失陷性黃土地區小斷面輸水隧洞施工技術

席剛盈

(陜西省桃曲坡水庫管理局，陜西 銅川727031)

1 概述

桃曲坡水庫灌區南支渠與岔口連通工程地處富平縣梅家坪鎮以北，西起劉家坡村北的210國道東側南支渠7+556.1處，東至岔口村以北的石川河，全長3.2km。工程設計流量4.0 m3/s，校核流量 5.0 m3/s，由渠首進水閘、明涵、隧洞等三部分組成。隧洞段全長2.4 km，平均埋深28 m，設計比降i=1/400，2.0×2.0 m 城門洞型斷面，C20砼襯砌。隧洞洞身地層主要為第四系松散堆積物，屬于自重失陷性黃土地質條件，失陷等級為Ⅳ級(很嚴重)。

2 工程項目的特點及難點

1)進口分水閘及隧洞出口(位于石川河)施工受灌溉季節影響較大，必須將分水閘和出口隧洞涵洞段的施工安排在非灌溉及枯水季節，確保灌區灌溉不受影響。

2)隧洞斷面較小，且洞身有彎道三處、較大陡坡及消力池兩處，施工難度較大。

3)隧洞洞線穿越失陷性黃土地區，失陷等級Ⅳ，對隧洞的抗滲漏要求較高，施工安全隱患較大。

4)由于本過程基本上為土質隧洞，需要人工開挖，對勞力的選擇性較大，施工工期較長。

5)沿洞線共有陡坡兩處，彎道三處，對測量的技術要求較高。

6)洞內有坡度為i=1/8、i=1/10陡坡兩處，且單向最遠通風均超過500 m，通風運輸壓力較大。

3 主要施工工藝及施工步驟

3.1 施工原則和總體安排

1)隧洞工程共開6個工作面，即隧洞進口、1#措施井上下游兩個工作面、2#措施井上下游兩個工作面、出口工作面，以確保工程每日進度。

2)隧洞進口段及絕大部分洞身施工采用全斷面人工開挖，隧洞出口段200 m屬巖石段，采用鉆爆法全斷面開挖。

3)因為隧洞絕大部分洞身處于失陷性黃土地區，盡管不受地下水位的影響，但在施工中應管理好施工用水，防止雨水或施工用水漫流。

4)在施工中應遵循“短掘進、少擾動、強支護、嚴治水、勤測量”的施工原則，緊湊施工工序，精心組織施工。

5)在施工過程中應做好黃土構造節理的產狀與分布狀況的調查，對因節理切割而造成坍塌的，在施工時應加強支護措施，防止坍塌，保證施工安全。

6)隧洞進口洞門施工盡量避開雨季，爭取早日安排施工。在洞口段襯砌10～20 m后，視地質情況及時按正常循環組織正洞施工。

3.2 隧洞測量

隧洞測量分洞內及洞外測量，在測量工作開展前，先行做好隧洞工程測量設計，估算預期的誤差，確定導線施測的等級，確定洞外小三角控制網點、洞內支線點及高程點，以保證洞室開挖軸線的正確，即貫通精度符合設計要求。

在隧洞對內的直線段，采用紅外線對中指向儀，不僅使洞內測量工作任務量減小，而且可以直觀指導作業面開挖斷面的控制。

3.2.1 洞外控制測量

導線各水平角用全站儀GTS-311全測回法分別觀測左角兩測回，導線邊長使用全站儀往返對向觀測2個測回。根據測定的導線，設定洞口投點。洞外高程控制測量根據水準點，分別在進出口附近采用二等高程控制測量精度要求引設兩個水準點。采用水準儀多次往返引測，全站儀復測，進口、出口水準聯測。

3.2.2 洞內測量

洞內測量分平面控制測量及水準、施工測量。

A.平面控制測量在未貫通前都是支導線。該隧道長度為大于1 000 m，基本上由三段直線隧洞，采用中線支導線控制進行平面控制測量，導線點用全站儀定出，角度觀測2個測回，測角中誤差要求小于2.5″。

洞內平面控制測量注意事項:

a.每次建立新點，都必須檢測前一舊點，確認舊點沒有發生位移，才能發展新點。

b.導線應盡量布設在避免施工干擾、穩固可靠地段;導線邊以接近等長為宜，一般直線地段不宜短于200 m，曲線地段不宜短于70 m。

c.邊長丈量，用鋼尺丈量時，鋼尺需經過檢定，當時用全站儀時，應注意洞內排煙和漏水地段的測量狀況。

d.洞內導線點，用全站儀測設，標志頂點應比洞內地面低20～30 cm，上面加設堅固覆蓋，然后填平地面，注意覆蓋不要和標志頂點接觸，避免洞內運輸或施工的碰撞。鋪底時應用全站儀加以恢復，改用永久性鋼筋樁布設。

B.洞內水準測量，將洞外水準點的高程引到洞內，作為洞內高程控制的基礎，作為隧洞施工放樣的依據，以保證隧道在豎向正確貫通。

a.在隧洞貫通之前，洞內水準點的延伸采用往返對向、多次觀測進行檢測。

b.在洞內每隔200 m至500 m設立一個永久水準點。為施工便利，應在導坑內拱部邊墻上每50 m設立一個臨時水準點。

c.水準儀到標尺的距離不宜超過50 m，標尺可直接立于導線點上。

d.因洞內施工干擾較大，可采用掛尺傳遞高程，高差計算公式仍用hab=a-b，但對于零端在頂上時，讀數應為負值。

C.洞內施工測量

a.施工中線測量。

永久性中線點用全站儀測設，直線上每100 m一個、曲線上每50 m一個;臨時中線點用經緯儀測設，直線上每20 m一個、曲線上每10 m一個，掘進襯砌延伸中線點用經緯儀每10 m加密一個，曲線上采用長弦支距法串線加密，直線上直接串線加密。

b.施工水準測量。

施工水準測量，采用水準儀每10 m加設一個臨時水準點，掘進采用水準管抬設加密。

c.斷面輪廓的測設。

斷面輪廓的測設采用串線設定，高程采用水準管設定，輪廓線采用布點聯線設定。

3.3 隧洞施工

3.3.1 隧洞施工總體施工程流程

洞挖土方采用人工開挖和裝渣運輸，洞挖石方采用人工鉆爆開挖，人工裝渣。

隧洞總體施工流程圖。

3.3.2 洞內通風

根據施工設計手冊及檢索到的國內小斷面隧洞施工經驗，施工洞、井內的最低風速不小于0.15 m/s，工作面附近的最小風速不低于0.25 m/s，隧洞、豎井工作面最大風速為4 m/s。考慮到本次隧洞施工以人工開挖為主，除隧洞出口段為人工鉆爆需要排煙外，其它區段只需要考慮運輸通風排煙的情況，因此本次隧洞開挖方式擬采用壓入式通風方式，采用軸流式通風機，風機功率11 kW。輸風管選用DN300塑料柔性風管。塑料風管采用法蘭連接，解決接頭氣密性差、阻力大等問題，100 m漏風量控制在不超過10%。風管布置在隧洞開挖附加斷面上。

另外由于本工程隧洞埋深較淺，在施工過程中也可采用在隧洞頂部鉆孔輔助通風的方式，進一步促進隧洞內的空氣流通，保證施工期間洞內空氣暢通。本工程沿線布置DN600豎向通風孔16處，通風孔之間間距根據現場地形條件為120～200 m。豎井通風孔與機械強制通風相結合，有效解決了隧洞長距離通風的不足問題，而且局部可以實現隧洞內的自然通風，減少了風機的開啟時間，大大降低了施工成本。

隧洞橫斷面布置圖見圖1。

圖1 隧洞通風平面示意圖

3.3.3 供電與照明布置

洞內供電為380V電源，布設與隧洞一側，僅供作業面照明及砼澆筑時機械動力。隧洞照明，采用36 V安全電壓，沿洞身一側邊墻直線敷設，每隔5 m安裝36 V低壓燈泡用于照明。

3.3.4 隧洞洞身施工

1)洞身開挖:由于該隧洞斷面較小，大型機械用不上，所以只能采用人工開挖形式。人工開挖用二齒鈀較日常作業工具略有改進，開挖時先下后上分層開挖，作業熟練后每作業班組平均進度可保持1.2 m。

2)裝渣運輸:采用人工裝渣、農用小三輪車運輸為主。在陡坡段施工運輸時采用小型卷揚機牽引輔助運輸。

3)清底:在整個斷面開挖時應嚴格控制超欠挖，及時清底到位。

圖2 隧洞通風平面示意圖

4)隧洞支護:在本工程實際施工過程中，考慮到失陷性黃土在開挖完成后很快在掌子面出現的塌幫、頂部掉塊等現象(開挖后3～5 d即開始)，我們及時調整作業工序，采用邊挖邊襯砌的方式，始終保持土洞開挖掌子面距砼襯砌面距離不超過10 m，有效減少了隧洞的二次支護，確保了作業安全。

對于洞內消力池的施工，因開挖斷面超過3.5m高度，采用現消力池部分開挖，完成消力池砼工程后二次回填至隧洞底高程，之后開始正常隧洞施工。雖然這樣會對對進度產生一點影響，但施工安全問題卻得到了很好的解決，也是對工程整個進度的一個促進。

圖3 隧洞通風斷面示意圖

5)砼襯砌

a.模版的安裝:根據隧洞斷面型式，為保證澆筑質量，本過程模版選用鋼制定型模板，模板長度為1.0 m。直墻部位采用平面模板，模板寬度為40 cm鋼制模板拼裝，在起拱部分采用定型弧度模版，模板寬度為40 cm。選擇較短長度分層澆筑，可以滿足洞頂砼回填厚度，確保工程質量。

b.洞身襯砌砼應連續灌筑，盡可能做到不間歇施工，在砼澆筑期間加強振搗，特別應注意拱角及拱頂部分的砼澆筑。洞室超挖部分用與襯砌砼同強度的砼灌筑回填。澆筑的砼在拆模后表面應無裂縫、蜂窩、漏振現象，其密實度及強度的檢測可采用砼回彈儀進行強度檢查、砼試件塊抽檢。為保證砼澆筑質量和人工作業強度、運輸能力等，本工程砼一次澆筑長度為5.0 m。

4 工程施工改進效果

1)人工全斷面開挖雖然在當時現場條件下是不得已的選擇，但人工開挖在工作面較為靈活，且好的作業習慣容易培養，易形成良性的作業循環，日進尺穩定，影響及干擾較少，整個項目的工期能夠保證。

2)掌握了失陷性黃土地質的特點，采用邊挖邊襯的作業形式，確保了工程施工安全。

3)采用豎井通風和機械壓入式通風結合的方式，提高了隧洞施工過程中的通風效率，確保了掌子面作業有序進行，對隧洞供電容量的要求大大降低，節約了工程成本。

4)砼連續澆筑過程中合理分段，模板1.0 m分節，使澆筑時間縮短，且能保證拱頂的回填厚度，確保了澆筑質量。

通過以上主要作業工序的合理安排及改進調整，是的本項目在實際施工過程中能始終保持安全、進度穩定、現場管理便捷等特點，有效降低了工程施工成本，使項目提前6個月順利完成，為濕陷性黃土地區淺埋深隧洞施工積累了經驗。