长距离小断面引水隧洞施工技术

2023-01-10苏兴彬李艳梅蓝天缘

广西水利水电 2022年6期

苏兴彬，李艳梅，蓝天缘，冯威

（1.崇左市左江治旱工程管理中心，广西崇左 532200；2.中国水电建设集团十五工程局有限公司，西安 710054）

长距离小断面引水隧洞的主要特点包括：施工空间狭窄、工作面小（开挖断面小于10 m2）、交通运输不便、通风排烟排水困难、施工功效低[1～3]以及施工中可能会出现的塌方、涌水、突泥等工程地质灾害，施工环境总体较为复杂。但引水隧洞在长距离、复杂地形、地质条件下被广泛采用[4]，在工程穿山越岭、开挖难度大、交通不便的地区，避免了大规模的土石方开挖，使得长距离输水项目工程量减少、蒸发量减少、输水效率大大提高，因此水工隧洞成为国内外长距离引调水工程设计中经常采用的形式，特别是国内近几年供水、灌溉工程项目开工较多，特小断面长距离引水隧洞较为普遍。

1 宁明干渠峙书隧洞施工的特点及影响因素

1.1 基本概况

峙书隧洞洞长2404 m，隧洞穿越低山丘陵地区，设计断面为城门洞型，尺寸为2.20 m（宽）×2.32 m（高），开挖断面面积9.34 m2，按《水工建筑物地下开挖工程施工规范》（SL 378-2007），属特小断面，设计流量为1.79 m3/s，最大埋深约为118.5 m，过沟库尾段最小埋深约为13.0 m，设计无支洞，洞内避车道间距为200 m，纵向比降1/1500，平面转角两个（21.8°、半径60 m，50.6°、半径50 m），隧洞穿越地层为侏罗系下统汪门组（J1w）粉砂质泥岩夹泥质粉砂岩、百姓组下段（J1b1）泥质砂岩夹粉砂质泥岩，围岩类别以Ⅴ类为主、局部为Ⅳ类，整体围岩较差，洞身位于地下水位线以下，局部渗水量较大。

1.2 施工组织设计

（1）开挖采用全断面钻爆法，一次钻爆成型，并及时进行一次支护锚喷。采取进、出口双向掘进平行施工，以满足计划工期。

（2）支护方式为安装钢拱架、锚杆、钢筋网片的喷锚支护，Ⅴ类和Ⅳ类围岩调整相应间距，进出口采用大管棚支护、库尾浅埋断层段进行超前小导管支护，洞内避车道加强支护。

（3）通风采用风管式压风输送，轴流风机20 kW，Φ600 mm柔性风管设置在洞内顶部，并加固牢靠，随着隧洞进尺加深，增加一台轴流风机串联送风，确保掌子面含氧量不小于19.5%，进口段工作面，对于通风排烟来说，属于正向坡，有利通风排烟或者通风排烟效率高，但对于出口段工作面，对通风排烟来说，属于逆向坡，不利于通风排烟，在已开挖的隧洞中间段容易形成烟塞。

（4）出渣对于这种特小断面隧洞施工来说是最为困难的，总体效率比较低，但经过多方咨询、比较，采用ZL15扒渣机装车、当地农用机具“七牛”（拖拉机的一种）进行运输，每车只能装3～4 m3，因隧洞围岩岩性较差，加上渗水影响，洞底板很容易软化形成泥浆，所以根据进度深度情况，适时进行底板铺筑碎石或砼进行硬化，以便于车辆运输和通行。

（5）排水设施，采用固定间隔距离设置集水井、安装智能控制水泵抽水和通风功效相反，在隧洞进口段，因为是逆坡排水，相对繁琐困难一点，而在隧洞出口段，因为是顺坡排水，相对容易一点。

（6）二次衬砌为钢筋砼，采用定型钢模台车（长度12 m）进行模板安装，钢筋等零星材料采用“七牛”进行运输，采用砼罐车运输至洞口后采用地泵进行输送入仓，相对效率高，质量容易控制。在穿越拐弯段时要对台车进行拆解重新组装，浇筑完成后要对地泵泵管及时彻底清理，方便后续使用。

1.3 对施工的主要不利影响因素

（1）围岩类型以Ⅴ类为主、Ⅳ类为辅，且有渗水，采用光面或预裂爆破进行掘进，超挖总是无法彻底避免，致使超挖出渣、喷护及二衬砼工程量不同程度增加，造成项目费用大幅度增加。

（2）因围岩差且存在渗水、钻爆废水，虽经采取抽排水措施，不可避免的造成隧洞底板泡水软化，车辆运输不便。

（3）该隧洞为特小断面且距离长，又未设计支洞，而洞内设施必须设置齐全，包括通风排烟风管、作业分管、进水管、排水管、动力电缆、应急照明、爆破线路、集水井等设施，在如此狭小空间合理布设上述设施，非常困难。

（4）在桩号N35+414.271 处存在FN15 断层且桩号N35+414.271～N35+594.271 为峙书水库库尾浅埋段（最小埋深约13 m），围岩为Ⅴ类，存在突泥涌水的风险。

2 关键技术的应用和处理方案优化

2.1 钻爆法开挖的应用

采用全断面微差控制光面爆破法施工，按“短进尺、弱爆破、少扰动、勤支护”原则进行。城门洞型断面尺寸为3.10 m×3.25 m，周边孔间距50 cm，孔深1.1 m，采用间隔不耦合装药，毫秒雷管引爆，炮孔痕迹在开挖轮廓面上均匀分布，炮孔痕迹保存率60%以上，对节理裂隙极发育的岩体，达到20%。围岩中不得有明显振动裂隙，不得有欠挖。

底孔、掏槽孔、崩落孔采用耦合连续装药，间距分别为70、70、60 cm，孔深分别为1.3、1.3、1.4 m，毫秒雷管起爆，装填系数0.7～0.85，采用2#乳化炸药，Ⅳ类围岩循环进尺1.5 m、Ⅴ类围岩循环进尺1.0 m，掏槽孔采用斜线方式，确保掏槽效果。

起爆网络：①起爆材料采用MS1～13 电雷管。②起爆方法。周边孔采用电雷管引爆毫秒导爆管，通过捆绑毫秒导爆管形式用电雷管引爆毫秒导爆管起爆炸药。③起爆顺序：掏槽孔→崩落孔→底孔→周边孔。

结合围岩等现场情况，经多方案比较，最终确定爆破方案。爆破效果良好，装药耗时短，炮孔痕迹保存率高（50%以上），炮孔利用率70%以上，平均超欠挖±10 cm，岩体相对完整，循环进尺1.0～1.5 m，进尺比较理想，经济效果较好。

2.2 库尾浅埋断层破碎带处理方案优化

2.2.1 基本情况

隧洞进口段开挖至桩号N35+400时，围岩岩性逐渐变差且渗水量增加，根据地质勘探，在桩号N35+414.271～N35+594.271 范围存在断层、浅埋段，且位于峙书水库库尾处，需及时加强防护。设计方案采用小管棚（Φ42 mm、管壁厚3.5 mm、长3.5 m、@0.3 m×2.0 m），喷15 cm 厚C20 砼，钢拱架Ⅰ14（纵向间距0.6 m），挂钢筋网（Φ8 mm，@0.15 m×0.15 m），砂浆锚杆（Φ22、长2.5 m、@0.6 m×1.0 m）、顶拱回填灌浆等技术措施加强防护，确保施工安全。

2.2.2 方案优化

由于现场实际作业环境复杂，且处于库尾，实际渗水量较大，岩层破碎类似泥土，随时存在突泥、涌水、塌方的危险，为了确保施工安全，对原设计方案进行了优化。

（1）超前地质预报，采用超前钻孔，深度约6 m，用以探明渗水量大小，避免突然发生涌水情况。

（2）喷C20 砼调整为喷C25 早强砼，砼强度等级提高且凝固时间缩短，确保及时硬化凝固，缩短作业周期。

（3）挂钢筋网（Φ8 mm，@0.15 m× 0.15 m）调整为挂钢筋网（Φ8 mm，@0.10 m× 0.10 m），另外结合实际增设随机锚杆（Φ25 mm、长3 m）。

按照以上处理方案，施工过程中顺利穿过库尾浅埋断层区域，确保了施工人员、设备的安全。

2.3 隧洞开挖底板浸泡软化处理方案优化

峙书隧洞地质岩性总体较差，渗水、钻爆废水渗流到底板上，加上扒渣机、运输车等来回活动，底板很容易软化成泥，造成施工不便。因此对隧洞底板浸泡软化处理方案进行优化。①及时做好集水井汇集明水，对洞顶等部位大量渗水按照排水管汇集排水至底板排水沟，钻爆废水及时排除；②钻爆时，底板留有10 cm 保护层，及时铺筑2～4 cm 碎石厚20 cm，个别岩性破碎部位采取浇筑15 cm 厚C20垫层砼；③采用智能控制抽水泵，联动抽排积水，确保洞底板处于干地状态，便于施工运输。此优化方案减少了后期清基和回填砼工程量，利于工人及机械设备作业，同时避免了回填砼的费用损失。

隧洞底板浸泡软化处理方案经优化后，底板得到保护，运输效率提高，机械及人工处于干地施工状态，作业环境得到极大改善，提高了施工效率。

2.4 隧洞内通风排水等设施布置优化

因峙书隧洞距离长为2404 m，且未设置支洞，又是特小断面，按照常规布设各项设施无法实施，必须根据现场实际情况进行布置优化，以确保施工正常进行。

洞内风、水、电从上到下原布置为其中一侧布设施工用电、作业供风管，另一侧布设通风排烟管、进水管、出水管。方案未考虑应急照明、爆破线路、信号线路等设施，与实际作业不相符，不能满足要求，无法确保安全生产。因此，优化布置为其中一侧布设作业风管、进水管、出水管、爆破线路以及底部处设置集水井；另一侧布设动力电缆、应急照明、信号线路，同时在本侧开挖错车道；通风排烟软管布设于隧洞顶部。经过现场实际作业，运行良好，极大促进了隧洞开挖作业，节约了费用、提高了功效，同时满足安全文明施工的要求。