富水地质条件下地面大开挖隧洞成型方案比选

孙 强，单柏翔，游 艇

0 前言

隧洞工程包括交通隧洞（铁路隧道、公路隧道）、水工输水隧洞。随着隧洞工程快速发展，施工技术、设计理念均有较大改进，主要表现在从常规地形、地质条件向复杂地质条件的转变，从常规开挖方法到平地大开施工方法的转变，从以前短距离单支洞泄洪洞到现在考虑远距离支、主洞整体概念的输水隧洞等[1-3]。本文涉及到以上两个方面，一是富含水砂砾石层的复杂地质条件；二是区别于岩石坡面的平地面大开挖。

以柴河水库隧洞工程为例，柴河水库隧洞工程支洞口位于汎河250 m处，隧洞埋深0～36 m，地表为砂卵砾石，透水性强；洞室部位地层岩性为晚侏罗世侵入的安山岩、蚀变安山岩。进口段岩组不整合接触带、节理发育部位岩体较破碎～破碎，围岩多为Ⅳ、Ⅴ类。安山岩局部节理裂隙极其发育、蚀变作用强烈，加之地下水与地表汎河水产生水力联系，洞室开挖过程中可能出现节理切割的失稳超块体塌方、突水等地质问题，为解决如此复杂的地质条件下的开挖进洞问题，提出三种方案，进行对比研究。

1 存在问题

（1）在满足主隧洞线路情况下，支洞必须布置在距离汎河河道250 m左右的河滩地上，因地面平整，必须采用大开挖的方式，开挖方量大，基坑深，砂砾石透水严重，而且存在汛期河水倒灌的危险[4-5]；（2）工期长，施工受季节影响大，且渗水量大，抽排费用高，长期排水边坡有容易失稳。

工程布置图详见图1所示。

图1 隧洞大开挖布置图（单位：m）

2 隧洞成型方案

2.1 方案一：阻水帷幕后设轻型钢大棚

利用明槽段外围阻水帷幕施工对目前存在较大渗水的边坡进行系统处理，阻断强弱风化岩体渗水、地下渗水进入施工明槽，保证水量控制的可控范围内。同时，在明槽段上部搭设型钢大棚作为覆盖形成相对较封闭的室内操作空间，阻止地上降雨、降雪等上部水体进入基坑，保证明槽段形成较为干燥的施工条件，解决雨天、雪天坡陡路滑，冬季保温等无法克服的施工困难，提高生产强度，保证工期满足合同要求。此方案由分两部分：一是阻水帷幕；二是轻型型钢棚布置。

2.1.1 阻水帷幕施工

洞口阻水帷幕灌浆紧贴摆喷防渗墙布置单排帷幕孔，预计布孔206个。孔距1.6 m，孔深15.7 m，先导孔与检查孔钻孔孔径Φ76 mm，灌浆孔钻孔孔径Φ56 mm。预计钻孔约3234 m，岩石灌浆1854 m，灌浆单耗250 kg/m，灌浆水泥用量约460 t。灌浆孔分三序施工，Ⅰ序孔51个，Ⅱ序孔52个，Ⅲ序孔103个，所有灌浆孔共分为10个单元。

施工时间计划：前期准备10天，设备人员进场后现场布置5天，主体施工30天，灌后等强14天，灌后质量检查孔施工7天，共计66天。

2.1.2 型钢大棚施工

对整个明槽段开挖轮廓线外全覆盖轻型型钢大棚进行封闭，型钢大棚坐落于明槽开挖轮廓外围堰之上，高出地表以上。型钢大棚能有效的阻止外部降雨、降雪等外来水体进入基坑，同时，可兼顾冬季保温施工。大棚全长152 m，跨度8 m～52 m，覆盖建筑面积5058 m2，大棚屋檐高于堰顶高程1.5 m～2.0 m（设采光窗、通风口）。型钢大棚采用方钢作为主体骨架、屋面、墙面檩条采用冷弯薄壁型钢制作，屋面板采用100mm厚彩钢瓦覆盖。大棚双坡排水，排水通过明槽围堰堰顶截水沟排放。

施工时间计划：前期施工准备10天，设备人员进场后现场布置5天，材料进场5天，主体施工40天，共计划时间60天。

2.1.4 方案工程量及费用估算

阻水帷幕+型钢棚组合施工工程量及费用见表1。

表1 方案一主要工程量及费用计算

2.2 方案二：外延明洞并回填

从支洞桩号0+130后进入洞挖施工，为改变冬季、雨季难以正常施工的现状，拟将明拱段外延至0+000桩号处，待明拱形成达到强度要求后，回填砂卵石土至原地貌地面以上，将原设计明槽所无法避免的降雨、降雪影响因素最大程度的降低；同时，通过底板混凝土浇筑、拱架外围铺设土工膜等措施，有效阻断底板及明槽边坡强渗水进入明洞拉槽段，保证施工满足施工需求。

2.2.1 施工方案及技术参数

1）明拱段施工：采用“型钢拱架+钢筋网+喷射混凝土”支护施工，型钢拱架采用I12工字钢加工，拱架间Φ22锚杆连接；拱架外侧铺装6 mm厚钢板全断面封闭；拱架内侧布设钢筋网Φ8@150 mm×150 mm，喷射混凝土标号C25，喷射厚度150 mm。

2）防渗施工措施

①底板混凝土浇筑：底板混凝土采用C20混凝土浇筑施工，浇筑厚度200mm，表面铺设钢筋网Φ8@150mm×150mm一层。

②土工膜防渗：为阻断明槽边坡渗漏，在拱架回填施工之前，沿拱架外围侧环向铺设土工膜一层，根据大坝防渗体施工及工程施工经验参考拟选用两布一膜，规格500 g/m2，伸长率40%～60%的土工膜。土工膜紧贴拱架钢板面铺设，以拱架钢板作为土工膜支撑层。为保证底板与拱架外围整体的防渗效果，在底板混凝土浇筑期间，预埋土工膜与明洞外侧土工膜焊接连接，保证明洞段处于整体防渗保护体保护范围内。

3）明槽回填：在明拱段拱架施工完成后，分层回填素土、砂土或洞渣料至开挖前原地貌地面线。施工时，土工膜施工与分层回填同步进行，土工膜侧面和上部500 mm范围内人工回填素土层，以作为土工膜上垫层。

2.2.2 施工工期

拱架加工制作15天，明拱安装45天，喷射混凝土10天，底板混凝土浇筑13天，明拱外侧土工膜安装、拱外回填施工7天。合计直线工期68天。

2.2.3 方案工程量及费用估算

方案工程量及费用估算，见表2。

表2 方案二工程量及费用估算

2.3 方案三 现浇混凝土涵洞

拟将0+000～0+130明槽段通过现浇钢筋混凝土形成混凝土涵洞，根据通行需求，涵洞断面按5 m×5 m（净断面）设计，钢筋混凝土涵洞施工完成后，涵洞外侧回填砂砾石土至原地表高程。

2.3.1 施工方案及技术参数

1）涵洞施工

①钢筋混凝土浇筑采用组合钢模板施工，混凝土及配筋采用与锁口相一致的C35钢筋混凝土，双层配筋，主筋Φ22，分布筋Φ16。按10 m一仓进行分仓浇筑，仓位间设置橡胶止水。浇筑时，浇筑层高按2 m控制。

②底板混凝土采用C20混凝土浇筑施工，浇筑厚度200 mm，表面铺设钢筋网Φ8@150 mm×150 mm一层。

2）回填施工

在涵洞施工完成后，分层回填素土、砂土或洞渣料至开挖前原地貌地面线。

2.3.2 施工工期

涵洞浇筑施工采用人工搭设满堂架，支立组合钢模板进行施工，底板混凝土浇筑13天，涵洞浇筑预计直线工期93天，土石方回填7天。

2.3.3 方案工程量及费用估算

方案工程量及费用估算，见表3。

表3 方案三工程量及费用估算

2.4 方案比选

根据对各施工方案的对比分析，认为方案二为最佳方案。

3 结论

（1）通过外延明拱喷射混凝土+外包土工膜及底板混凝土浇筑形成完整防渗整体，能有效阻断外围渗水渗漏进入洞内，利用明拱外延封闭将原有露天施工影响进行合理规避，保证即使地下水位上涨，明槽段强风化岩体渗水不影响施工洞室作业。

（2）可加强此施工工作面的安全保障能力，对整个工程安全建设起到积极的促进作用；同时，方案实施得当，明槽边坡渗水得到有效控制，防止在汛期超标渗水进入主洞，消除对下游洞室可能存在的威胁隐患。

（3）通过明拱外延有效的解决了渗水问题，保障了施工安全，避免了因道路渗水、坡面渗水导致湿滑、冰洁路面多存在的安全隐患，减少工程经济损失；同时，方案的实施进一步提高工程本身防洪度汛能力，减少可能出现的不可预见的经济损失。

（4）可大幅改雨雪、冰冻条件下不利的交通条件，特别是在冬季负温状态下（每年11月至次年3月此时间段内，长坡面结冰路面运输相当困难，施工效率低下）施工工期不受影响，4个冬季施工均能高效施工，为工程达标投产产生积极的推进作用。

[1]刘锐.复杂地质条件下中小型水利工程勘测设计工作若干问题思考[J].水利建设与管理,2017,01:59-62.

[2]孙超.长江大堤巨厚粉细砂层混凝土防渗墙施工[J].水利建设与管理,2016,12:16-19.

[3]傅辉云.浅谈软弱地基复杂地质层堤防基础处理办法[J].水利建设与管理,2016,05:09-11.

[4]范远东,郭青春.深水抛石围堰防渗帷幕设计与施工探讨[J].水利建设与管理,2014,12:06-09.

[5]朱品安.复杂地质条件下浅埋隧洞开挖施工技术 [J].建筑科学,2008,35:48-49.