引汉济渭秦岭输水隧洞出口段施工技术研究

王 新

（陕西省引汉济渭工程建设有限公司，陕西 西安710100）

0 引言

隧洞洞口段的安全施工是完成隧洞建造的重要一环[1-3]。往往不良的地址条件会造成隧洞洞口段隧洞受到滑坡[4]、落石[5]、失稳[6]等影响施工进度。

引汉济渭工程穿越秦岭段隧洞全长98 km，其中出口段6493 m，最大埋深约780 m，洞口底板高程510.00 m。本文通过工程中的大量实践经验，对洞口段的施工技术进行了系统性的总结。希望对后续类似工程提供借鉴。

1 项目施工难点

工程位于北秦岭加里东褶皱带内，秦岭北麓区域性断裂和岐山—马召区域均在隧洞出口外侧通过，岩体受构造作用影响严重，节理裂隙发育，岩体破碎，岩质软弱。

洞身段大多位于地下水位以下，水量较丰富，受大气降水补给，设计预测最大隧洞正常涌水量12529 m3/d，可能出现的最大涌水量15058 m3/d。

实际施工Ⅲ类围岩630 m，Ⅳ类围岩5282.5 m，Ⅴ类围岩580.5 m，Ⅳ、Ⅴ类软弱围岩占比90.3%。

工程的难点主要归纳如下：

（1）隧洞为单洞钻爆法独头掘进6493 m，创国内单洞单口钻爆法施工最长记录，隧洞断面小，只能满足单线通车需求，所以风、电、高压风、施工用水、调头会车洞布置、洞内排水等辅助施工措施的选用是确保隧洞正常施工的重要先决条件。

（2）隧洞位于秦岭北麓复杂的地质条件中，受区域性断层影响，全标段Ⅳ、Ⅴ类软弱围岩占比90.3%，基岩裂隙水丰富，极易坍塌变形，如何降低水对围岩的影响，减少塌方、变形，在不良地质条件中稳定快速施工是确保工期目标的关键。

（3）隧洞口临近黑河水库，位于水库下游，周边为周至县产业名片猕猴桃种植基地，如何确保施工废水达标排放，是确保项目外围稳定的关键。

2 辅助施工措施的选用

2.1 施工用电

在洞口位置设置一台630KVA和一台400 kVA固定式变压器满足洞口空压机、风机、加工场及洞口生活区用电需求。洞口配备300 kW发电机一台，满足停电时洞内抽水及未完混凝土施工需要。洞内用电从洞口接入10 kV高压线进洞，每1 km设置一处变压器洞室，安装1台315 kVA的变压器，满足洞内该段1 km范围的施工用电需要。在距洞口3 km位置设置1台630 kVA固定式变压器满足洞内空压机、风机及3～4 km的施工需要。

2.2 施工通风

单洞掘进6493 m，通风距离为目前国内钻爆法单洞最长，根据本隧洞特点，确定采用两阶段压入式通风方案。

第一阶段：在洞口设置一台2×110 kW轴流风机，满足洞内前3.5 km施工通风需求。

第二阶段：在3 km位置修建一座400 m3蓄风房，洞口设一台2×132 kW轴流风机，满足洞内风机需风量；将原洞口2×110 kW风机移至洞内3 km位置接力供风，满足后续3.5 km作业面供风需求。

目前隧洞已施工6400 m，洞内通风效果良好，通过实践证明此种通风方案在一些辅助措施的运用下能满足超长距离通风需求。

2.3 施工高压风

对比洞口集中供风方案和分洞口洞内两阶段供风方案，分两阶段供风方案在经济上优势明显，据项目测算能节约资金143万元，具体方案如下：

第一阶段：在洞口处设置集中供风站，使用DN200钢管送风满足前3200 m的隧洞施工用风；供风站选用公称容积为22 m3/min，额定排气压强为0.7 MPa，额定功率132 kW的水冷式空压机4台，1台备用。

第二阶段：在距洞口3 km位置设置洞内集中供风站，用DN200钢管送风满足后3500 m的隧洞施工用风。洞内供风站受空间限制，选用公称容积为22 m3/min，额定排气压强为0.7 MPa，额定功率132 kW的风冷式空压机3台，1台备用。

2.4 施工用水

施工用水采用洞口集中供水方案，在距洞口底板高差20 m高位置设置20 m3高山水池一座，采用DN80管道送水送至掌子面，当水压不足时，在洞内适当位置增加增压泵及止回阀，解决沿途水头损失。

2.5 调头会车洞设置

由于隧洞成型断面小，不能满足洞内会车需求，故根据装渣能力和倒车时间计算，在洞内每500 m设一个掉头会车洞，满足洞内会车和车辆调头需求。

2.6 洞内抽排水

为保证最大涌水量段落正常施工，洞内设置一条DN300钢管作为排水管道，每1 km设置一处集中泵站。掌子面和仰拱之间设置临时移动水仓，水汇集至临时移动水仓后经水泵抽至集中泵站后抽至洞口涌水处理站。

3 不良地质条件快速施工技术

项目受地质条件变化、塌方、围岩大变形、超设计量涌水等因素的影响，前25个月仅完成948 m，在这种不利的条件下，项目积极总结经验，制订了一套针对此种不良地质条件下的快速施工技术。

3.1 开挖工法的选择

Ⅲ类围岩采用全断面开挖方法，每循环进尺3 m，两循环支护一次；Ⅳ类围岩采用全断面开挖方法，每循环进尺2.4 m；Ⅴ类围岩采用弧形导坑预留核心土开挖工法，分上下断面施工，上断面每循环进尺0.8 m，下断面左右交错开挖，每循环进尺1.6 m。

3.2 减少软弱围岩塌方的措施

3.2.1 RPD-180CPR多功能快速钻机的运用

隧洞围岩为云母片岩、云母夹石英片岩为主，这类岩体成为分离片状结构[7]。洞身段收水影响较大。为解决水对围岩影响造成塌方并丰富超前地质预报手段增加超前地质预报的准确性，项目引进了矿研RPD-180CBR型多功能快速钻机[8]，准确判断出前方围岩的强度、有无涌水、空洞及断层，为施工提供准确的地质资料。同时利用探孔提前释放出一部分基岩层理裂隙水，使掌子面形成少水或无水状态，大大降低掌子面塌方风险。

经统计，采用该钻机得出的超前地质预报与开挖揭示符合程度达到90%以上。

3.2.2 增加超前小导管预支护

原设计Ⅳ类围岩中不设超前小导管，项目Ⅳ类围岩施做超前小导管试验段取得良好效果，之后部分Ⅳ类围岩段落增加超前支护，超前小导管2.4 m/环，长4.0 m，拱部120°范围设置，间距30 cm，不注浆。

3.2.3 减少软弱围岩塌方效果

通过超前钻机使用和部分段落增加超前小导管的措施下，项目塌方次数和规模明显减少，经统计项目在采取措施前948 m施工中出现大小塌方21次处理塌方72 d；采取措施后5545 m出现大小塌方14次，处理塌方36 d，大大节约了处理时间，效果明显。

3.3 软弱围岩大变形段的处理措施

3.3.1 监控量测预警

洞内监控量测工作由项目测量班负责，按Ⅲ类围岩30m一组，Ⅳ类围岩15 m一组，Ⅴ类围岩10 m一组埋设监控量测断面点，每组3个点，拱顶1个、边墙2个，按照规范要求进行拱顶下沉和水平收敛量测。

3.3.2 处理措施

当观测到的拱顶下沉、水平收敛速率达到5 mm/d或累计达到80 mm时，立即停止掘进，向监理、设计和业主汇报，四方踏勘现场后确定处理措施。

（1）增加长大锁脚：大变形部位每榀钢架两侧各增加两根φ80，长6 m锁脚锚管，并进行注浆加固。

（2）增加仰拱初期支护：本隧洞Ⅳ类围岩未设置仰拱初支，项目一共出现6段Ⅳ类围岩地段初支变形现象，组织增加仰拱初期支护后有效的抑制了拱脚回收，极大地提升了初期支护的稳定性，预防了可能出现的初期支护侵限等问题。

（3）增加径向注浆：在上述两个措施增加后，变形还不能有效抑制的情况下，根据拱顶下沉或水平收敛情况，增加拱部或全断面径向注浆。项目共进行径向注浆加固围岩3次，效果明显。

3.4 涌水处理

2017年5月19日施工至K76+131，在岩石开挖钻孔作业时，一个钻孔内突然喷射出一股高压水流，喷射距离约为13 m，泥黄色，夹杂大量泥沙，估算单孔涌水量2000 m3/d。项目利用RPD-180CBR多功能快速钻机进行钻孔泄水，在掌子面后方和掌子面共钻孔9个，使裂隙水的排放速度由原先的2000 m3/d提升至11000 m3/d，泄水2天后，涌水量明显衰减，掌子面恢复了施工。

4 污水处理

4.1 环水保形式

项目位于黑河水库下游的黑河一级支流黄池沟内，周边为周至县支柱产业的猕猴桃种植基地，环保形式严峻。根据《陕西省引汉济渭工程环境影响报告书》报告要求，污水处理后排放水质满足地表水环境质量标准（GB 3838-2002）中地表Ⅱ类水标准。

4.2 污水处理原则

隧洞施工所产生的污水不涉及重金属等污染物。受地质条件影响，隧洞围岩遇水软化，石粉悬于水中，致使悬浮物较多，因此处理原则是利用长路径输移中的自然沉淀作用，使污染物沉积，达到净水效果。

4.3 污水处理方法

临时污水处理系统处理系统由2组初级沉淀池、2组絮凝反应池及4组低速搅拌系统、4组隔油沉淀池、1台卧螺脱泥设备、1套自行走泥浆抽排轨道系统组成，系统中排水全程采用自然排水重力流排。

污水处理流程为污水经洞口2组初级沉淀池初步沉淀，然后利用管沟流入2组絮凝反应池内，在絮凝反应池内添加絮凝药剂并间歇搅拌，絮凝反应池内的泥浆利用污泥泵抽至卧螺脱泥内，经过脱水后将泥浆与水分离，分离之后的水继续进入絮凝反应池加药处理，之后再分水至4组隔油沉淀池内，隔油沉淀池内沉淀物采用泥浆抽排系统抽至卧螺脱泥内，处理方法同上。经隔油沉淀池沉淀完成后的达标水排入河道。脱水后的泥浆由出渣车运至渣场填埋。

4.4 污水处理效果

临时污水处理系统自2014年8月运行以来，每季度委外水质检测一次，根据送检结果显示，历次水质检测全部满足地表Ⅱ类水标准。

5 结语

通过各种辅助施工措施的比选运用，在取得良好的经济效益的同时，确保了隧洞正常施工。通过采取不同措施应对各种不良地质情况，实现快速稳定施工，大大扭转了前期工期不利的局面，Ⅳ类围岩的施工进度由原先的月均38 m提升至月均130 m，最快达到167 m/月。污水处理系统确保了施工期间污水的达标排放，在满足业主环水保要求下确保了项目外围稳定。

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