山区长距离小断面引水隧洞施工技术研究

1 引言

在长距离、复杂地形、地质条件下引水隧洞作为一种主要的输水建筑物被广泛使用[1-5]。 目前，关于长距离小断面引水隧洞的研究多集中于预先支护设计预警、配筋计算[6-8]、支护方案优化等处置问题[9-11]，对于整体开挖的综合方案，没有统一的、概括性的研究定论。 以长距离、小断面引水隧洞施工为研究对象，对于施工中普遍存在的操作空间狭窄、工作面小、单头掘进工作效率低等问题，以及施工中可能出现的塌方、突泥涌水等工程灾害预防进行有针对性的分析，可有效保证工程的施工及后期运营安全；同时，可以为小断面长距离隧洞施工技术的发展提供一定借鉴，同条件、同类型水工隧洞的施工提供参考。

2 工程概况

毕大供水2 标段由王家坝隧洞及山家寨输水管道组成。王家坝隧洞桩号为10+400~19+559，全长9.16 km。

2.1 工程地质

王家坝隧洞区主要为三叠系下统至二叠系地层， 线路走向与岩层近于直交。 地层岩性主要有砂岩、泥岩、泥晶灰岩、泥质灰岩、泥质白云岩、钙质泥岩夹泥灰岩。

2.2 隧洞结构特点及难点

工程难点1：小断面的工程开挖空间受到局限，不能采用大型机械或快速爆破等扰动过大的措施， 只能采用人工开凿与小爆破多循环的施工方式，减缓了施工进度；难点2：长隧洞对渣体的运送增加了阻碍，只能在支洞口进行扩宽，减少大型机械与掌子面的运送距离；难点3：隧洞的坡向进深逐渐向下，面临更高的涌水压力，随着工程进度的进展，隧洞的涌水风险也在逐渐增加，只能采用多级抽排的方式实现。

3 王家坝隧洞小断面隧洞施工

3.1 施工方案

按照“新奥法”原理组织隧洞施工，并根据工程地质、水文地质和不同围岩级别及周边环境选择相应的施工工法， 按全标段严格控制工期，采取平行流水作业法施工。

3.1.1 施工工序

首先采用风动凿岩机钻孔，全断面法光面爆破开挖，楔形掏槽，非电毫秒雷管微差起爆。 爆破后，采用立爪式装岩机装渣，农用车无轨运输，绞车牵引矿车有轨运输方式出渣。 出渣结束后进行支护施作： 初期支护锚杆钻孔采用风动凿岩机钻孔，人工安装锚杆，砂浆泵注浆；钢筋网在综合加工厂预先加工，通过有轨矿车运至交叉口，再转运至工作面，人工在支护平台上安装；喷射混凝土采用湿喷机；轻轨拱架采用有轨矿车运输，安装时利用简易台架人工安装。

3.1.2 施工工艺

开挖及支护工艺流程如图1 所示。

图1 支洞开挖及支护施工工艺流程图

为保证安全和开挖轮廓线平整、控制超欠挖，根据洞身围岩情况和断面尺寸，支洞与主洞开挖钻爆设计如图2 所示。

图2 开挖钻爆设计图

3.1.3 支护措施

自支洞与主洞边墙交点处往支洞洞口方向16 m 范围内按B 型断面开挖，采用I18 型钢架配合锚喷支护，钢架间距为0.50 m； 其中支洞最后一榀钢拱架采用双榀钢拱架合并而成，便于主洞钢拱架的架设。 考虑设备、材料存放以及提供装渣空间，对支洞与主洞相交处边墙进行扩挖处理。 扩挖段钢拱架之间的φ25 mm 连接钢筋改为I18 型钢，每榀钢架两侧各设6 根长度为4.5 m 的φ25 mm 锁脚锚杆。 主洞段：在支洞与主洞交点处往上游方向15m， 往下游方向15 m 开挖按V 类围岩B型断面进行开挖，开挖直径为4.2 m，并进行加强支护，其具体支护参数为：I18 型钢钢架间距0.50 m，φ8 mm 钢筋网，φ25 mm 的系统锚杆，每根长度L=6 m，外露30 cm；每榀钢架两侧各设6 根长度为6 m 的φ25 mm 锁脚锚杆。

3.2 交叉口处开挖与支护

1）开挖：交叉口处的开挖与正常段开挖方式类似，采用全断面、钻爆法施工。 扩挖段开挖采用YT28 气腿式凿岩机人工作业，作业平台采用型钢自制钻爆台车。

2）支护：支洞与主洞交叉口处开挖完成后，支护随后跟进施工。 出渣结束后，及时进行挂网和喷射混凝土支护，采用厚度为5 cm 的素喷混凝土封闭掌子面；然后及时进行安装系统锚杆、挂网、立钢拱架、安装锁脚锚杆、复喷。

4 隧洞长距离出渣及运输

4.1 总体方案

本工程施工条件特殊，3 个施工支洞是各施工工序的必经之路，主洞开挖底宽仅为4.2 m，洞内不能使用大型机械；由于主洞断面设计较小， 并考虑到主洞受施工支洞坡度较大的影响，车辆无法通行；出渣采用扒渣机装渣，斜井内采用有轨运输，主洞内采用无轨运输，绞车提升的方式。

4.2 出渣及运输

4#、5#支洞内部延伸钢轨，采用有轨运输出渣。洞内爆破通风完毕后，采用立爪式装岩机装渣，运输机械采用牵引矿车，牵引设备为JTP2.0 m 提升绞车。 牵引矿车设置侧翻装置，经提升绞车牵引出洞外后，在卸渣位置倾倒入东风自卸汽车内，再运送至指定弃渣场。6#支洞采用运输车进行出渣，并运至洞外临时存渣场，再由运输车集中将渣体运至指定渣场。 支洞出渣示意见图3 所示。

图3 支洞出渣示意图

由于主洞断面设计较小， 且考虑主洞受支洞坡度较大的影响， 主洞采用无轨出渣方式。 4#、5#支洞上下游主洞爆破完毕， 将运输车开至掌子面用立爪式装岩机装渣并运输至交叉口；受施工支洞坡度大影响，再采用装载机将渣体装在矿车内并由绞车牵引至洞外，然后用自卸汽车运输至弃渣场。6#支洞上下游主洞及出口采用自卸车运输至指定渣场。 支洞上下游主洞出渣示意见图4 所示。

图4 主洞出渣示意图

为保证主洞与支洞交汇处的交通顺畅，在洞内每隔200 m设置避车洞，避车洞尺寸净长20 m，深5 m，高4 m；为保证安全避车洞位置选在围岩较好处。 为保障矿渣及施工材料的正常运输，主洞采用无轨运输，支洞采用有轨；支洞底与主洞采用简易龙门吊装卸材料。

5 隧洞衬砌施工

尽管主洞与支洞均采用优化后的运渣方式， 但受隧洞结构尺寸限制，前期钻爆及出渣耗时较长，同样受到空间限制，需要采取合理的措施来解决后续二次衬砌施作所需材料的运输问题，以保证施工的顺利进行及隧洞结构的安全。

5.1 主洞混凝土施工

隧洞主洞为圆形断面， 衬砌台车采用12 m 长的针梁式全圆台车，进行全断面一次浇筑成型。 针对施作空间狭小的问题，在衬砌施作过程中，隧洞斜井运输前期采用轨轮式罐车、后期采用U 形溜槽，主洞运输采用混凝土罐车，效率得到明显提升。 衬砌方向与开挖方向相反，即从贯通点退着向各支洞交叉口或出口方向进行。 台车在洞内贯通点附近扩挖部位组装。

5.2 U形溜槽施工工艺及质量控制

5.2.1 施工工艺

溜槽加工→溜槽运至施工现场→测量放线→溜槽安装→溜槽焊接（支护）→安装集料仓→溜槽冲洗。

5.2.2 溜槽加工及安装质量控制

本标段4#及5#施工支洞所采用的溜槽材质为5 mm 厚度的钢板，钢板长度为2.5 m，宽度为1.26 m。 每块钢板底部呈“U” 形， 溜槽底部为200 mm 的半圆弧， 两侧翼沿加长至300 mm；溜槽尺寸为500 mm×400 mm，半径R=200 mm。 加工好的溜槽在现场进行安装。 王家坝隧洞4#、5#洞内溜槽均安装在进洞方向左侧（即梯步同侧）。 为确保混凝土顺利下放，施工支洞洞内溜槽安装方向与支洞洞轴线平行， 所成角度与底板角度一致；考虑到汛期5#施工支洞洞内出现洪水倒灌，该支洞洞内溜槽安装时整体提高20 cm，以确保汛期洞内混凝土正常浇筑。 溜槽安装自下而上进行安装，每节溜槽间的搭接长度为5~10 cm，搭接处要求平缓，无损坏。 搭接缝要求全断面焊接，焊缝要求饱满、无裂缝、表面平顺，无咬边，凹陷与气孔等。

5.3 施工支洞封堵施工

在工程建设中，临时施工支洞要进行封堵，封堵体将成为水工建筑物的重要组成部分，同围岩、混凝土共同承担内水压力。 按照所处位置可将封堵体划分为支洞封堵和主洞封堵两种。 王家坝隧洞共有3 处封堵，每条施工支洞封堵段长10 m。随机锚杆为φ25 mm，长4.5 m，间排距均为1.5 m，梅花形布置。 施工支洞封堵见图5 所示。

图5 支洞封堵示意（单位：cm）

封堵段采用C20 微膨胀混凝土进行封堵。 堵头混凝土内（含回填灌浆）应掺入复合型膨胀剂（8%的UEA、2%的MgO）。混凝土浇筑采用薄层短间歇浇筑，并振捣密实，浇筑层厚不宜大于2.0 m，间歇时间为5~7 d。 堵头混凝土施工完毕14 d，方可进行回填灌浆。 回填灌浆管路间排距为1.5 m×1.5 m。 进回浆管均采用1.5 寸PVC 管 （1 寸≈3.33 cm）， 其余采用1 寸PVC 管。 出浆管应伸入岩石10 cm，并按设计方位固定牢靠，采用三通管与进浆管连接， 灌浆前出浆孔口用牛皮纸绑扎封好。回填灌浆浆液水灰比控制在0.5∶1，吃浆量大的部位可灌注水泥砂浆，但掺砂量不宜大于水泥用量的200%，灌浆压力控制在0.2 MPa，在此压力下，灌浆孔停止吸浆时，延续灌注15 min 即可结束灌浆。 回填灌浆结束7 d 后进行检查，检查方法为向孔内注入水灰比2∶1 的浆液， 在规定压力下，10 min 内注入量不超过10 L，即认为回填灌浆质量合格。

6 结语

结合毕大供水工程二标段王家坝隧洞工程对小断面长距离引水隧洞进行了全周期的施工技术要点进行研究。 在施工中，使用基于“新奥法”原理进行的小药量多循环爆破设计与人工结合自制简易钻孔台车进行钻孔全断面爆破开挖，能够有效地在空间局限的小断面隧洞进行安全开挖。 综合使用锚杆、钢筋网、喷射混凝土以及钢拱架进行柔性支护；针对大坡度斜井的衬砌混凝土施工，前期采用有轨运输系统对主洞与支洞进行统筹安排，后期采用U 形溜槽，降低成本并提升效率。 针对施工支洞的封堵，封堵段长10 m，采用C20 微膨胀混凝土。 混凝土浇筑采用薄层短间歇浇筑，浇筑层厚不宜大于2.0 m，间歇时间为5~7 d。 堵头混凝土施工完毕14 d，方可进行回填灌浆。