输水隧洞浅埋段的设计与施工

范远东

（辽宁省水利水电勘测设计研究院 辽宁 沈阳 110006)

1 引言[1～2]

对于浅埋地下工程而言，其显著特点是埋深浅，在施工过程中，由于地层损失引起的地面移动明显，对周边环境的影响较大。因此，对各种开挖、支护衬砌、注浆方法等提出了更高的要求，施工难度增加，所以如何有效控制浅埋地下工程施工扰动诱发的地面移动变形，成为浅埋地下工程设计与施工研究的重点、难点。浅埋暗挖法是一种综合施工技术，其特点是在开挖中采用多种辅助施工措施加固围岩，合理调动围岩的自承能力，开挖后即时支护，封闭成环，使其与围岩共同作用形成联合支护体系，有效地抑制围岩过大变形。

2 概述

2.1 工程概况

东湖电站引水隧洞工程位于辽宁省境内，横跨桓仁、新宾、清原三县，全长130.88km。主体工程由桓仁水库进水口、有压隧洞（2条）、地下消能电站、无压引水隧洞、清河分水口等组成。引水隧洞采用钻爆法为主、TBM为辅的联合施工方法，共布置20条施工支洞。其中工程项目五标段位于清原县境内，沿线布置15#、16#、17#以及18#四条支洞。15#支洞位于清原县清原镇瓦子窑北，浑河右岸山体。桩号95+806m～96+777.67m范围为15#支洞上游主洞控制段，全长 971.67m，其中 96+652m～96+741m范围为浅埋段，全长89m。

1.2 工程地质描述

96+652m～96+741m浅埋段隧洞埋深12.3m～24.1m，位于浑河右岸，地表山体较陡，坡度约38°左右。洞身围岩类别为Ⅴ类，岩性以凝灰质砂岩、凝灰岩为主，岩石强度低，为较软岩。节理较发育，多微张，节理面多平直光滑，一般无充填，局部钙质或泥质充填。岩体较破碎～完整性差。岩体弱透水，地下水多呈渗水或滴水状态，局部呈线流状态。

3 浅埋段断面设计

引水隧洞成洞底板设计坡度为0.3115‰，浅埋暗挖段隧洞开挖及衬砌断面为马蹄形，成洞断面直径为7.28m，衬砌厚0.7m；超前支护措施采用超前小导管，初期支护采用型钢支撑+锚、网、喷结构，型钢支撑采用HW150型钢支撑，锚杆采用长度4000mm、Φ25砂浆锚杆，钢筋网采用φ8@150mm×150mm，C30喷射混凝土厚度为200mm，具体支护结构如图1。

4 浅埋段施工

该浅埋段围岩软弱，施工时严格按照“管超前、严注浆、短开挖、强支护、早封闭、勤量测”的原则组织施工。

4.1 浅埋段超前地质预报

施工前采取钻探与物探相结合的综合地质预报方式进行超前地质预报。地质预报每12m进行一次，在一个预报单元隧洞施工过程中，若围岩地质情况出现突变，则应在此桩号重新进行地质预报，预报长度可根据现场实际地质条件而定。

4.2 浅埋段超前支护

超前支护采用Φ42超前小导管，开挖后及时初喷封闭掌子面。初喷完成后按照型钢拱架+锚+网+喷顺序进行初期支护施工。喷射混凝土采用湿喷工艺。

4.2.1 超前小导管施工

当围岩应力较小，地下水较少，岩体软弱破碎，开挖面有可能出现坍塌时采用超前小导管。超前小导管选用Φ42热轧钢管，厚度不小于3.5mm，长度3m，每1.2m施工一循环。沿隧道拱部均匀布设，环向间距为300mm，沿隧道纵向开挖轮廓线向外以10°～30°的外插角钻孔，纵向两组小导管间应有不小于100cm的搭接长度。

（1）超前小导管安装

超前小导管采用Φ42热轧钢管，注浆管一端做成尖形，另一端焊上加劲箍。在距离加劲箍650mm处开始钻孔，钻孔沿管壁间隔75mm，呈梅花型布设，孔位互成90°，孔径6mm。

（2）超前小导管注浆[3～4]

用KBY-50/70注浆机进行注浆，采用注浆量和注浆压力双控原则进行注浆时间的控制。注浆前，喷5cm～10cm厚混凝土封闭工作面，以防止漏浆。注浆压力0.5MPa～1.0MPa。浆液采用水泥-水玻璃双液浆。

4.2.2 超前周边预注浆

根据地质预报判断地质条件较差或可能存在大量用水的情况下，隧洞采用洞内超前周边预注浆预加固。

（1）注浆加固圈固结范围为开挖轮廓线外4m。注浆长度为35m，全断面共布孔25个。一个注浆段完成后留6m不开挖作为下一注浆段的止浆岩盘。第一循环采用1.5m厚C20混凝土止浆墙。

（2）注浆孔自掌子面沿开挖方向，以隧道中轴为中心呈伞状布置。浆液扩散半径为2m，孔底间距不大于3m，开孔直径不小于110mm，终孔直径Φ91mm；孔口管采用Φ108mm，壁厚5mm的热轧无缝钢管。

（3）注浆材料采用超细水泥浆或超细水泥-水玻璃双液浆，双液配比为：C∶S（体积比）=1∶1.0，水泥浆水灰比0.8∶1～1∶1，水玻璃模数 2.6～2.8，水玻璃浓度35Be'。注浆压力一般参考注浆处静水压力加1MPa～2MPa。

4.3 浅埋段开挖

4.3.1 超前地质探孔

严格遵循“先探后挖”的原则，上台阶每循环开挖前，必须施做超前地质探孔，拱顶布置1个，两侧拱腰各布置1个，共计3个。

地质探孔采用风钻打孔，通过加长钻杆并控制打钻角度，以保证探测到掌子面前方5m范围内及开挖轮廓线外2m范围内的地质情况。施做过程中，根据钻进速度的变化、冲洗液颜色及流量、岩粉成分、卡钻位置、突进位置、钻进难易程度，并结合目测孔内出水量进一步判断前方地质。

4.3.2 施工方法

（1）上、下台阶法开挖

浅埋段洞身开挖采用上、下台阶法施工。上台阶首先采用矿山法爆破开挖，施工拱部初期支护。上台阶施工步距控制在4m～6m，开始进行下台阶开挖，采用挖机开挖马口，接长钢拱架，随后喷射混凝土封闭。

（2）施工技术措施

开挖前先严格按照设计要求进行超前预支护施工，在保证围岩基本稳定的前提下进行开挖作业。上台阶开挖采取短进尺策略，每循环进尺0.6m，即施工1榀拱架；下台阶左右分部错开开挖，以保证上台阶的同一榀钢拱架两侧拱脚不同时悬空。开挖后及时进行初期支护作业，以封闭围岩，保证施工安全。

4.4 浅埋段爆破设计

4.4.1 爆破设计原则

根据隧洞开挖技术特点，保证隧洞开挖成形良好，尽量减少超欠挖量，减少爆破对围岩的扰动深度和破坏，确保地表村庄居民建筑物安全。

4.4.2 爆破设计参数

该浅埋段地质属Ⅴ类围岩，上台阶循环进尺0.6m，下台阶进尺1.2m。采用楔形掏槽，打设时与掌子面成60°夹角，并根据实际进尺确定眼底深度。每对掏槽眼孔底相距不小于20cm。辅助眼、内圈眼、底板眼采用连续装药结构，所有装药炮眼均采用炮泥堵塞，堵塞长度一般不小于25cm。周边眼外插角控制在2°～3°，保证眼底不进入开挖轮廓线内。周边眼采用间隔装药。浅埋段上下台阶开挖炮眼布置见图2。

4.4.3 浅埋段减震控制爆破

为了保障施工周围村庄居民的正常工作和生活，避免爆破震动对既有地表房屋造成破坏等，采用减震控制爆破技术，并进行爆破震动监测。控制单段允许装药量，改一次大爆破为多次小爆破，降低爆破震动速度值和噪声。同时通过爆破震动监测，观测爆破振动对既有房屋的影响，测点布置在被测地表房屋附近的地表、房屋基础上。

4.5 浅埋段衬砌施工

该浅埋暗挖段隧洞采用马蹄形断面，成洞 尺 寸 拱 部 R=3.64m，H=7.28m； 采 用C30W10F200混凝土衬砌，底板与边顶拱均为50cm。施工衬砌遵循“底板超前、边顶拱整体衬砌”的原则，初期支护完成后，为有效地控制其变形，底板尽量紧跟开挖面施工。

5 监控量测

对96+652m～96+741m浅埋段隧洞施工期周边位移量测及顶拱下沉观测，通过对开挖围岩面变形的及时观测，获得围岩变形的动态信息，再通过位移反分析，提出正确的支护参数、合适的支护机会、判断支护效果，完善支护设计以指导工程施工。

5.1 监控量测断面布置

拱顶下沉收敛断面的间距不大于5m，每25m布设一组监控量测断面，必要时候增设监控量测断面。具体布置图见图3。隧洞开挖结束马上进行测点的安装埋设及量测，将不锈钢锚固环固定在螺纹钢筋的一端，再将钢筋用M20水泥砂浆固定在各测设点的钻孔中。

图3 浅埋段监控量测点布置图

5.2 量测频率

拱顶下沉量与净空水平收敛量量测宜用相同频率，应从表中根据变形速度和距开挖面的距离选择较高的一个量测频率。量测作业均持续到变形基本稳定1周～3周。必要时，在地表埋设监控量测点。

量测频率满足下表1规定：

表1 量测频率表

6 结论

东湖电站引水隧洞桩号96+652m～96+741m范围浅埋暗挖段经过150多天的施工顺利通过，在节点工期之前完成任务，从工程实践看，获得了一些有益的经验。

（1）在施工初期阶段，当地质较差、位移下沉量及速度变化较大时，应适当加大监测频次。

（2）注浆技术在浅埋暗挖隧洞施工中至关重要，采用超细水泥-水玻璃双液浆进行超前周边预注浆可以快速达到预期效果。

（3）浅埋暗挖施工中及时网喷及衬砌封闭对控制围岩收敛变形及地面沉降作用显著，因此，在浅埋段隧洞施工中，应及时跟进封闭衬砌。

（4）浅埋暗挖段爆破设计中应控制单段允许装药量，改一次大爆破为多次小爆破，降低爆破震动速度值和噪声，以保障开挖安全及施工周围村庄居民的正常工作和生活。陕西水利

[1]王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论[M].安徽教育出版社,2004.

[2]王梦恕.中国隧道及地下工程修建技术[M].人民交通出版社,2010.

[3]国家能源局.DL/T5148-2012.水工建筑物水泥灌浆施工技术规范[S],2012.

[4]杨晓东.锚固与注浆技术手册[M].中国电力出版社,2009.