浅谈深埋长隧洞的勘测、设计和施工

李有华

摘要： 水利工程建设中的隧洞都存在施工難度大、地质条件复杂、危险性高和投资风险大的特点，隧洞长度超过2km的深埋隧洞，上述特点更加明显，这就要求深埋隧洞的测量、勘察、设计和施工都要有个高的技术要求，以确保工程顺利建成。

Abstract： The tunnels in the construction of water conservancy projects has the characteristics of high construction difficulty， complex geological conditions， high risk and high investment risk. The above-mentioned characteristics are more obvious in tunnels with a tunnel length exceeding 2 km， which requires the measurement， survey， design and construction of deep tunnels must have a high technical requirements to ensure the successful completion of the project.

关键词： 深埋长隧洞；测量；导线；勘察；地下水；设计；施工；辅助坑道

Key words： long buried deep tunnel；measurement；wire；survey；groundwater；design；construction；auxiliary tunnel

中图分类号：TV221 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）17-0139-02

0 引言

水利工程中的隧洞由于深埋地下，地质条件复杂，施工难度大，因此做好工程开工的前期工作显得尤为重要。本文结合云南省蒙自市杨柳河引水工程的特点，根据深埋隧洞的特点，结合勘测、设计和施工进行分析总结。

蒙自市杨柳河引水工程是在距鸣鹫镇约1km处的河道里布置取水枢纽和泄洪闸，其中取水坝坝高5.1m，坝长129m，泄洪闸由2×3.6m的平板钢闸门控制泄洪。在泄洪闸的左侧布置取水闸，取水闸后接引水明渠，引水明渠的左边墙兼做挡水建筑物。明渠后接沉沙池和引水隧洞，引水隧洞在平面上呈折线布置，全长9808m。隧洞出口布置在距小寨村0.7km处。隧洞出口和流入北溪河的支流交汇后进入菲白水库和庄寨水库，经菲白水库和庄寨水库调节后经工农大沟进入五里冲水库。

1 工程测量

工程区位于云南高原南缘山区。区间岩溶地貌以峰丛洼地及溶丘谷地为主，峰丛洼地均由碳酸盐岩构成，溶丘基座相连，洼地和漏斗嵌布其间，峰丛相对高度一般小于百米，峰形峭利，基岩裸露，局部地段由于受岩层产状控制，岩峰呈单面山和猪背岭，洼地多呈椭园形、长条形及不规则状等形态。溶丘谷地分布于隧洞区中、上段间，谷地中分布有漏斗、落水洞，并有第四系冲洪积物覆盖，溶丘与谷地相对高差数十米至百余米，隧洞上覆地形起伏较大。为保证隧洞的顺利贯通，隧洞的控制测量是关键，隧洞的控制测量分为平面控制测量和高程控制测量，又可分为洞外控制测量和洞内控制测量。测量时的误差会对隧洞的贯通产生横向误差、竖向误差和纵向误差。一般情况，竖向误差主要由高程控制误差引起，误差来源规律简单；纵向误差主要由测距误差引起，但不直接影响隧洞的贯通；横向误差是隧洞贯通的主要误差，对于勘察设计阶段的平面控制测量，主要是控制横向误差。

由于该隧洞全长为9.88km，属于长输水隧洞，根据《水利水电工程施工测量规范》SL52-93要求，在进行隧洞控制测量前要做贯通测量技术设计，顾及现阶段洞外平面控制测量主要采用GPS网，高程控制测量主要采用三角高程测量及数字水准测量，精度较高，故洞外横向贯通中误差值可取45mm，洞外竖向贯通中误差值可取20mm。顾及后续施工的需要，在隧洞进出口位置、支洞进口位置，要布设至少一对通视的控制点。本次平面控制点由12个GPS点组成，网中共有32条基线参与平差计算，闭合环最大节点数为3点，闭合环总数32个，其中，同步环总数20个，异步环总数12个，三维自由网平差单位权中误差26.8mm，最弱边相对误差1/220000，精度满足技术设计要求。高程控制点共用平面控制点，另外用全站仪三角高程测量法测量各控制点的高程，并用GPS拟合高程进行检核，经平差计算，高程闭合差为18mm，精度满足技术设计要求。

2 地质勘察

蒙自市杨柳河引水工程的引水隧洞洞身全长9808.0m，由于隧洞为深埋长隧洞，给工程地质勘察工作带来很大困难。首先是布置钻孔孔数的问题，如此长的线路，如果按照一般布置，沿隧洞轴线100m布置一孔，将要布置上百个勘探钻孔，势必耗时耗物，影响工程建设；其次由于工程地质区由白云岩、灰岩、硅质岩、泥质灰岩及砂岩、泥岩构成，区间有微、弱、强风化岩体，地下水活动无～强（无地下水地段占39%），有层状结构、碎裂状结构、镶嵌状结构和散体结构体。由于整个工程区处于灰岩地段，岩溶、漏斗等地质构造较为发育，发生围岩变形、塌方、岩爆、高外水压力、突水、突泥和涌水、高地温、岩溶、膨胀岩、有害气体、有害水质、放射性危害等地质问题可能性较大，势必给工程的施工带来很多危险；最后是由于隧洞围岩的稳定性有 19.0%为基本稳定地段（Ⅱ），有34.82%为局部稳定性差地段（Ⅲ），有36.17%为不稳定地段（Ⅳ），有10.01%为极不稳定地段（Ⅴ），而且各类岩层交错分布，如果对各类岩层划定不清，势必会给工程的施工和计量带来很多困难和麻烦，直接影响工程的投资建设。

隧洞在2km以内，均可根据隧洞进出口、低洼地段、岩层明显变化处等明显地质特点进行布孔勘探，一般均可查明地下地质情况。但对于超过2km长隧洞，地质构造种类就变得较为繁杂，地质勘查人员只能根据地表地质勘查工作，在隧洞沿线溶蚀、漏斗、冲沟、断层、地层分界线和隧洞转弯处附近进行布孔进行勘探，这就需要有相当丰富经验的地质勘查人员。当然，由于大部分隧洞的进出口位置均处于覆盖层较薄、岩层风化程度较高、进出洞均容易坍塌的地段，因此，无乱长短隧洞，一般情况下都应布置钻孔进行勘探。如果一套地层较为完整，没有大的地质构造出现，山岩厚度不超过200m的情况下，一般均在500m以内布孔或者进行物探，如果山岩较厚，布控或者进行物探的距离可控制在2km以内。

根据上述地质勘探原则，蒙自市杨柳河引水工程在施工过程中出现的岩溶、塌方、涌水和突泥等对工程不利的地质现象，其位置基本和设计相同。隧洞开挖后，经过地质编录统计，隧洞围岩的稳定性有 16.3%为基本稳定地段（Ⅱ），原设计为19%；有31.55%为局部稳定性差地段（Ⅲ），设计为34.82%；有37.43%为不稳定地段（Ⅳ），设计为36.17%；有10.01%为极不稳定地段（Ⅴ），设计为14.72%，基本和设计吻合。

3 隧洞断面设计

3.1 隧洞断面尺寸的确定

蒙自市杨柳河引水工程主要是引水隧洞的设计，引水隧洞采用钢筋砼无压圆供直墙式结构，由于隧洞较长，进出口高差不大，按明渠均匀流计算确定输水隧洞的断面尺寸，计算公式为：Q=AC

计算成果如表1。

3.2 隧洞结构设计

无压隧洞的断面型式有圆拱直墙式、马蹄形和蛋形等，本工程采用了圆拱直墙式断面。在进行无压隧洞的衬砌计算之前，一般先剪拟定断面型式、轮廓尺寸和衬砌厚度，衬砌厚度约为洞宽的1/8～1/12，且不得小于结构要求的最小厚度，此外还可应用工程类比法等来确定衬砌的初步厚度。本工程圆拱直墙式衬砌分顶拱、边墙和底板三部分，为封闭式衬砌结构，衬砌的计算方法很多，也比较繁杂，但不论哪一种计算方法，都作了与实际不完全符合的基本假定。加上山岩压力、岩石弹性抗力和外水压力等均较难准确地确定，因此，计算方法应从实际条件出发合理地选择。在衬砌计算中，除考虑衬砌的结构特点、荷载作用形式和围岩条件外，还应考虑施工方法。本工程结构计计算采用《SDCAD4.0水利版计算软件》进行结构计算分析，结合相近工程进行类比确定衬砌厚度。

需要指出的是无压隧洞设计荷载除了计入外水压力外，还需要根据围岩类别计入山岩压力，對于Ⅰ类围岩，可不计入山岩压力；对于Ⅱ、Ⅲ类围岩，只计入山岩压力，不考虑侧向水平山岩压力；对于Ⅳ、Ⅴ围岩，可按松动介质平衡理论计算山岩压力。本工程所涉及的Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ四类围岩均可按照规范的相应公式进行计算得出。

总而言之，工程的设计总体来说较为简单，根据设计流量要求和进出口所在的高程位置，可很简单设计出过水断面尺寸要求，根据围岩类别进行结构计算也可得到设计断面的衬砌厚度。本工程设计难点就是工程量和投资的控制，工程量的控制直接和地质勘查的成果有关，也是影响投资变化的主要因素之一，这就要求地质勘查工作做得细做的实，因此地质工作的重要性由此可见。另外，施工的工艺和施工方法也是影响工程投资的又一个主要因数，因此，设计人员必须在设计过程中要考虑如何来施工，确保在最短的时间内以最经济的投资完成工程建设任务，这才是要考虑的主要问题。

4 工程施工

长隧洞的施工和一般隧洞的施工存在很大差别，一般隧洞（2km以内），其工作断面在进出口布置便可快速高效完成工程的开挖。长隧洞则不同，为便于工程的施工和建设，缩短工程建设工期，到达合理的经济效益，长隧洞的施工应在合理位置布设辅助坑道以增加工作断面。辅助坑道应布置在隧洞沿线较低洼处，但辅助坑道布设间距不应超过2km，因此，蒙自市杨柳河引水工程结合工程的实际情况考虑3条辅助坑道作为工作断面进行开挖。解决了工作断面的问题，就面临隧洞的开挖，长隧洞由于地质构造复杂，特别是灰岩地区，溶洞、断层、软弱夹层等薄弱地质构造，给施工带来很多不便和危险，为此，如何安全快速掘进就成工程建设的关键点。蒙自市杨柳河引水工程隧洞的开挖均按照Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类和Ⅴ类围堰分类进行开挖，一般情况下，Ⅱ类围岩一般不需要支护措施便可开挖掘进。三类围岩理论上仍然不需要支护，只要素喷混凝土，对其封闭便可开挖，但由于工程施工过程中，由于在开挖过程中，爆破装药量过大或者布设爆破孔不合适，开挖断面周边岩体的整体性就会遭到破坏，可能由Ⅲ类变成Ⅳ类或者Ⅴ类，这就要求在开挖过程中要按Ⅳ类或者Ⅴ类进行支护处理。在隧洞衬砌过程中，在很多地段Ⅲ类夹Ⅳ类（或Ⅳ类夹Ⅴ类）交替出现，而且互夹的频距较短，如果按照围岩分类别衬砌，势必影响工程质量。当然，如果互夹的频距较长，是必须要按围岩分类别衬砌。因此，在互夹的频距过短的情况下，衬砌采用就高不就低的衬砌原则进行。

当然，隧洞的施工还要注意洞内错车道的布设，隧洞通风、通电等基本设施的安装布置，对渗水应在合适位置修筑集水井进行抽排。在施工过程中，还应安排巡视人员对可能发生的隧洞坍塌、涌水、突泥等地质灾害点进行常规巡查，一旦发现迹象应及时处理，以免带来人员伤亡。总而言之，隧洞的施工是危险性很高的行业，施工单位因根据工程的具体情况提出合理的施工方案，精心组织，认真实施，确保工程顺利完成。

参考文献：

[1]《工程地质手册》（中国建筑工业出版社第四版）.

[2]取水输水建筑丛书《隧洞》.中国水利水电出版社.

[3]SL279-2016，水工隧洞设计规范[S].

[4]SL378-2007，水工建筑物地下开挖工程施工规范[S].