浅埋深输水隧洞特殊洞段开挖施工安全技术

    童畅 梅杨杨

    

    

    

    【摘要】水利工程的发展对我国社会主义建设有极其重要的作用，其不仅可以保障人民群众用水的安全性，也保证了我国农业用水的稳定性和长久性。隧洞施工技术是水利工程建设的重要环节，输水隧洞的安全发展对水利工程建设至关重要。在水利工程建设中，隧洞施工常受到地质条件、环境等因素的影响导致施工困难，对隧洞施工而言，初期支护是确保施工质量及安全的先决条件。本文以鄂北地区水资源配置工程2016年第7标段施工项目为例，深入探讨浅埋深输水隧洞特殊洞段开挖施工安全技术。

    【关键词】浅埋深;隧洞;特殊洞段;开挖;安全

    Safety technology for excavation construction of special tunnel section of shallow buried deep water conveyance tunnel

    Tong Chang，Mei Yang-yang

    （China Water Resources and Hydropower Ninth Engineering Bureau Co.， LtdGuiyangGuizhou550008）

    【Abstract】The development of water conservancy projects plays an extremely important role in China's socialist construction. It not only guarantees the safety of people's water use， but also ensures the stability and long-term nature of China's agricultural water use. Tunnel construction technology is an important part of water conservancy project construction. The safe development of water conveyance tunnel is very important for water conservancy project construction. In the construction of water conservancy projects， tunnel construction is often affected by geological conditions， environmental factors and other factors， resulting in construction difficulties. For tunnel construction， initial support is a prerequisite for ensuring construction quality and safety. Taking the construction project of the 7th section of the water resources allocation project in the north of Hubei Province as an example， this paper probes into the safety technology of the excavation construction of the special section of the shallow buried deep water tunnel.

    【Key words】Shallow depth;Tunnel;Special section;Excavation;Safety

    1. 工程概况

    （1）鄂北地区水资源配置工程2016年第7标段施工项目位于湖北省随州市随县，本工程随岳隧洞桩号为K182+080～182+280，全长0.2Km，围岩类型为Ⅴ类，围岩为绢云钠长片岩，围岩呈强风化～弱风化状，地下水活动轻微，上覆岩体厚 30m 左右，岩体完整性较差，围岩极不稳定。设计流量为20.2m3/s，底部纵坡1/11000，隧洞断面为马蹄形，开挖断面净宽7.4m，过水净宽5.8m。随岳隧洞下穿随岳高速，涉及特殊洞段开挖施工。随岳隧洞与随岳高速基本90°相交，隧洞下穿随岳高速，穿高速处埋深约11.8m（距高速公路路基顶部），根据现场查勘可以看出，此部位高速公路路基为半幅挖方、半幅填方路基。交叉部位隧洞桩号182+206～182+232，特殊洞段桩号（交叉影响段）182+190～182+280，高速公路交叉段桩号为K42+183左右。

    （2）随岳高速公路全长335公里，于2010年全线建成通车，是湖北省高速公路网的重要组成部分。随岳隧洞下穿施工社会影响大，安全问题得到了建设方、高速公路相关方（省交通运输厅高速公路管理局等）等各方的重点关注。

    2. 特殊洞段开挖设计

    随岳隧洞为岩石洞段，设计为V类围岩，采用马蹄形断面。交叉影响段开挖断面净宽7.5m，过水净宽5.8m，衬砌厚度为喷护砼0.25m+衬砌砼厚度0.6m。设计流量20.2m3/s，底部纵坡1/11000。

    2.1开挖方式。

    高速公路交叉影响段采用静态破碎法开挖，最大程度减少对随岳高速公路的影响，确保施工及高速公路的安全。

    2.2支护方式。

    （1）全断面钢拱架支护，采用I20a工字钢，拱架间距按0.5m布置。

    （2）喷C25混凝土25cm厚。

    （3）顶拱和侧墙挂8钢筋网（150×150mm）。

    （4）頂拱和侧墙范围内设22系统锚杆，长3m，间排距1m，梅花型布置。

    （5）特殊洞段182+190～182+280段顶拱120°范围内设108mm管棚注浆钢管，环向间距0.4m，管棚单排长20m，搭接长度不小于5m，仰角1°，灌浆浆液为水泥浆，浆液比为1：1，灌浆压力为2.0Mpa～2.5Mpa。

    （6）特殊洞段182+190～182+280段初期支护图1如下：

    （7）开挖支护循环进尺见表1。

    3. 洞室开挖支护施工

    隧洞采用静态破碎法分台阶开挖，待破碎剂将岩石开裂后，采用破碎锤和凿岩机对岩石进行破碎，再用装载机装自卸汽车出渣。开挖破碎进尺均控制在1m内，开挖钻孔前采用超前管棚超前支护，开挖一轮支护一轮。

    3.1开挖施工。

    3.1.1静态破碎设计参数。

    （1）随岳隧道高速公路交叉影响段采取台阶法分部开挖，减少洞室开挖施工对高速公路的影响。台阶法施工拟分成I、II上下两个台阶进行开挖，上下台阶采用短台阶进行施工，台阶长度3～5m。考虑到上部台阶施工所需空间等因素，洞室I上台阶高度4.4m（I面积为26.95m2，II面积为19.35m2）（台阶法开挖示意图见图2）。

    （2）洞内石方开挖根据实际围岩及静态破碎效果及时优化调整参数，拟定参数详见表2。

    3.1.2施工工艺。

    3.1.3施工准备。

    调试好施工设备，布置好风、水、电线路，清理运输道路，保证运渣路线畅通，技术员做好技术交底。

    3.1.4施工测量。

    施工测量采用在鉴定有效期内的全站仪进行施工测量，测量断面直线段每10m设一个测量断面，使用激光准直仪控制开挖轮廓。每个月进行一次隧洞轴线高程和断面复核测量，保证施工测量质量。

    3.1.5超前支护。

    高速公路影响段开挖前先进行管棚支护施工，先支护后进行开挖。

    3.1.6钻孔。

    钻孔采用YT28型气腿式凿岩机，由熟练的风钻技工严格按照设计图进行钻孔作业。各钻手分区、分部位定人定位施钻，实行钻手作业质量经济责任制。每排孔按“平、直、齐”的要求进行控制。钻眼完成后，由技术员按破碎孔布置图进行检查并做好记录，有不符合要求的破碎孔应重新进行钻孔。钻孔完成后，还应用高压风将孔内余水和余渣吹洗干净，保证钻孔孔内和孔旁洁净。对于开挖掌子面不稳定的情况，可采取喷射混凝土封闭掌子面后再进行钻孔作业。

    3.1.7破碎剂施工。

    3.1.7.1准备工作。

    （1）根据当地气温、药剂温度、拌水温度、岩石温度、是否与要求相符合;检查药剂包装是否破损。

    （2）操作前请确定已准备好以下材料物品：1）药剂;2）高强长纤维纸袋;3）洁净水;4）水桶、拌和盆;5）捅棍;6）防护眼镜;7）橡胶手套;8）备用洁净水和毛巾。

    （3）药剂的选择：本工程属于地下隧道施工，施工期主要在冬季，洞内温度在5～15℃之间，根据《无声破碎剂》（JC 506-2008）规范，选用SCA—II、SCA—III型破碎剂，其各龄期的膨胀压力如下表所示。

    3.1.7.2拌制和灌装

    由于本隧洞工程为水平钻孔，使用比钻孔直径略小的高强长纤维纸袋装入药剂，一次拌合按4min装药需要的药卷数量（从药剂加入拌合水到灌装结束，这个过程的时间不能超过5min），放在盆中倒入洁净水完全浸泡，水和药剂的比例为0.3：1（重量比），50秒左右药卷充分湿润、完全不冒气泡时，取出药卷从孔底开始逐条装入并用捅棍捅紧，密实地装填到孔口，装药顺序为由下至上分区进行，为防止装药过程中发生冲孔现象，在拌合水中加入抑制剂，延长药剂前期反应时间，最后孔口用炮泥封堵，封堵长度为10cm。

    3.1.7.3安全措施和注意事项。

    （1）无关人员不得进入施工现场。

    （2）整个灌装过程必须使用佩戴防护眼镜（防尘防冲击型PVC护目镜）。施工人员未戴防护眼镜操作属安全违章。发生冲孔是正常现象，是不可预见和不可完全控制的，冲孔时药剂温度较高且有腐蝕性，冲入眼内可能会对角膜造成严重损害。冲孔产生的原因较多，大致有以下几种：

    1）操作人员操作不当。包括药剂已经发热冒气仍在灌装等，装填不密实有空气隔层等;

    2）温度控制不当。气温高时，拌和水、药剂、钻孔孔壁温度控制不当、抑制剂药量不够，致使药剂反应过快等;

    钻头选用不当，钻孔直径过大等。

    因此，为避免发生冲孔，就应对以上原因进行检查和防范。

    （3）在药剂灌入钻孔到岩石或混凝土开裂前，不可将面部直接近距离面对已装药的钻孔。药剂灌装完成后，盖上麻袋或草席，远离装灌点。观察裂隙发展情况时应更加小心。此外施工现场应专门备好清水和毛巾，冲孔时如药剂进入眼内和皮肤上，应立即用清水冲洗，情况严重者立即送医院清洗治疗。

    （4）在破碎工程施工中需要改变和控制反应时间，必须依照厂家规定加入厂家生产或提供的抑制剂和促发剂，并按厂家的要求配制使用，严禁擅自在破碎剂中加入其他任何化学物品。

    （5）刚钻完孔和刚冲孔的钻孔，孔壁温度较高，应确定温度正常符合要求并清洗干净后才能继续装药。

    破碎剂运输和存放中应防潮。开封后请立即使用。如一次未使用完，应立即紧扎袋口，需用时再开封。

    3.1.8破碎剂膨胀开裂。

    药剂反应的快慢与温度有直接的关系，温度越高，反应时间越快，反之则慢。本工程隧道内温度一般控制在10℃～25℃左右，药剂反应时间较慢，大约为30h。

    3.1.9液压锤和凿岩机破碎。

    待破碎剂将岩石完全开裂后，采用破碎锤对开裂的岩石进行破碎，同时为保证隧洞的周边轮廓成型效果，周边采用凿岩机破碎。

    3.1.10出渣、清底。

    破碎后的洞渣采用装载机装运至10t自卸汽车后直接运输至洞外指定弃渣场弃渣。

    3.2支护施工。

    3.2.1施工工艺流程图（随岳隧洞支护施工流程图见图4）。

    3.2.2钢拱架制安。

    （1）钢拱架制作。

    钢拱架采用工字钢I20。钢拱架制作尺寸按照隧洞开挖尺寸进行制作，在型钢加工厂按照1：1尺寸进行放样制作。

    （2）钢拱架安装。

    1）钢拱架的安装间隔距离为0.5m。

    2）钢拱架各段之间的连接采用连接板焊接，拼装后的钢拱架应具有整体性，且每榀钢拱架应保持在同一平面上，并与洞轴线垂直。

    3）拱架支撑沿实际开挖轮廓线紧贴开挖面安装，与围岩之间的空隙用喷射混凝土充填。空隙较大部位应以25钢筋支撑于岩面，再分次喷射混凝土直至充填饱满。

    两排钢拱架周边用钢筋联接，形成整体。拱架安装完成后进行锁脚锚杆、挂网钢筋施工。锁脚锚杆布设方向沿法向或水平向下倾斜，数量按设计要求布设，锁脚锚杆应注浆并与钢拱架可靠焊接。钢筋挂网在加工厂内按设计要求制作完成，挂网安装时与钢拱架和连接筋焊接，网片之间同样需要搭接焊接，搭接时纵横钢筋网应对齐，搭接长度不得小于200mm，挂网施工完成后应及时喷混凝土支护。

    4）钢拱架与洞壁设22锁脚锚杆固定，锚杆布设方向垂直于开挖面，数量为根，锚杆长度L=4.5m;相邻钢拱架采用22纵向联系筋连接，沿断面均匀布设，间距1m，联系筋与钢拱架应可靠焊接。为增强拱架的整体稳定性，要将钢架和系统锚杆焊接在一起。

    5）钢拱架安装允许偏差：横向间距和高程为±50mm，垂直度为±2°。

    3.2.3锚杆施工。

    （1）钻孔。

    1）锚杆采用YT28手风钻造孔。

    2）孔位按施工图纸布置，测量控制，并在岩石基础上做出明显标识，孔位偏差控制在50mm以内。

    3）锚杆钻孔在自制台架上进行，按施工图纸规定的方向钻孔;系统锚杆的孔轴方向垂直于开挖面;局部加固锚杆的孔轴方向应与可能滑动面的倾向相反，与滑动面的交角应大于45°。

    4）钻孔至设计孔深后，钻机停止钻进，直接压入高压风进行洗孔，洗孔完成后，进入下一工序。

    （2）注浆。

    1）注浆管应插到孔底，然后退出50～100mm开始注浆，注浆管随砂浆的注入缓慢匀速拔出，使孔内填满砂浆。

    2）浆液一经拌和应尽快使用，拌和后超过规范规定使用时间的浆液应予以抛弃。

    3）无论因任何原因发生灌浆中断，应取出灌浆管，并用压力水在30min内对灌浆孔进行冲洗。

    （3）安装。

    1）锚杆孔注满砂浆后应及时插入锚杆体，插送方向要与孔向一致，插送过程中要适当旋转（人工扭送或管钳扭转）。

    2）如果在安装锚杆时发现钻孔被部分填塞，应重新打钻到规定的深度。

    3）在砂浆强度达到设计要求之前，不得敲击、碰撞或牵拉锚杆。

    3.2.4挂网施工。

    （1）钢筋挂网在加工厂内制作完成，挂网钢筋为8钢筋，网孔尺寸150×150mm。

    （2）挂网安装时与钢拱架和连接筋焊接，网片之间同样需要搭接焊接，搭接时纵横钢筋网应对齐，搭接长度不得小于200mm。

    3.2.4.1喷混凝土。

    （1）施工准备。

    1）清除开挖面的浮石、石渣和堆积物，处理完成洞室挖除欠挖部分。安设工作平台，用高压风水枪冲洗喷面，对遇水易潮解的泥化岩层，采用高压风清扫岩面。埋设控制喷射砼厚度的标志（可用打入岩石或焊接在网片上的外露钢筋标示），作业区应具有良好的通风和充足的照明设施。

    2）喷射作业前，对施工机械设备，风、水管路和电线等进行全面检查和试运行。

    3）做好掌子面抽排水准备工作。

    4）准备好混凝土试块取样模具，做好取样准备工作。

    （2）混凝土拌合和运输。

    采用小型運输车直接运至作业面，采用PZ-6型砼喷射机进行喷砼作业。

    （3）喷射混凝土。

    1）喷射混凝土要随开挖及时进行。喷射混凝土时，喷头与受喷面应垂直，并保持0.6～1.0m的喷射距离，以减少回弹率和粉尘浓度。

    2）开始向钢筋网喷射混凝土时，适当减少喷头至受喷面的距离，可提高喷射混凝土料流的冲击力，迫使受喷面上的混凝土挤入钢筋背面，以保证钢筋挂网与壁面之间的混凝土充填密实。

    3）素喷混凝土一次喷射厚度：掺速凝剂时不超过100mm;不掺速凝剂时不超过70mm。

    4）分层喷射时，后一层喷射在前一次喷射混凝土终凝后进行。若终凝1h后再次喷射时，应用风水清洗前一次喷层表面后再进行后一次喷射作业。

    5）两次循环作业的喷射混凝土应有200mm搭接长度，搭接部位的起伏差应控制在允许范围之内。喷射混凝土表面应平整，其平均起伏差应控制在100mm以内。

    （4）养护

    在终凝2h后喷水养护，经常保持潮湿状态，养护时间不少于7d。

    3.2.4.2洞内管棚超前支护。

    （1）管棚参数。

    1）钢管规格：热轧无缝钢管108mm，壁厚6mm，节长为3、6m两种。

    2）间距：环向间距40cm，仰角1°，纵向搭接长度不小于5m，钢管施工误差：径向不大于10cm。

    3）隧洞纵向同一横断面内的接头数不大于50%，相邻钢管接头错开。

    （2）管棚施工。

    1）管棚工艺流程如下（管棚工艺流程图见图5）：

    2）为保证洞内管棚操作空间，施做管棚套拱及套拱前一段范围内扩挖0.5m，扩挖部位二衬时用混凝土进行回填。

    3）钻机钻孔立轴方向必须准确控制，考虑钻进中的下垂，钻孔方向较设计方向上偏1°，钻孔位置、方向均用测量仪器测定，以保证孔口的孔向正确。每钻完一孔便顶进一根钢管。为确保管棚位置，洞内管棚设置不小于2m的导向管，导向管固定在钢拱架上。

    4）管棚注浆采用一次全钻孔注浆，当岩石破碎裂隙发育时采用前进式注浆，钻孔一段注浆一段，清孔钻进后再注浆，一直循环至注浆中孔。岩石裂隙不发育，岩层稍好时采用后退式注浆，一次钻孔到注浆孔终深，再从孔底利用止浆塞分段压浆后退至孔口。

    5）管棚注浆材料为水泥浆，水泥浆水灰比1：1，注浆压力：初压0.5～1.0MPa，终压2.0MPa，当注浆量达到设计数量或注浆终压达到2.0MPa而浆液注不进时，再稳压3～5min即可结束注浆。

    6）管棚施工允许偏差应符合下表（管棚施工允许偏差见表4）：

    4. 施工期监测

    为了解和掌握施工期地层、支护结构与周边环境的动态变化，明确施工对地层、支护结构和周边环境的影响程度以及可能产生安全事故的薄弱环节，及时对其安全性做出评估，同时综合各种信息进行预警和报警，使有关各方有时间及时做出反应，防止事故的发生。施工期要加强对隧洞的监测。监测项目主要包括：洞内外观察、洞内周边位移量测、拱顶下沉量测、地表沉降量测等必测项目。

    5. 结语

    浅埋深输水隧洞在水利工程中极为普遍，受地质条件、环境等因素的影响，施工中安全风险较大。鄂北项目通过采取合适的开挖方式、支护措施，下穿高速段的隧洞开挖支护施工顺利完成，并在后续的衬砌施工中保持稳定，给各相关方上交了一份满意的答卷。本文就鄂北项目随岳隧洞下穿施工为例，为类似工程建设提供可鉴经验。