(jìn)行擴(kuò)挖處理。 擴(kuò)挖段鋼拱架之間的φ25 mm 連接鋼筋改為I18 型鋼，每榀鋼架兩側(cè)各設(shè)6 根長(zhǎng)度為4.5 m 的φ25 mm 鎖腳錨桿。 主洞段：在支洞與主洞交點(diǎn)處往上游方向15m， 往下游方向15 m 開挖按V 類圍巖B型斷面進(jìn)行開挖，開挖直徑為4.2 m，并進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，其具體支護(hù)參數(shù)為：I18 型鋼鋼架間距0.50 m，φ8 mm 鋼筋網(wǎng)，φ25 mm 的系統(tǒng)錨桿，每根長(zhǎng)度L=6 m，外露30 cm；每榀鋼架兩側(cè)各設(shè)6 根長(zhǎng)度為6 m 的φ25 mm 鎖腳錨桿。

3.2 交叉口處開挖與支護(hù)

1）開挖：交叉口處的開挖與正常段開挖方式類似，采用全斷面、鉆爆法施工。 擴(kuò)挖段開挖采用YT28 氣腿式鑿巖機(jī)人工作業(yè)，作業(yè)平臺(tái)采用型鋼自制鉆爆臺(tái)車。

2）支護(hù)：支洞與主洞交叉口處開挖完成后，支護(hù)隨后跟進(jìn)施工。 出渣結(jié)束后，及時(shí)進(jìn)行掛網(wǎng)和噴射混凝土支護(hù)，采用厚度為5 cm 的素噴混凝土封閉掌子面；然后及時(shí)進(jìn)行安裝系統(tǒng)錨桿、掛網(wǎng)、立鋼拱架、安裝鎖腳錨桿、復(fù)噴。

4 隧洞長(zhǎng)距離出渣及運(yùn)輸

4.1 總體方案

本工程施工條件特殊，3 個(gè)施工支洞是各施工工序的必經(jīng)之路，主洞開挖底寬僅為4.2 m，洞內(nèi)不能使用大型機(jī)械；由于主洞斷面設(shè)計(jì)較小， 并考慮到主洞受施工支洞坡度較大的影響，車輛無法通行；出渣采用扒渣機(jī)裝渣，斜井內(nèi)采用有軌運(yùn)輸，主洞內(nèi)采用無軌運(yùn)輸，絞車提升的方式。

4.2 出渣及運(yùn)輸

4#、5#支洞內(nèi)部延伸鋼軌，采用有軌運(yùn)輸出渣。洞內(nèi)爆破通風(fēng)完畢后，采用立爪式裝巖機(jī)裝渣，運(yùn)輸機(jī)械采用牽引礦車，牽引設(shè)備為JTP2.0 m 提升絞車。 牽引礦車設(shè)置側(cè)翻裝置，經(jīng)提升絞車牽引出洞外后，在卸渣位置傾倒入東風(fēng)自卸汽車內(nèi)，再運(yùn)送至指定棄渣場(chǎng)。6#支洞采用運(yùn)輸車進(jìn)行出渣，并運(yùn)至洞外臨時(shí)存渣場(chǎng)，再由運(yùn)輸車集中將渣體運(yùn)至指定渣場(chǎng)。 支洞出渣示意見圖3 所示。

圖3 支洞出渣示意圖

由于主洞斷面設(shè)計(jì)較小， 且考慮主洞受支洞坡度較大的影響， 主洞采用無軌出渣方式。 4#、5#支洞上下游主洞爆破完畢， 將運(yùn)輸車開至掌子面用立爪式裝巖機(jī)裝渣并運(yùn)輸至交叉口；受施工支洞坡度大影響，再采用裝載機(jī)將渣體裝在礦車內(nèi)并由絞車牽引至洞外，然后用自卸汽車運(yùn)輸至棄渣場(chǎng)。6#支洞上下游主洞及出口采用自卸車運(yùn)輸至指定渣場(chǎng)。 支洞上下游主洞出渣示意見圖4 所示。

圖4 主洞出渣示意圖

為保證主洞與支洞交匯處的交通順暢，在洞內(nèi)每隔200 m設(shè)置避車洞，避車洞尺寸凈長(zhǎng)20 m，深5 m，高4 m；為保證安全避車洞位置選在圍巖較好處。 為保障礦渣及施工材料的正常運(yùn)輸，主洞采用無軌運(yùn)輸，支洞采用有軌；支洞底與主洞采用簡(jiǎn)易龍門吊裝卸材料。

5 隧洞襯砌施工

盡管主洞與支洞均采用優(yōu)化后的運(yùn)渣方式， 但受隧洞結(jié)構(gòu)尺寸限制，前期鉆爆及出渣耗時(shí)較長(zhǎng)，同樣受到空間限制，需要采取合理的措施來解決后續(xù)二次襯砌施作所需材料的運(yùn)輸問題，以保證施工的順利進(jìn)行及隧洞結(jié)構(gòu)的安全。

5.1 主洞混凝土施工

隧洞主洞為圓形斷面， 襯砌臺(tái)車采用12 m 長(zhǎng)的針梁式全圓臺(tái)車，進(jìn)行全斷面一次澆筑成型。 針對(duì)施作空間狹小的問題，在襯砌施作過程中，隧洞斜井運(yùn)輸前期采用軌輪式罐車、后期采用U 形溜槽，主洞運(yùn)輸采用混凝土罐車，效率得到明顯提升。 襯砌方向與開挖方向相反，即從貫通點(diǎn)退著向各支洞交叉口或出口方向進(jìn)行。 臺(tái)車在洞內(nèi)貫通點(diǎn)附近擴(kuò)挖部位組裝。

5.2 U形溜槽施工工藝及質(zhì)量控制

5.2.1 施工工藝

溜槽加工→溜槽運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)→測(cè)量放線→溜槽安裝→溜槽焊接（支護(hù)）→安裝集料倉(cāng)→溜槽沖洗。

5.2.2 溜槽加工及安裝質(zhì)量控制

本標(biāo)段4#及5#施工支洞所采用的溜槽材質(zhì)為5 mm 厚度的鋼板，鋼板長(zhǎng)度為2.5 m，寬度為1.26 m。 每塊鋼板底部呈“U” 形， 溜槽底部為200 mm 的半圓弧， 兩側(cè)翼沿加長(zhǎng)至300 mm；溜槽尺寸為500 mm×400 mm，半徑R=200 mm。 加工好的溜槽在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝。 王家壩隧洞4#、5#洞內(nèi)溜槽均安裝在進(jìn)洞方向左側(cè)（即梯步同側(cè)）。 為確保混凝土順利下放，施工支洞洞內(nèi)溜槽安裝方向與支洞洞軸線平行， 所成角度與底板角度一致；考慮到汛期5#施工支洞洞內(nèi)出現(xiàn)洪水倒灌，該支洞洞內(nèi)溜槽安裝時(shí)整體提高20 cm，以確保汛期洞內(nèi)混凝土正常澆筑。 溜槽安裝自下而上進(jìn)行安裝，每節(jié)溜槽間的搭接長(zhǎng)度為5~10 cm，搭接處要求平緩，無損壞。 搭接縫要求全斷面焊接，焊縫要求飽滿、無裂縫、表面平順，無咬邊，凹陷與氣孔等。

5.3 施工支洞封堵施工

在工程建設(shè)中，臨時(shí)施工支洞要進(jìn)行封堵，封堵體將成為水工建筑物的重要組成部分，同圍巖、混凝土共同承擔(dān)內(nèi)水壓力。 按照所處位置可將封堵體劃分為支洞封堵和主洞封堵兩種。 王家壩隧洞共有3 處封堵，每條施工支洞封堵段長(zhǎng)10 m。隨機(jī)錨桿為φ25 mm，長(zhǎng)4.5 m，間排距均為1.5 m，梅花形布置。 施工支洞封堵見圖5 所示。

圖5 支洞封堵示意（單位：cm）

封堵段采用C20 微膨脹混凝土進(jìn)行封堵。 堵頭混凝土內(nèi)（含回填灌漿）應(yīng)摻入復(fù)合型膨脹劑（8%的UEA、2%的MgO）。混凝土澆筑采用薄層短間歇澆筑，并振搗密實(shí)，澆筑層厚不宜大于2.0 m，間歇時(shí)間為5~7 d。 堵頭混凝土施工完畢14 d，方可進(jìn)行回填灌漿。 回填灌漿管路間排距為1.5 m×1.5 m。 進(jìn)回漿管均采用1.5 寸PVC 管 （1 寸≈3.33 cm）， 其余采用1 寸PVC 管。 出漿管應(yīng)伸入巖石10 cm，并按設(shè)計(jì)方位固定牢靠，采用三通管與進(jìn)漿管連接， 灌漿前出漿孔口用牛皮紙綁扎封好?；靥罟酀{漿液水灰比控制在0.5∶1，吃漿量大的部位可灌注水泥砂漿，但摻砂量不宜大于水泥用量的200%，灌漿壓力控制在0.2 MPa，在此壓力下，灌漿孔停止吸漿時(shí)，延續(xù)灌注15 min 即可結(jié)束灌漿。 回填灌漿結(jié)束7 d 后進(jìn)行檢查，檢查方法為向孔內(nèi)注入水灰比2∶1 的漿液， 在規(guī)定壓力下，10 min 內(nèi)注入量不超過10 L，即認(rèn)為回填灌漿質(zhì)量合格。

6 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合畢大供水工程二標(biāo)段王家壩隧洞工程對(duì)小斷面長(zhǎng)距離引水隧洞進(jìn)行了全周期的施工技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行研究。 在施工中，使用基于“新奧法”原理進(jìn)行的小藥量多循環(huán)爆破設(shè)計(jì)與人工結(jié)合自制簡(jiǎn)易鉆孔臺(tái)車進(jìn)行鉆孔全斷面爆破開挖，能夠有效地在空間局限的小斷面隧洞進(jìn)行安全開挖。 綜合使用錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土以及鋼拱架進(jìn)行柔性支護(hù)；針對(duì)大坡度斜井的襯砌混凝土施工，前期采用有軌運(yùn)輸系統(tǒng)對(duì)主洞與支洞進(jìn)行統(tǒng)籌安排，后期采用U 形溜槽，降低成本并提升效率。 針對(duì)施工支洞的封堵，封堵段長(zhǎng)10 m，采用C20 微膨脹混凝土。 混凝土澆筑采用薄層短間歇澆筑，澆筑層厚不宜大于2.0 m，間歇時(shí)間為5~7 d。 堵頭混凝土施工完畢14 d，方可進(jìn)行回填灌漿。