浅埋暗挖法在输水隧洞施工中的应用

周 骅，朱鹏飞，胡露骞

(杭州市千岛湖原水股份有限公司,浙江 杭州 310016)

浅埋暗挖法在输水隧洞施工中的应用

周 骅，朱鹏飞，胡露骞

(杭州市千岛湖原水股份有限公司,浙江 杭州 310016)

在输水隧洞施工中，在隧洞明挖法和盾构法不适应的条件下，浅埋暗挖法具有占地少、拆迁少、造价低，周边环境影响小等优点.以千岛湖配水工程穿越23省道为例，详细阐释了浅埋暗挖法施工工艺“管超前、严注浆、短进尺、强支护、快封闭、勤量测”的特点及要求，总结提出了开挖、支护、超前支护加固、监测等施工要点和技术参数.

输水隧洞；配水工程；浅埋暗挖；施工工艺

1 工程概况

近年来，水污染突发事件频频发生，给现有河道型水源地构成了严重的威胁，并由此引发了城市供水资源短缺问题.现阶段杭州城市供水主要依靠钱塘江，解决单一水源问题，提高供水抗风险能力，构建大城市的多水源供水安全保障体系，开辟第二水源地迫在眉睫.杭州市第二水源千岛湖配水工程(以下简称“千岛湖配水工程”)是浙江省重大民生供水工程，经浙江省发改委核准建设，并列为省重点建设项目[1-2].千岛湖配水工程从新安江水库淳安县境内取水，通过输水隧洞将水引至杭州市余杭区闲林水库.千岛湖—闲林水库输水线路长112.34 km，其中输水隧洞混凝土衬砌段长约102.39 km，采用平底圆形断面，衬后φ6.7 m；其余部分为钢衬段或埋管段，钢管内径φ5.0 m[3].设计流量38.8 m3/s，为I等工程，施工总工期42个月，总投资约106 亿元.输水线路共分16个标段，本文以12标官地上穿越23省道为例，详细地介绍浅埋暗挖施工工艺及注意事项.

1.1 项目简介

官地上浅埋段位于杭州市富阳区新登镇，长282 m，施工需下穿23省道(见图1).23省道交通流量大，交通地位显著，为双向六车道一级省级干线公路，路基宽度42m，设计时速80 km/h.为保障省道交通安全，该段隧洞施工采用浅埋暗挖法，进行松动爆破配合破碎机机械开挖，同时加强支护进行穿越公路施工.官地上浅埋段隧洞底高程15 m，隧洞衬后洞径5 m，洞身围岩为奥陶系上统长坞组(O3c)中厚层状粉砂岩、粉砂质泥岩等，河床段上覆岩体厚度薄，仅为15 m左右，且局部岩体较为破碎.

1.2 施工难点

官地上下穿段部位围岩类别为Ⅳ类，开挖时存在顶拱坍落、边墙失稳等现象，局部区域甚至还出现较大变形.由于23省道为重要交通干线，交通流量大，交通地位显著.若工程采用明挖法施工，将涉及大面积征借土地、省道中断交通、社会影响面大等方面影响.综合条件分析，采用浅埋暗挖法进行穿越23省道的方案是合理的.官地上暗挖施工难度主要有3点：(1)洞顶上覆岩土体较薄，约为15 m且较为破碎；(2)洞顶路边地面段为官地上1#支洞工区弃渣场，并布置有拌和系统，重型施工机械通行频繁；(3)省道上川流不息的车辆作为动荷载也不利于下覆岩体的稳定.统筹考虑以上问题，本文从开挖进尺、区别支护、加强监测等若干方面入手，摸索出一套科学完备的浅埋暗挖施工方案，顺利安全地穿越了23省道.

2 浅埋暗挖法的核心技术

浅埋暗挖法的核心施工技术总结为18字要诀：“管超前、严注浆、短进尺、强支护、快封闭、勤量测”[4].在施工作业中，根据现场的地质条件复杂程度,制定相对应的开挖顺序和支护形式，并严格根据实际测量数据确定支护的形式和参数，确保施工作业和周边环境处于安全可控的状态.

管超前：由于开挖面顶拱部位岩体自稳能力能力差，当顶拱部位失去支撑时，极易发生坍塌.为了提高其稳定性，有必要采用超前小导管和小棚对前方岩体进行预支护，并形成前拱前部支撑架，以抑制拱部变形.

严注浆：要解决前方岩体的稳定，必须从内部对岩体的性质进行化零为整，在实施过程中主要采取小导管超前预注浆的措施对岩体进行注浆固结的加固方式，为下一工序开挖过程提供安全的保障.

短进尺：开挖过程中，保证岩体的稳定是需解决的重点难题.同一性质的岩体，稳定能力很大程度上与以下2个方面密不可分，即暴露的时间和开挖进尺的大小.曝光时间越长，岩石崩塌进尺的危险性越大，反之亦然.预留核心土的目的在于平衡掌子面前方的岩体，防止失衡滑塌.

强支护：随着时间和振动的继续，自拱将逐渐失去稳定，松散的岩石将直接作用于初始支撑的结构.因此，强大且系统的支护体系是确保结构稳定的基础.

快封闭：隧道爆破施工后，随着暴露时间推移，岩体的自稳能力将逐渐变弱.暴露时间越长，岩体坍塌的风险就越大.尽早采取封闭作业面的锚喷支护措施，将使支护体系及早地发挥系统防护的作用.

勤量测：浅埋暗挖实施过程中，应测量地表沉降和支护结构受力情况，了解施工过程中的动态变化.因此，制定频率对敏感部位进行观测，掌握变形变位的动态信息，设置相对应的变形警戒值并适时地调整下一循环的施工参数，对变形量过大的部位采取预防预控措施是必要的.

“首先排管，其次注浆，最后开挖，注浆、开挖、支护、封闭的工序环环相扣”的施工工序必须严格遵守.应建立一整套变位、应力监测系统，采用动态设计实时指导施工的信息化方式，来保障施工过程中处于安全的状态.

3 浅埋暗挖法的施工工艺

3.1 开挖

23省道下穿段的开挖方式采用弱爆破和破碎机机械开挖相结合的方法(见图2).破碎软岩采用爆破松动岩体配合破碎机周边开挖相结合的方式.坚硬、中硬岩石施工主要利用自制钻孔台车，YT-28型气腿式风动凿岩机配合钻孔作业，爆破采用钻爆法施工.本段围岩主要以Ⅳ类围岩为主，可能存在少部分Ⅴ类围岩，拟采用光面爆破、全断面一次开挖的方式.采用楔型掏槽，辅助眼间距为50～70 cm, 周边眼间距40～50 cm，使用小直径乳化炸药、间隔装药的方式，确保爆破后炮痕均匀分布在开挖轮廓面上，再通过非电毫秒雷管连接导爆索进行点火起爆.

图2 浅埋暗挖法工艺流程图

3.2 支护

(1)钢拱架

钢架在钢筋加工棚内加工制作，采用I20a型工字钢冷弯机分节段弯制，连接钢板与工字钢间采用双面焊，焊脚高度≥8 mm.每侧拱腰拱脚处各设2根φ25 mm锁脚砂浆锚杆，长4.5 m.钢拱架分5片安装，纵向设置φ22 mm连接筋与之焊接，钢架与系统锚杆焊接.钢拱架锁脚锚杆端部弯折20 cm，以便同钢拱架内表面双面焊接，焊缝长度≥5倍锚杆φ.钢拱架基础须置于完整、坚硬岩石，岩基承载力≥0.5 MPa.为保证质量，钢拱架连接钢板严禁采用气割、冲孔，孔口多余的钢渣、毛刺采用机械进行清除.

(2)锚杆施工

锚杆钻孔采用YT-28型气腿风钻进行钻孔.由于本工程的砂浆锚杆需先灌浆再进行安插，因此，钻孔完成后首先用高压风枪将钻孔内石屑等异物进行清除，报请监理验收合格后，用干净的牛皮纸或其它物品将钻孔口堵塞好.采用锚杆注浆机进行注浆，注浆后立即用支护作业台车进行人工锚栓，并将锚杆插入孔内.为防止浆液倒流，安插锚杆并打入木楔子对锚杆进行固定后对孔口立即进行封堵.若孔口无浆液溢出，要及时补注浆液.锚杆安装后，不得对其随意敲击和拉拔.

(3)喷混凝土施工

岩面在喷混凝土前必须做好表面清理，清除各种浮石或爆破震松的岩块，清除受喷面上的岩料、岩渣和其它杂物，基底表面清洗，新鲜完整的岩石采用高压水冲洗，破碎岩石采用高压风吹洗，进行喷混凝土作业[5].边顶拱渗漏水也是一种常见的现象，主要有集中渗水和分散渗水两种，处理方法以引、排为主[6].施工中要注意控制喷射压力、喷混凝土料的含水量，对回弹料的比例进行严格控制.此阶段特别注意加强通风，喷混凝土的操作人员必须配备必要的防护用品，如口罩、眼罩等.喷混凝土施工结束后，将混凝土表面保持湿润进行养护，保证喷混凝土质量.

3.3 超前支护加固

洞内如遇破碎软弱围岩，根据实际地质情况采取超前管棚及超前小导管支护(见图3).

图3 超前支护断面图

(1)超前管棚施工

管棚采用潜孔钻钻孔，孔径φ120 mm，灌浆钢管采用φ108 mm的普通无缝钢管，管壁厚6 mm，管壁成“花管”状，封堵孔口段小孔，管尾接连接头，管头焊接锥形闷头.

采用注浆机进行灌浆，注浆顺序为先低后高，先两侧后顶部.随着潜孔钻孔深的增大，需要对回转扭矩、冲击功率及推力进行控制和协调，尤其要严格控制推力，不能过大[7].将钢管安放在管棚钻机上后，对准已钻好的引导孔，低速推进钢管，其冲击力控制在1.8～2.0 MPa，推进压力控制在4.0～6.0 MPa[7].

(2)超前小导管施工

利用YT28型气腿式手风钻钻孔，注浆、插锚须简易平台车配合作业，用YT28型气腿式手风钻带套筒插锚.小导管采用孔径φ42 mm，壁厚4 mm的热轧无缝钢管加工制成，钢管前端加工成锥形，尾部焊接φ6 mm钢筋加劲箍，管壁四周钻φ6 mm压浆孔.

小导管钻孔仰角10°～15°，深度为4 m，环向间距40 cm，水平搭接≥150 cm.超前小导管应从格栅钢架腹部空间穿过，插入已钻好的孔中，尾端与钢架焊接，连为一体.灌浆采用1∶1水泥浆，初始灌浆压力0.2～0.3 MPa，终压1～1.5 MPa，注浆前应喷射4 cm厚混凝土封闭工作面，以防漏浆(见图4)[7].

图4 超前小导管花管样图

4 工程监测

4.1 洞内监测

在隧道观测中，分别进行开挖面和施工段观测，包括节理裂隙发育、工作面稳定性、初期支护状况和突水情况以及施工质量是否满足要求.

(1)围岩松动圈监测

开挖面观察应在每次开挖后进行一次围岩松动圈监测采用声波探测仪及单孔超声波测试法.如出现异常，应加大量测频率.

(2)拱顶沉降、收敛变形监测

拱顶监测和隧道收敛监测是通过测量手段，来了解拱顶的平面位移和拱顶下沉情况[8]以及主要水准仪或全站仪量测监控隧洞掘进过程中平面、竖向尺寸的变化情况，指导施工期的支护.每个收敛监测断面结合1个拱顶测点，并在同一频率段进行.

(3)钢拱架应变、锚杆应力监测

根据支护情况选择钢拱架布置钢拱架应变计，监测支护结构受力.根据支护情况选择锚杆布置锚杆应力计，监测支护结构受力，指导施工期的支护.若初支发生异常现象，应采取措施，并安排人员进行不间断观察.

4.2 洞外监测

洞外监测包括对23省道路面进行爆破振动、地表沉降等进行监测.

(1)爆破振动监测

爆破振动监测主要监测开挖面的爆破对周边敏感点或建筑物的震动影响，获得爆破振动衰减规律.根据围岩条件和被保护对象的不同拟定相对应的爆破安全振动标准，指导下一步爆破施工.

(2)地表沉降监测

地表沉降监测主要布置在下穿23省道段的两端和中部，通过埋设地面位移测点进行水平位移和垂直位移监测.根据道路沉降警戒值，指导下一步爆破施工.

5 结 语

与原来的传统施工工艺相比，浅埋段的隧洞开挖采用浅埋暗挖法施工的质量和效率得到了很大的提高，其相对应的应用价值和实际操作的可行性也是比较明显的.本次对下穿23省道段采用浅埋暗挖法的实施，在确保工程安全的前提下千岛湖配水工程官地上下穿23省道段顺利地完成了本段输水隧洞开挖工作.这不仅减少了水土流失对环境造成的影响，还明显减少了明挖法施工给周围百姓生活出行带来的影响；同时保障了省道公路交通的正常通行，并且有效地节省了工程投资，缩减明挖法所带来的政策处理成本.因此，在今后的隧道浅埋段施工过程中，充分地推广和应用该浅埋暗挖法进行浅埋段开挖显得极为必要.

[1] 白云庆.浅埋暗挖支护工艺在南水北调输水隧洞工程中的应用[J].水利水电技术,2013,44(1):70-78.

[2] 叶利伟，何晓锋.大型线性水利工程质量与安全监管工作模式研究——以杭州市第二水源千岛湖配水工程为例[J].中国水利,2016(6):30-32.

[3] 徐轶慷，肖 钰，吴留伟，等.千岛湖配水工程超长输水隧洞快速施工关键技术探讨[J].工程技术：引文版,2016(3):216-218.

[4] 李金刚.浅谈浅埋暗挖施工技术[J].科技风,2013(1):161-162.

[5] 张培海.锚喷支护在不良地质段隧洞中的应用[J].浙江水利水电专科学校学报,2009,21(1):9-12.

[6] 张智勇，阳珍平.江西查册水电站引水隧洞衬砌施工技术探讨[J].浙江水利水电专科学校学报,2011,23(2):15-18.

[7] 郑敬云，夏平华.地下暗挖专项施工中不良地质段的处理预案分析[J].水利建设与管理,2016,36(8):16-19.

[8] 刘绍堂.隧道施工期间的变形监测技术[J].地下空间与工程学报,2006，2(S2):1346-1348.

The Application of NATM in the Construction of Water-conveyance Tunnel

ZHOU Hua, ZHU Peng-fei, HU Lu-qian

(Hangzhou Qiandao Lake Raw Water Co., Ltd., Hangzhou 310016, China)

In the construction of a water-conveyance tunnel, compared with open-cut method and shield method, shallow underground excavation method has advantages of economic space occupation, less house removal, low cost and environment protection. Taking 23 provincial roads for example, this paper illustrates construction technology of shallow underground excavation method in detail and proposes some key points and technical parameters so to provide reference for similar engineering.

water-conveyance tunnel; diversion tunnel engineering; shallow underground excavation; construction technology

TV672+.2

A

1008-536X(2017)06-0047-05

2016-11-21

周 骅(1988-)，男，浙江桐庐人，助理工程师，研究方向为水利工程建设管理.