水工隧洞施工需要解决的一些问题与方案研究

2018-03-28张磊

山西水利科技 2018年1期

张磊

（山西水务工程建设监理有限公司山西太原 030002）

0 引言

随着长距离调水工程的增加，越来越多的水工隧洞需要穿过更为复杂的地质环境，施工难度逐渐攀升，作为最原始但最可靠的钻爆法技术便一次次遇到了考验，并借此趋向成熟和科学。从隧洞施工的特点看，毫无疑问，无论是在理论还是实施层面，不同的隧洞应该选择不同的钻爆和支护参数组织施工，才能确保安全、进度和工程质量，才能取得预期的效果。以输水为主要目的的水工隧洞，外水内渗和外水内渗所形成的复杂的运行环境对爆破质量提出了更高的要求。然而遗憾的是，除个别重要的大型输水项目外，目前很多水工隧洞工程的施工都是由资质较低、非专业、以民工为主的队伍承担的。在爆破、支护等主要参数的选择上，他们更多地（不求深解地）采用设计文件“规定”、“专家”意见或者借鉴别人的经验，而较少考虑与本工程的具体边界条件的适应性。更为严重的是一些规范将借鉴经验作为了隧洞施工技术选择的重要规定。这样的结果，不只可能对工程本身的进展带来不利，而且不利于总结经验和进行理论研究，浪费了大量技术提高的机会，致使多年后我们的隧洞爆破掘进技术在某些方面还是基本停留在原地。本文对近年来一些水工隧洞钻爆施工情况进行了总结、分析，提出了一些需要重点研究解决的技术问题，希望引起项目管理单位的重视，以便预期实现项目目的，并共同推进技术的进步。

1 水工隧洞设计交底的深度

工程开工前，建设单位一般会组织设计单位就图纸、技术要求等向施工、监理等现场参建单位进行说明，即设计交底。设计单位交底的深度决定了对方对设计意图、指标的把握程度，并由此选择更为合理的施工方案予以实施。很多设计单位的设计交底工作的主要内容定位在对工程结构、工程质量和完成时间的要求上，认为现场方案、工法等的选择完全是施工单位自己的权力和义务，既然施工单位承揽了任务，就应该有能力和义务完成图纸要求的所有工作。这是一个错误的概念，至少是偏颇的，对图纸和设计意图向承包人做出进一步的说明，对于有些项目才是完整地提供了设计资料，是设计工作的延伸。图纸以外，诸如初始地应力的大小和方向，地下水的产量和方向等是影响隧洞施工的重要因素，而这些都是施工单位通过其他渠道不能或难以尽快获取的基础资料。对水工隧洞而言，除了一般隧洞工程需要提供运行空间的功能外，内水外渗增加了水的损失，并可能增加进一步破坏围岩强度的风险，其外水压力则会使衬砌受荷更为复杂。因此，对设计交底工作的要求就理应更加严格。

1.1 施工方案与基础参数的关系

合理的掘进和支护方案对保证成洞质量、进度、安全等有利，并可以有效地减少工程费用，而相反的选择对工程各方面的不利影响往往是难以估量的，甚至导致工程失败。影响地下洞室开挖的因素很多，很复杂，而且是往往是综合发挥作用的。只有对基础参数做到事先清晰了解，并在施工前认真做好生产实验，对相关资料进行进一步验证，才能制定相对可靠的隧洞施工方案。而水工隧洞作为线形地下工程，基础资料有可能处于变化之中，因此不断地对方案做出适时调整，是必须而重要的工作。

1.2 水工隧洞设计交底的必要内容

水工隧洞施工的设计交底若仅仅局限于说明设计对工程结构的要求，以及初次支护与围岩种类的匹配关系等，对隧洞施工来说是远远不够的。交底还应该对隧洞沿线的地质以及与隧洞结构间的力学关系问题进行深入说明。交底至少应包括以下内容：1）主要工程地质情况。隧洞进出口地形地貌条件（是否存在滑坡体、冲沟等，是否存在增设洞口和影响洞口稳定的有利或不利条件，及其对工程的影响程度）；地层与岩性特征（重点是软弱岩层的工程特性，强度等，对爆破和支护的影响）；主要地质构造（有无大断层等不利成洞的构造，施工单位需要进一步完成的工作，注意事项等）；初始地应力及二次应力分布情况及其对施工的影响评价、注意事项；地下水的产量、流向及对施工的影响评价；有害气体；岩爆、大变形等。2）围岩以及岩石的力学参数，自稳能力等。3）隧洞结构与围岩稳定间的关系，支护结构的受力特征，选择施工参数时的注意事项等。

2 水工隧洞围岩分类现状、问题与建议

2.1 围岩分类的现状

2.1.1 总体情况

鉴于影响隧洞围岩质量的因素很多、很复杂，当前，主要的施工方法选择仍然是在一定的围岩分类基础上的经验类比法。然而，人们从不同的角度确定了不同的分类方法，虽然都规定了适用范围，但因为关注点不同，因此在选用时仍然存在许多困难和随意性。另一方面，作为设计基础的围岩分类资料，主要是通过钻孔、原位试验等资料进一步分析后获得，跟施工阶段的真实围岩情况必然存在差别，同时在施工阶段更重要的是要考虑隧洞本身的成洞和稳定性等问题，而这些是在设计阶段难以准确把握的。

2.1.2 水工隧洞围岩分类的现状

用于水工隧洞围岩分类的规范主要是《水利水电工程地质勘察规范》（岩洞）、《土的工程分类标准》（土洞）以及《中小型水利水电工程地质勘察规范》主要用于水工隧洞室设计环节的围岩分类。其他，如《水工建筑物地下开挖工程施工规范》中，围岩分类的划分标准与《水利水电工程地质勘察规范》（岩洞）一致。

《水利水电工程地质勘察规范》规定围岩分类按两个阶段进行，其中初步分类适用于规划、科研和深埋洞室施工前的地质分类；初步设计、招标和施工图设计阶段采用详细分类。前者以岩石强度、岩体完整程度、岩体结构类型为基本依据，以岩层走向与洞轴线的关系、水文地质条件为辅助依据；后者则主要增加了地下水和围岩应力（强度应力比）影响指标。

2.2 存在的问题

在隧洞工程的施工中，施工方案的选择不仅影响工程的质量与安全，常常对工程的投资也产生很大影响。适当的支护有利于工程的安全，而过量支护不仅增加了费用，而且增加了安全风险。所有类似的事情都是施工现场常常引起争议的主要原因，而这些一般都与围岩的划分与一致确认有关。当前的划分标准主要存在以下问题：

1）适用标准不明确，各标准间的依据又不统一，造成施工阶段参建各方由于专业认识和利益关系的不同而难以达成意见统一。

2）标准中的有些定性指标的规定较为模糊，在设计阶段，因为技术人员的来源单一，经过讨论容易形成共识，而在施工阶段，则容易引起争议；有些定量指标，如地下水量、流向、围岩压力、方向等，在现场的测量工作则难以进行，导致很难及时获取准确数据，对施工带来很大影响。

3）围岩分类的结果一般只是表明施工应采用的设计标准，而无法对现场施提供准确的、针对性强的方案调整的依据。

2.3 对隧洞围岩分类的建议

1）施工前，设计单位或与其他单位协商提供一套具体的围岩划分标准，并与设计文件可以合理衔接。

2）根据隧洞围岩的具体特征，有条件的项目，建议结合隧洞结构、施工工法等，在已有规范的基础上，事先制订一套便于现场操作、指导性较强的围岩划分标准。

3）围岩分类中主要考虑围岩的自稳能力以及其初次支护措施的选择，而隧洞围岩的可爆性一般与围岩的完整性、岩石种类、强度、爆破方法等关系密切，而与围岩分类的相关性没有一致结论。因此，在制定具体项目的围岩分类时，可以将爆破因素从围岩的分类中分离出来，单独制定评价标准，以减少分类干扰和爆破工程计量上的矛盾。

3 隧洞渗水量与强度的认定

在没有衬砌以前，隧洞洞壁渗水对施工的影响很大、范围很广，几乎涉及到工程建设的安全、进度、质量和费用等各个方面。渗水部位、水量、水压、补给水源的不同，对隧洞施工的影响也不同。在洞身周壁渗水、压力较大、补给稳定、岩质较差时，隧洞的施工困难将会急剧增大；而对于集中渗水的情况，只要围岩稳定的问题不大，一般都可以有多种措施予以解决。目前，关于隧洞出水的情况大多是定量在隧洞的排水量或定向地予以简单描述，但这种概括地以隧洞的渗水量来比较判断隧洞的施个难度显然是不准确的。

当前，关于隧洞渗水量观测方法的研究主要集中在设计和隧洞衬砌完成以后。前者主要通过钻孔资料估算出隧洞轴线高程附近岩层的含水情况；后者则通过渗井或其他小型设备或简易方法对洞壁集中出水点的渗水量进行观测。两种情况的观测对象与隧洞洞身没有衬砌以前的情况存在很大不同。施工阶段，围岩边界（松动圈）范围内的渗水往往才是需要重点关注的对象，而这一阶段因为渗水情况复杂，常常很难准确确定渗水的主要部位，各部位的出水也很难相互隔离，甚至，在水量较大时，洞身前后段的出水量也会掺和在一起，无法定量区分，所有这些都使得准确测量工作的难度加大。

关于衬砌前洞身出水测量的研究很少，还没有形成一套相对完整的技术方案，因此需要做进一步的研究。可以分阶段进行研究，一套得以公认的测量方案，即使不够精确，但对统一解决问题的基础，缓解施工合同中关于洞身出水量的争议有利。