水利工程中引水隧洞的施工技术

2024-04-15张应飞洛阳农发黄河水利建设开发有限公司河南洛阳471000

中国房地产业 2024年3期

文／张应飞洛阳农发黄河水利建设开发有限公司河南洛阳 471000

引言：

水利工程中的引水隧洞是为了将水从一个地区引导到另一个地区，而专门建造的通道，能满足农田灌溉、城市供水、水电站发电或其他水资源利用的需要。这些隧洞通常由岩石、混凝土或其他坚固材料构建而成，穿越各种地质和地形条件。引水隧洞的设计和建造需要充分考虑水流的流量、水质、地下水位以及地质构造等因素，以确保水资源能够可靠地输送到目的地。这些工程在水利系统中扮演着至关重要的角色，对于保障供水、灌溉农田、发电和维护生态平衡都具有重要意义。

1.工程概况

小浪底南岸灌区工程被列为国家节水供水计划172 个项目其中一个，同时也是地方政府“四水同治”计划中的重要组成部分，位于中国河南省洛阳市北部的邙岭地区，紧邻黄河北岸和洛河南岸，该工程总灌溉面积达到了53.68万亩，每年从小浪底水库引水量高达1.44亿立方米，让当地的粮食产量增加1.233 亿千克，为了最大化覆盖灌区，工程规划了一条总干渠，7 条主要干渠，2 条分支干渠，以及24 条支渠，另外还包括一条城市供水管线，这些渠道和管线的总长度达到了260.893 公里，并计划新建和改扩建各类建筑物共计468 座，其中就包括新建和改扩建三座水源调控工程。

2.工程建设实施意义

小浪底水利枢纽工程位于中国河南省洛阳市，沿黄河干流而建。该工程的首要目标在于洪水防控和淤积减轻，同时还能够满足供水、灌溉以及发电等多种功能，表现出了其多功能性水利工程的特质。与之相关的小浪底南岸灌区工程是整个小浪底水利枢纽工程的一部分，其主要目标是贯彻“水资源、水生态、水环境、水灾害”四水同治理理念，是为黄河沿岸居民提供关键基础设施的工程。一旦工程完工，将带来以下方面的影响：

2.1 连接区域水网体系，提升水资源配置能力

小浪底南岸灌区工程的实施将在整合豫西主要水网系统方面发挥重要作用，最大程度地发挥“济孟（津）、济偃（师）、济瀍（河）、济涧（河）”等水利基础设施的潜力，以推动更加有效的水资源合理配置和水生态环境的改善，会为黄河流域的生态保护以及实现水利工程高质量发展的前景提供坚实可靠的基础支持[1]。

2.2 减少地下水开采，缓解区域地下水超采的局面

小浪底南岸的邙岭地区属于豫西干旱缺水地带，这里的地表水资源有限，工农业和居民生活的用水主要依赖于地下水的开采，这会导致地下水位下降，局部地区出现了地下水位下降的现象。实施小浪底南岸灌区工程彻底改变了数十万亩农田只能盼望上天施舍水源的局面，同时也为城乡供水和生态环境提供了源头支持，注入了新的活力。

2.3 增加粮食产量，保证国家粮食安全

小浪底南岸灌区工程的实施积极响应了中央政府的提议，即“积极推进粮食战略工程，集中资源投入发展一批粮食核心产区，集中力量对待开发地区的基础设施进行不断完善，提高其粮食生产水平，增加粮食的产量。” 这一计划的目标在于快速推进粮食生产核心区的建设，提高粮食综合生产能力，以确保国家粮食安全、实现稳产增产目标、增进农民收入，并取得脱贫攻坚战的胜利[2]。

2.4 保证城乡供水，助力城市经济发展

每年小浪底南岸灌区从小浪底水库引入大约1.44 亿立方米的水资源，这个水源对于满足洛阳市、孟津县、偃师市、巩义市等地区的工业和农业用水需求起到了至关重要的作用，有效地缓解了该地区的用水压力。该措施不仅有助于改进农业种植结构，也促进了多样化的工业生产，同时还助推了沟域经济的蓬勃发展，为经济和社会带来了显著的社会效益。

3.引水隧洞施工注意事项

3.1 施工勘察

引水隧洞工程通常属于地下工程，因此所选建设区域往往受到较大的空间限制，其施工作业的空间相对狭小。这类引水工程通常需要建设在河流湍急或高山地区，这就限制了工程建设的活动区域，增加了事故和意外事件发生的风险，同时也提高了引水隧洞工程施工的复杂性。施工前的首要任务是进行详尽的现场勘察，这包括对工程建设地点的水文地质条件进行仔细研究，同时深入了解周边山体的地形地貌和岩层状况。在勘察过程中，必须仔细研究覆盖层的厚度、地质构造、岩石特性、风化情况、地下水位以及岩层的渗透水量等关键参数。结合现场的真实情况，合理设定相应的勘探钻孔位置，同时进行各项地表工程的对应的地质探测工作，以便探测地表岩体的构造、裂缝等特征，评估是否存在导致不均衡影响的因素[3]。

3.2 安全措施

随着引水隧洞挖掘工程进度不断推进，工作区域的狭小空间逐渐引发施工环境恶化的问题，这不仅会对工程进度造成不利影响，还可能对工作人员的健康构成潜在威胁。为克服这一挑战，工程管理人员必须逐步提高在施工过程中的要求，包括但不限于通风、采光以及尘埃控制等方面的要求。这势必会引发水利工程建设方面的更多挑战，在策划引水隧洞的设计方案时，设计师必须综合考虑多个因素，包括如何保障施工的安全性和稳定性、降低成本，以及满足工程施工场地的具体要求。此外，也需要加强后勤支持工作，以确保工程建设进展顺畅。

3.3 控制施工进度

这个施工的进度不仅需要明确定义起始和结束日期，还需要详细规划每个施工阶段的时间要求，包括关键路径和关键活动的识别，并考虑到地质、气候和资源供应等外部因素，综合来制定一个具有弹性的隧洞施工计划。

4.水利工程中引水隧洞的施工技术分析

4.1 开凿技术

在开凿施工方面，有两种主要的技术方法被广泛应用，即全面开凿法和导洞室开凿法。在选择适用的开凿方式时，必须进行全面的分析，综合考虑断面大小、隧洞周围的岩石状况、可用的机械设备以及地质条件等，这样才能明智地选择最合适的开凿方法，同时也为随后的隧洞施工提供了必要的技术支持和保障。全面开凿法通常被用于处理地质围岩较为坚硬的隧洞，尤其是那些需要进行一次性断面爆破的情况。一旦整个隧道贯通，施工团队需要根据具体的工程需求来开展支护工程，在开凿引水隧洞的过程中，采用这种方法可以有效地提高施工进度，同时也有助于拓宽隧洞的施工范围[4]。相比之下，导洞室开凿法采用了一种不同的方式，它通过导洞来处理围岩断面，然后根据设计规定和隧洞施工的具体尺寸来展开隧洞的开凿工作。这种方法的显著优势在于它能够有效减轻排水施工的难度，并提供全面的地质情况了解。这两种开凿方法各有其独特的优点，具体的选择可以根据项目的实际情况和需求来做出灵活的决策。

4.2 排水技术

在施工前要根据该区域的地质情况和水位高低，采用适宜的排水方法。在高水位条件下，可采用分段施工与逐级降水的方法，通过安装抽水设备，将隧洞内的水泵出，保持施工面干燥。在低水位条件下，可以考虑采用护壁加密的方式，减小地下水位的涌出。同时要合理设计工程所需的排水系统，包括管道、排水井、泵站等设施的布置，这样能高效地将水排出施工区域。排水过程中，需要密切监测水位，及时调整排水设备和策略，合理且高效地应对可能出现的涌水情况。

4.3 通风技术

通风设施不仅关系到水利工程施工工人的安全和健康，还直接影响了施工进度和项目效率，隧洞施工中通风系统的设计和运行是必不可少的一环。通风系统的设计需要考虑到隧洞的长度、断面尺寸、施工环境以及地质条件等多个因素，要能够保持空气的新鲜和流通，防止有毒气体积聚和确保工人能够呼吸清新的空气。在较长的隧洞中，通风系统需要能够覆盖整个施工面，确保空气的均匀分布。在施工时所说的通风系统通常包括通风风机、风道、散热设备和出口等组成部分，风机的选择和安装位置应当经过仔细计算，能让足够的气流量和压力来维持通风系统的正常运行；风道的设计需要考虑到气流的方向和速度，避免气流过大或过小导致通风效果不佳；散热设备的设置则是为了控制温度，防止施工面内温度过高。同时，还要精心设计通风系统的出口确保排出的空气不会对周围环境造成污染。通风风机的运行需要根据实际情况进行调整，并定期进行维护和检查，让通风系统的各个部件能够长期正常运行，避免出现隧洞内的故障和意外事件。

4.4 砂浆锚杆技术

砂浆锚杆是一种用于固定地层和岩石的设备，通常由钢筋和水泥砂浆组成。在隧洞施工中，工程师会根据地质勘探数据和隧洞设计要求，确定砂浆锚杆的长度、直径和间距等参数。然后，在开凿隧洞的过程中，工人会通过钻孔或预先开凿的孔洞插入到围岩中，将砂浆锚杆安装到预定的位置，然后注入水泥砂浆形成坚固的固结体。砂浆锚杆的作用主要有两个方面。首先，它可以增加隧洞围岩的抗压和抗拉强度，提高了隧洞的整体稳定性；其次，它可以减少地层的位移和变形，避免了地层松动和坍塌的风险，这对于隧洞的长期使用和维护至关重要。如果在施工过程中或隧洞使用中发现了岩石裂缝、滑坡或其他地质问题，可以通过增加砂浆锚杆的数量或更换老化的锚杆来修复和加固隧洞[5]。

4.5 混凝土衬砌施工技术

混凝土衬砌是引水隧洞内部的一层混凝土覆盖层，用于保护隧洞的围岩免受侵蚀和渗水的影响。衬砌的施工需要严格按照混凝土的配比、浇筑工艺和养护措施等设计要求进行，通常情况下，混凝土衬砌需要具备一定的抗压强度和耐久性，以此来应对隧洞内的水压和其他环境因素对建筑体所产生的负载。在施工前，必须对隧洞的设计图纸进行详细的分析和准备，并制定出施工计划，对原材料采购、设备调配和工人培训等方面进行合理的安排，还需要进行地质勘探和岩土工程勘测，充分了解隧洞施工区域的地质情况和地下水位，在施工过程中做出合适的调整和应对措施。混凝土施工的关键步骤包括模板搭设、混凝土浇筑和养护等方面，模板的精确安装是确保隧洞内部尺寸准确的关键，要有高度的精确度并配合进行仔细的参数测量。随后混凝土被倒入模板中，让其充分填满每个角落和缝隙。施工时要注意混凝土的配方必须根据设计要求进行精确控制，在混凝土浇筑后要进行适当的养护工作。

4.6 二次衬砌施工技术

进行隧道施工时，在初期支护结构的内侧可以采用二次衬砌技术，其主要是由模具浇筑的混凝土或者是钢筋混凝土构成，这种技术与隧道的初期支护一同形成了一种复合型衬砌结构。只有在完成了隧道的初步支护后，才开始进行二次衬砌，这种做法主要基于几点考虑：一是使支撑结构更为坚固，提升隧道的整体稳定性；二是完善隧道的防水排放系统，确保隧道内部既干燥又安全；除此之外，这也有助于提升隧道的视觉效果，并且为布设如通信、照明和监控等关键设备打下基础。值得注意的是，为了确保隧道变形得到有效控制，在初期支护完成之后，应该及时进行仰拱施工并紧跟挖掘面进行操作，这种衬砌作业与挖掘面之间的距离不应超出200 米，在进行衬砌前为了保护衬砌和防水板不受损，需在隧道的拱顶处运用抗浮千斤顶。为确保全方位保障抗浮和振捣等环节的施工质量，拱顶部分需配置特定数量的封口器，目的是增强顶拱部位的紧实度。在施工中，对钢板的厚度有严格要求，必须确保其厚度不少于6mm，以避免施工模板发生变形。只有当混凝土的强度达到或超过5Mpa 时，才可以开始去除模板。

4.7 钻孔灌浆施工技术

在完成上述建设任务后，必须进一步巩固整个工程的稳定性，防止出现渗漏问题，结合施工设计的规定，对整个隧道进行必要的灌浆工作。以拱顶回填工程为例，通常需要将施工区域分割成不同的段和区域，然后按照自底向上的顺序逐段进行施工，紧接着进行顶部孔洞的灌浆工作，这种做法有助于确保整个隧道结构的牢固性。灌浆过程需要高度的精密操作，确保混凝土浆液能够充分填充钻孔并紧密附着在隧洞壁上。灌浆的流量和压力需要严格控制，以满足设计要求。随着灌浆的进行，混凝土浆液逐渐固化，形成坚固的灌浆层，增强隧洞壁的稳定性和密封性。

4.8 土方明挖施工技术

“土方”一词仅代指土壤或者岩石等地下物质，会由挖掘机、掘进机或者装载机等机械在露天环境或地下可见空间内进行作业，不需要使用盾构或管道顶管等方式进行地下封闭式作业。施工时从地面开始往下挖掘，形成基坑或沟渠，待达到预定的深度后，从基底开始自下而上进行施工。完成地下建筑的主体结构之后，再进行土壤的回填工作，至此地下结构的施工环节就算完成了。明挖施工方式不仅历史久远，而且应用范围十分广泛，根据数据显示，在软土地区的工程项目中，有超过2/3 是采用这种明挖方法进行建设的。

4.8.1 放坡明挖法

采用放坡明挖法时，要根据隧道侧壁土体的坡面稳定性来确定施工方案，从上部分层次性地放坡开挖，直至达到预设的隧道基底深度。接着，从底部开始向上进行隧道衬砌与防水层的施工，最后在隧道外部填充土壤并修复地表。放坡明挖法主要用于埋深较浅、土体边坡稳定，以及地表没有太多制约因素的隧道项目。尽管这种方法可能导致开挖的土方量增大，并容易受到地表及地下水的干扰，但它允许应用大型土方设备，因此施工进度快，工程质量有保障，工地环境好且施工过程中的安全性较高。若隧道边坡在某些地方稳定性不佳，可以用喷射混凝土来保护坡面或用锚杆来加固土体。

4.8.2 悬臂支护明挖法

采用悬臂支护明挖方法时要先将基坑的围护设施插入至基底预定深度以下，在这些围护设施的保护作用之下，进行基坑内土壤的开挖工作，直到达到设计的隧道基底深度。然后，自底部向上建设隧道的核心结构和防水层，施作完整的结构并进行土壤回填，使地面恢复到原始状态。常用于此方法的围护措施包括：打入的木桩、钢桩、预制的钢筋混凝土桩、现场挖孔或钻孔后注入的钢筋混凝土桩，以及通过钻孔灌注制成的钢筋混凝土连续墙，上述技术手段可以单独或组合使用。悬臂支护明挖法特别适合于埋深不深、土体边坡稳定性不高，并且地表存在某些施工约束的隧道项目中。

4.9 石方施工技术

4.9.1 石方明挖

在进行石方挖掘工程时，可以采用YT28 手风钻来钻制孔洞，这一方法的重点在于进行浅孔小型的松动爆破工作，并同时使用74kW 的推土机，将碴料集中堆放并与装载机协同进行装车，或者直接使用1m3 挖掘机进行挖掘和装载工作，然后选用8 吨自卸汽车来运输挖掘出来的碴料。面对崎岖不平的地形和交通难以通行的情况，那么在上方工作区域，可以利用推土机来聚集碴料，或者依靠挖掘机来快速清除碴料，在下方的集料平台上，能借助装载机来进行高效的装车作业。

4.9.2 隧洞石方开挖

工程师必须仔细研究地质勘测数据，详细了解地下岩层的特性和分布情况，然后根据这些数据来规划挖掘的深度和方向。挖掘机和推土机的操作员必须具备高超的技能，在挖掘过程中不会损坏隧洞的结构或周围的地质环境。当遇到坚硬的岩石时要合理使用爆破技术，这样能加速隧洞的挖掘过程。切记爆破后，施工人员必须迅速清理和排除现场的岩石碎片，以确保挖掘机和推土机能够继续工作。