延安黄河引水工程小断面长隧洞开挖施工技术

蒲军辉

（中国水电建设集团十五工程局有限公司，陕西 西安 710065）

1 工程概况

延安黄河引水工程位于延安市东北部，是以黄河为取水水源的长距离引水管线工程。其中黄延线从延水关一级泵站提水，主要沿张家河、文安驿川、西沟、延河布置至延安市东川水厂，管线全长约87 km，包括2座调蓄水库、6座加压泵站、6条隧洞及67.9 km输水管道。

黄延线6座隧洞全部为城门洞型，分别为杨家山隧洞、姚家山隧洞、新舍古隧洞、薛家沟隧洞、文安驿隧洞、芦草梁隧洞。其中杨家山隧洞设3条施工支洞，其余隧洞不设施工支洞。隧洞单工作面最大开挖长度为新舍固隧洞进口工作面，单头开挖长度约2 km。黄延线6座隧洞断面尺寸及地质情况见表1。

表1 隧洞断面尺寸及地质情况特性表

2 隧洞开挖施工方法

2.1 风、水、电及通风布置

隧洞施工供风风管为钢管，布置在隧洞侧墙中下部，和施工用水水管平行。电力线路布置在另一侧，高度从拱脚向下布置距地面约1.9 m左右。风筒布置在洞顶稍偏一侧，以便安装激光定向仪。

2.2 洞内渗水处理

（1）黄土洞段洞内渗水处理

黄土洞段地下水位高于洞顶，施工时需采取降排水措施，确保施工安全。施工时采取在隧洞已开挖成型底部一侧每隔50 m设置集水坑，采用1.1 kW潜水泵抽排渗水至洞外排水渠。同时采取自开挖基础面向下扩挖30 cm深，扩挖到位后先铺设10 cm厚碎石垫层、再浇筑20 cm厚C20钢筋网片垫层混凝土，以满足洞底排水和隧洞出渣道路要求。

洞内排水采用排水盲沟、集水坑进行排水，集水坑尺寸为1.0 m×0.5 m×0.5 m（长×宽×深），每个集水坑内设置1台1.1 kW的潜水泵抽排渗水至洞外。

（2）岩石洞段渗水处理

在洞内渗水点比较集中的洞底部位挖设集水井，洞内渗水汇集到集水井内后采用潜水泵抽排至洞外。在做集水井时，根据洞内渗水情况，一侧渗水时在该侧挖集水井；当两侧或全断面渗水时，在洞底板横向挖一整体集水井。由于输水隧洞断面小，挖设集水井后影响交通。因此在集水井上铺设槽钢，上部覆盖钢板，将集水井做成暗井，保证洞内交通安全和畅通。

同时在集中渗水段底部基础面上铺设20 cm碎石垫层，碎石垫层上部用洞渣找平压实，并在隧洞底板两边侧碎石中埋设φ110 PVC花管，保证所有渗水能在洞内底部互通和两侧流动并能及时汇入集水井。

洞壁集中大量线状渗水时，采取在洞壁钻排水孔、安装水管引至一侧集水井内。洞壁全断面线状渗水时，在隧洞顶部采用防渗雨布紧贴渗水岩面并固定，使渗水有序流入到两侧集水井内，并用潜水泵抽排至洞外。

2.3 洞内底板保护技术

黄土隧洞洞底保护采取自开挖基础面向下扩挖30 cm深，先铺设10 cm厚碎石垫层，再浇筑20 cm厚C20钢筋网片垫层砼，以满足洞底排水和隧洞出渣道路要求。

岩石隧洞洞底保护采用沿洞底板平铺碎石垫层，平铺厚度30 cm，洞底因水浸超挖部分采用坚硬洞挖块石料摆放至设计洞底高程，上部铺填碎石后硬化，形成洞底板保护面。保证隧洞内干地施工和设备通行道路畅通。在施工过程中，当碎石保护层被施工设备碾压形成车辙时，及时采用人工平整。断面较小的隧洞底板两侧碎石中埋设φ110 PVC花管，保证所有渗水能在洞底互通和两侧流动并能汇入集水井内。

2.4 黄土隧洞开挖施工

黄土状隧洞开挖采用人工配合0.3 m3反铲进行开挖，人工修整开挖轮廓线成型，2 m3装载机装运土料至洞外，10 t自卸车运输至附近弃渣场，每循环进尺0.8 m～1 m。每循环开挖后，为防止地下水逐渐渗出，造成顶部及掌子面坍塌，及时、快速的对开挖面全断面喷射5 cm砼进行封闭。并及时快速的安设钢筋格栅拱架（间距0.8 m）、锁脚锚杆、格栅拱架连接钢筋、挂网钢筋和喷射20 cm砼，然后及时铺设10 cm碎石排水层和浇筑20 cm厚度C15垫层砼，使初期支护、排水层和底板垫层砼封闭成环，确保安全后，进入下一循环。

遇到不良地质条件，当掌子面顶部掉块形成空腔时，及时喷射砼封闭掌子面及空腔面，防止掉块扩大。然后采用Φ25超前锚杆在开挖掌子面顶拱范围内进行超前支护，锚杆间距20 cm，深入土层2 m，外露1 m，并与已成型格栅拱架焊接牢固。同时调整格栅拱架间距50 cm每榀，继续向前短进尺、强支撑穿过该不良地质段3 m～5 m，挂网、喷护封闭掌子面后，再对已坍塌洞顶空腔部位采用钻孔插入φ50PVC管注浆回填密实。

2.5 岩石隧洞开挖施工

岩石隧洞开挖采用钻爆法开挖方案，开挖遵循新奥法原理，坚持“先勘探、再治水、管超前、弱爆破、短进尺、少扰动、强支护、早封闭、勤观测”的施工原则。围岩采用全断面开挖法，Ⅲ类围岩每循环进尺2.5 m；IV类围岩每循环进尺2.0 m，V类围岩每循环进尺1.0 m。浅埋、断层破碎带等不良地质洞段采用环形开挖预留核心土法，每循环进尺0.8 m。

（1）围岩全断面法开挖

Ⅲ、Ⅳ类围岩地段采用中间掏槽、周边光面爆破技术进行全断面开挖。采用移动式钻爆台车YT-28手风钻钻孔，人工装药、连线，非电毫秒微差起爆网络进行爆破。出渣采用2 m3轮式侧翻装载机装渣，5 t翻斗车运输至洞外弃渣场。

Ⅴ类围岩地段开挖前，由于围岩较破碎且存在地下水，先进行超前小导管预注浆+超前锚杆等工程措施封堵地下水和加固地层，然后再进行开挖。隧洞开挖采取少药量、弱爆破、短进尺、多循环施工以减少对围岩的挠动，开挖后及时进行初期支护、施作底部垫层混凝土尽早封闭成环。施工时严格控制施工用水，防止岩面被水浸泡。

（2）不良地质段采用环形开挖预留核心土法

不良地质段开挖前，先进行超前围岩预注浆+超前管棚等工程措施封堵地下水和加固地层，然后再采用环形开挖预留核心土法进行施工。上部环形导坑采用人工风镐开挖，必要时辅以弱爆破，下导及底板采用控制爆破开挖；进尺不超过0.8 m。各部开挖后及时封闭掌子面，喷锚+工字钢拱架联合支护。对于上部环形导坑空间较小部位，径向锚杆支护采用中空自钻式锚杆，锚杆加长采用高强度联结套，使自钻锚杆具有边钻进边加长的特性，实现了长锚杆加固围岩问题。拱脚、中下导墙角增设锁脚锚杆，初期支护及时成环。核心土距拱顶开挖面1m，坡脚距拱脚开挖面1.5 m。

岩石隧洞开挖，每隔300 m～500 m在隧洞一侧设置一个避车道，避车道结构尺寸满足隧洞出渣设备回转要求。

3 隧洞施工采取的新技术

3.1 采取激光指向仪开挖定向

输水隧洞施工过程中，由于断面较小，测量放线时洞内光线和烟尘对测量工作干扰较大，同时洞内测量控制点因洞底渗水和泥岩基础等原因容易被扰动或破坏。因此，施工中根据隧洞以直线为主的有利条件，采用激光指向仪在隧洞开挖时进行定向。

激光指向仪的体积小、重量轻、功耗低、安装调试相对方便,且有效作用距离能达到500 m以上，能直观地为施工提供隧洞的开挖方向及坡度等重要参数，同时激光指向仪还提高了隧洞测量工作的精确性和效率。

当隧洞开挖70 m～80 m时，就可安装激光指向仪，在洞顶合适部位造孔安装锚杆，将激光指向仪底板与锚杆连结在一起,把激光指向仪的水平和垂直微调调至中间位置，然后用全站仪测出激光指向仪的中心，再用全站仪测出掌子面上和激光指向仪相同位置的点，微调将激光指向仪的光点投到掌子面的全站仪测设的点上，就完成了定向。

激光指向在使用过程中并不是一成不变的,可能因人为晃动、爆破震动、洞顶压力等因素影响,导致激光指向仪偏离原来设计方向,必须进行光束校核检查。常用两种方式来检查，一是间隔几个循环爆破后采用全站仪测设一次掌子面，并测放出投点的设计位置，与激光指向仪的投点是否相符；二是在刚检验过正确的激光指向仪的光线洞顶，距指向仪10 m和60 m的两处造孔安装锚杆，在锚杆下部挂细绳垂直球刚好通过指向光束，在通过部位做记号，经常观察光束是否经过两处的标记点，检查是否发生变动，若变动及时调整激光指向仪。

激光指向仪的使用不仅减轻了测量工作量，提高了测量效率；而且指向仪和全站仪测量相互校核，确保了隧洞开挖方向和高程的准确性。

3.2 采取添加聚酯纤维（或聚丙烯纤维）喷射砼

本工程地处陕北地区，冬季气温较低，喷射砼回弹量较大，在调整速凝剂的掺量后仍没有明显改观。经过试验、研究决定在喷射砼内添加聚酯纤维网状束，改善喷射砼特性来降低回弹量。通过在喷射砼中添加聚酯纤维材料后，喷射砼回弹量从14%降低到8%，提高了经济效益。

3.3 采取离心式通风机通风排烟

由于隧洞断面较小、距离长，通风机需要在同等风量的情况下风压要大，这样才能保证尽快将洞内烟尘排出。根据现场实践，在部分隧洞洞口采用高压离心式通风机、硬式波纹管通风后，隧洞开挖距离达到1000 m以上时洞内通风排烟效果良好。采取高压离心式通风机通风不仅功率较小、价格便宜，而且采取硬式波纹管通风直径小、通风损耗小、在小断面隧洞内对机械设备通行干扰小。

4 结语

延安黄河引水工程6座小断面长隧洞开挖施工，通过采取科学合理的施工方案和施工新技术的运用，不仅成功地解决了本工程小断面长隧洞施工中地下水位高、穿越地层多、岩性复杂、断层构造发育等不良地质条件以及施工风险高和隧洞断面小、洞内空间狭窄、施工难度大等技术难题，而且优质、高效、安全、快捷地完成了隧洞开挖施工任务，可为我国黄土高原地区小断面长隧洞施工提供技术参考。