穿黃隧洞工程開挖安全保證措施分析

朱海亞，廖成林，高鵬偉，趙慧仙，周黎輝

（中國水利水電第五工程局有限公司，四川成都 610066）

1 工程概況

南水北調(diào)東線穿黃隧洞工程屬國家重點工程，位于山東省東阿縣位山村和東平縣解山村之間。隧洞上方筑有黃河大堤，洞頂距黃河水面約70 m，在樁號6+750部位發(fā)育有F5斷層，直通黃河底部，該部位巖層厚度為38.53 m，僅為開挖洞徑4倍左右。從地質(zhì)資料看，該洞穿越巖層構(gòu)造發(fā)育，共有斷層13條，產(chǎn)狀多為北東走向，陡傾角，寬度在0.5～3.0 m之間，均通向黃河底部。圍巖以Ⅳ類圍巖為主，圍巖破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育，探洞開挖過程中曾出現(xiàn)過大量滲水、涌水，最大涌水量達到200 m3/h。

由于隱伏地質(zhì)構(gòu)造使圍巖中地下水空間分布具有極不均一性，開挖隧洞涌水的可預(yù)見性差。開挖施工安全構(gòu)成本段工程實施主要問題。隧洞按100 m3/s進行設(shè)計，為有壓圓形隧洞，洞徑8.9～9.5m，洞長585.38 m。隧洞包括南岸豎井、過河平洞、北岸斜井及進、出口埋管，其中豎井段實長82.25 m、平洞段實長307.17 m、斜井段實長166.03 m。

2 以科學(xué)的管理理念促進安全生產(chǎn)工作

2.1 以制度規(guī)范管理

現(xiàn)行的國家安全生產(chǎn)法律法規(guī)及企業(yè)的各項安全生產(chǎn)管理制度凝結(jié)了前人的經(jīng)驗和智慧，對促進企業(yè)的安全管理工作起到了重要作用。隨著企業(yè)生產(chǎn)力的不斷發(fā)展、進步，如何更好地科技管理顯得尤為重要。

中國水利水電第五工程局有限公司穿黃隧洞工程項目經(jīng)理部承擔(dān)南水北調(diào)（東線）穿黃隧洞工程施工伊始，首先制定了一套適用于項目施工管理實用的各項規(guī)章制度、規(guī)范，如《安全管理制度規(guī)范匯編》。《安全管理制度規(guī)范匯編》中，明確了安全生產(chǎn)方針與目標(biāo)、安全保證體系、安全責(zé)任、各項規(guī)章制度等。在施工過程中強調(diào)“一崗雙責(zé)制”，落實至作業(yè)班組，加強安全生產(chǎn)管理。結(jié)合項目部制定的《安全文明生產(chǎn)獎懲制度》，在安全管理過程中實行“以功論賞、以責(zé)論處”的原則。對安全生產(chǎn)中做出顯著成績和特殊貢獻及積極采取各項安全活動宣傳的集體和個人，給予重獎。對工作中因嚴(yán)重失職，違章指揮，違章作業(yè)等造成事故的給予重罰并追究崗位責(zé)任。

2.2 實行安全管理閉合運行機制

在南水北調(diào)（東線）穿黃隧洞開工后，對項目施工領(lǐng)域危險源進行辨識與評價，辨識出重大危險源4個，并針對重大危險源制定了專項應(yīng)急救援預(yù)案。施工過程開展危險源動態(tài)跟蹤，及時更新危險源并進行評價，以便制定預(yù)案及措施，消除安全隱患。每周一定期對生活辦公區(qū)、施工現(xiàn)場進行安全隱患綜合大檢查，對檢查出的安全隱患當(dāng)場下發(fā)整改通知書，責(zé)令相關(guān)人員限期進行整改，并回收整改反饋情況表。在管理上形成了規(guī)章制度查落實、發(fā)現(xiàn)隱患必整改、發(fā)生“三違”必問責(zé)的安全管理閉合運行機制。

3 以科學(xué)的技術(shù)措施保證隧洞開挖安全生產(chǎn)

3.1 合理選用爆破參數(shù)及開挖方式，有效減小爆破震動，避免造成隧洞開挖巖石變形和破壞

隧洞爆破開挖是工程施工的重大安全隱患，開挖施工方法由巖體質(zhì)量、洞室斷面的大小等因素決定，不同圍巖類別采取不同的爆破方式及選取不同的爆破參數(shù)。結(jié)合本工程現(xiàn)場實際情況及施工特點，通過爆破試驗選定爆破參數(shù)（爆破試驗數(shù)據(jù)分析見表1），利用原探洞作為臨空面采取上、下錯臺階法分2次開挖成型（開挖方式如圖1所示），增大開挖臨空面，減少爆破裝藥量，從而達到通過爆破參數(shù)減小爆破震動的目的，減小對隧洞圍巖造成變形及破壞，確保開挖施工安全。

表1 穿黃隧洞爆破試驗分析

3.2 利用原帷幕檢查孔鉆孔灌漿施工技術(shù)，有效避免出現(xiàn)涌水及塌方安全隱患

黃河在穿黃隧洞工程為地上“懸河”，黃河水、孔隙水和巖溶裂隙水“三水連通”，河水補給水量充沛，涌水的可預(yù)見性差，構(gòu)成本段工程實施主要問題。同時，穿黃隧洞屬水下淺埋層施工，爆破開挖施工危險性相當(dāng)大。因此，采取原帷幕檢查孔鉆孔灌漿50 m、爆破開挖40 m的施工方式，不僅對穿黃隧洞涌水、滲水起到阻水作用，還起到固結(jié)巖石的作用，確保開挖過程中的施工安全。原帷幕檢查孔鉆孔灌漿布置方式如圖2所示。

原帷幕檢查孔鉆孔灌漿采取分段（分段長度5～ 6 m，最大長度不超過10 m）孔內(nèi)循環(huán)的方式進行施工，灌漿施工工藝流程如圖3所示。利用GMS-III型灌漿數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)自動對灌漿過程中的各項參數(shù)進行采集、處理和輸出，并對灌漿過程中的壓力、流量、密度、位移等各種參數(shù)進行實時監(jiān)控，從而保證了灌漿工程質(zhì)量，為后續(xù)的隧洞開挖過程消除了安全隱患，確保了開挖施工的順利開展。

3.3 采取臨時支護措施，確保開挖成型后隧洞的穩(wěn)定

如何確保開挖成型后隧洞的穩(wěn)定是隧洞開挖施工過程中的關(guān)鍵。巖石類別決定巖石自身承載能力的強弱與巖石承載時間的長短，同時決定了隧洞開挖施工臨時支護方式。根據(jù)南水北調(diào)東線第一期穿黃隧洞工程實際情況，圍巖類別為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類，分甲-1型、甲-2型、乙型、丙型、丁型5種臨時支護方式。穿黃隧洞工程開挖及支護參數(shù)見表2。經(jīng)研究決定，采取“短進尺、弱爆破、強支護”的施工方法，確保開挖施工安全。

表2 穿黃隧洞工程開挖及支護參數(shù)

4 采取先進的監(jiān)測手段，動態(tài)跟蹤圍巖變化，確保穿黃隧洞開挖安全

地下洞石方開挖確保施工安全是一個難點。隨著新奧法施工技術(shù)的應(yīng)用，在隧洞開挖過程中安全監(jiān)測工作成為一項主要的內(nèi)容。結(jié)合穿黃隧洞施工情況，共埋設(shè)6套多點位移計、6套錨桿應(yīng)力計及開展收斂變形觀測，如圖4-6所示。通過觀測數(shù)據(jù)分析和成果整理，及時發(fā)現(xiàn)安全隱患并采取相應(yīng)措施，確保隧洞開挖施工安全。

4.1 多點位移計

穿黃隧洞工程目前共埋設(shè)多點位移計6套設(shè)備，埋深16.0 m，分別布置在隧洞上半拱180°范圍。當(dāng)結(jié)構(gòu)物發(fā)生變形時將會引起位移計的位移，通過前、后萬向連軸節(jié)傳遞給二級機械負放大機構(gòu)，經(jīng)負放大后的位移傳遞給振弦，轉(zhuǎn)變成振弦應(yīng)力的變化，從而改變振弦的振動頻率。電磁線圈激振振弦并測量其振動頻率，頻率信號經(jīng)電纜傳輸?shù)阶x數(shù)儀上，測出被測結(jié)構(gòu)物的位移量。為確保開挖安全，埋設(shè)完成初期每天觀測一次，后期每周觀測一次。典型斷面多點位移計變化過程曲線如圖7所示。

4.2 錨桿應(yīng)力計

穿黃隧洞工程目前共埋設(shè)錨桿應(yīng)力計6支，埋深3 m，分別布置在隧洞上半拱180°范圍。錨桿應(yīng)力計測值準(zhǔn)確，性能穩(wěn)定，安裝時將錨桿應(yīng)力計、鋼筋和錨頭連成一體，埋設(shè)在洞壁的鉆孔中，利用電阻比和電阻2個測值及儀器特性參數(shù)算出錨桿所承受的應(yīng)力。典型斷面錨桿應(yīng)力變化過程曲線如圖8所示。

4.3 收斂變形觀測

通過對圍巖周邊的收斂量及其速度進行觀察，掌握圍巖內(nèi)部隨時間變形的規(guī)律，從而判斷圍巖的穩(wěn)定性，利用量測結(jié)果逐步修正爆破進尺，以適應(yīng)圍巖條件并完善支護措施。目前，穿黃隧洞工程已布設(shè)7個斷面共35個收斂測點。典型斷面收斂變形觀測數(shù)據(jù)變化見表3。

表3 典型斷面收斂變形觀測數(shù)據(jù)變化 mm

此外，結(jié)合穿黃隧洞工程實際施工特點，采用礦用提升絞車牽引平臺車進行有軌出渣，運送設(shè)備、材料等，存在較大安全隱患。為此，穿黃隧洞項目部配置了視頻監(jiān)控系統(tǒng)及MTC鋼絲繩電腦探傷儀，及時跟蹤出渣系統(tǒng)運行情況及鋼絲繩的磨損、斷絲等情況，為本工程安全生產(chǎn)提供強有力的保證。

5 結(jié)語

穿黃隧洞工程項目部在開挖施工過程中充分采取科學(xué)的管理理念、科學(xué)的技術(shù)措施及先進的監(jiān)測手段消除安全隱患，確保開挖安全。通過近2年的實踐應(yīng)用取得良好的效果，并形成一套完整的水下工程開挖施工安全保證措施，可為以后類似水下工程如何進行安全開挖施工提供借鑒經(jīng)驗。