引漢濟(jì)渭秦嶺輸水隧洞出口段施工技術(shù)研究

王 新

（陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安710100）

0 引言

隧洞洞口段的安全施工是完成隧洞建造的重要一環(huán)[1-3]。往往不良的地址條件會(huì)造成隧洞洞口段隧洞受到滑坡[4]、落石[5]、失穩(wěn)[6]等影響施工進(jìn)度。

引漢濟(jì)渭工程穿越秦嶺段隧洞全長(zhǎng)98 km，其中出口段6493 m，最大埋深約780 m，洞口底板高程510.00 m。本文通過(guò)工程中的大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)洞口段的施工技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)性的總結(jié)。希望對(duì)后續(xù)類似工程提供借鑒。

1 項(xiàng)目施工難點(diǎn)

工程位于北秦嶺加里東褶皺帶內(nèi)，秦嶺北麓區(qū)域性斷裂和岐山—馬召區(qū)域均在隧洞出口外側(cè)通過(guò)，巖體受構(gòu)造作用影響嚴(yán)重，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，巖質(zhì)軟弱。

洞身段大多位于地下水位以下，水量較豐富，受大氣降水補(bǔ)給，設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)最大隧洞正常涌水量12529 m3/d，可能出現(xiàn)的最大涌水量15058 m3/d。

實(shí)際施工Ⅲ類圍巖630 m，Ⅳ類圍巖5282.5 m，Ⅴ類圍巖580.5 m，Ⅳ、Ⅴ類軟弱圍巖占比90.3%。

工程的難點(diǎn)主要?dú)w納如下：

（1）隧洞為單洞鉆爆法獨(dú)頭掘進(jìn)6493 m，創(chuàng)國(guó)內(nèi)單洞單口鉆爆法施工最長(zhǎng)記錄，隧洞斷面小，只能滿足單線通車需求，所以風(fēng)、電、高壓風(fēng)、施工用水、調(diào)頭會(huì)車洞布置、洞內(nèi)排水等輔助施工措施的選用是確保隧洞正常施工的重要先決條件。

（2）隧洞位于秦嶺北麓復(fù)雜的地質(zhì)條件中，受區(qū)域性斷層影響，全標(biāo)段Ⅳ、Ⅴ類軟弱圍巖占比90.3%，基巖裂隙水豐富，極易坍塌變形，如何降低水對(duì)圍巖的影響，減少塌方、變形，在不良地質(zhì)條件中穩(wěn)定快速施工是確保工期目標(biāo)的關(guān)鍵。

（3）隧洞口臨近黑河水庫(kù)，位于水庫(kù)下游，周邊為周至縣產(chǎn)業(yè)名片獼猴桃種植基地，如何確保施工廢水達(dá)標(biāo)排放，是確保項(xiàng)目外圍穩(wěn)定的關(guān)鍵。

2 輔助施工措施的選用

2.1 施工用電

在洞口位置設(shè)置一臺(tái)630KVA和一臺(tái)400 kVA固定式變壓器滿足洞口空壓機(jī)、風(fēng)機(jī)、加工場(chǎng)及洞口生活區(qū)用電需求。洞口配備300 kW發(fā)電機(jī)一臺(tái)，滿足停電時(shí)洞內(nèi)抽水及未完混凝土施工需要。洞內(nèi)用電從洞口接入10 kV高壓線進(jìn)洞，每1 km設(shè)置一處變壓器洞室，安裝1臺(tái)315 kVA的變壓器，滿足洞內(nèi)該段1 km范圍的施工用電需要。在距洞口3 km位置設(shè)置1臺(tái)630 kVA固定式變壓器滿足洞內(nèi)空壓機(jī)、風(fēng)機(jī)及3～4 km的施工需要。

2.2 施工通風(fēng)

單洞掘進(jìn)6493 m，通風(fēng)距離為目前國(guó)內(nèi)鉆爆法單洞最長(zhǎng)，根據(jù)本隧洞特點(diǎn)，確定采用兩階段壓入式通風(fēng)方案。

第一階段：在洞口設(shè)置一臺(tái)2×110 kW軸流風(fēng)機(jī)，滿足洞內(nèi)前3.5 km施工通風(fēng)需求。

第二階段：在3 km位置修建一座400 m3蓄風(fēng)房，洞口設(shè)一臺(tái)2×132 kW軸流風(fēng)機(jī)，滿足洞內(nèi)風(fēng)機(jī)需風(fēng)量；將原洞口2×110 kW風(fēng)機(jī)移至洞內(nèi)3 km位置接力供風(fēng)，滿足后續(xù)3.5 km作業(yè)面供風(fēng)需求。

目前隧洞已施工6400 m，洞內(nèi)通風(fēng)效果良好，通過(guò)實(shí)踐證明此種通風(fēng)方案在一些輔助措施的運(yùn)用下能滿足超長(zhǎng)距離通風(fēng)需求。

2.3 施工高壓風(fēng)

對(duì)比洞口集中供風(fēng)方案和分洞口洞內(nèi)兩階段供風(fēng)方案，分兩階段供風(fēng)方案在經(jīng)濟(jì)上優(yōu)勢(shì)明顯，據(jù)項(xiàng)目測(cè)算能節(jié)約資金143萬(wàn)元，具體方案如下：

第一階段：在洞口處設(shè)置集中供風(fēng)站，使用DN200鋼管送風(fēng)滿足前3200 m的隧洞施工用風(fēng)；供風(fēng)站選用公稱容積為22 m3/min，額定排氣壓強(qiáng)為0.7 MPa，額定功率132 kW的水冷式空壓機(jī)4臺(tái)，1臺(tái)備用。

第二階段：在距洞口3 km位置設(shè)置洞內(nèi)集中供風(fēng)站，用DN200鋼管送風(fēng)滿足后3500 m的隧洞施工用風(fēng)。洞內(nèi)供風(fēng)站受空間限制，選用公稱容積為22 m3/min，額定排氣壓強(qiáng)為0.7 MPa，額定功率132 kW的風(fēng)冷式空壓機(jī)3臺(tái)，1臺(tái)備用。

2.4 施工用水

施工用水采用洞口集中供水方案，在距洞口底板高差20 m高位置設(shè)置20 m3高山水池一座，采用DN80管道送水送至掌子面，當(dāng)水壓不足時(shí)，在洞內(nèi)適當(dāng)位置增加增壓泵及止回閥，解決沿途水頭損失。

2.5 調(diào)頭會(huì)車洞設(shè)置

由于隧洞成型斷面小，不能滿足洞內(nèi)會(huì)車需求，故根據(jù)裝渣能力和倒車時(shí)間計(jì)算，在洞內(nèi)每500 m設(shè)一個(gè)掉頭會(huì)車洞，滿足洞內(nèi)會(huì)車和車輛調(diào)頭需求。

2.6 洞內(nèi)抽排水

為保證最大涌水量段落正常施工，洞內(nèi)設(shè)置一條DN300鋼管作為排水管道，每1 km設(shè)置一處集中泵站。掌子面和仰拱之間設(shè)置臨時(shí)移動(dòng)水倉(cāng)，水匯集至臨時(shí)移動(dòng)水倉(cāng)后經(jīng)水泵抽至集中泵站后抽至洞口涌水處理站。

3 不良地質(zhì)條件快速施工技術(shù)

項(xiàng)目受地質(zhì)條件變化、塌方、圍巖大變形、超設(shè)計(jì)量涌水等因素的影響，前25個(gè)月僅完成948 m，在這種不利的條件下，項(xiàng)目積極總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，制訂了一套針對(duì)此種不良地質(zhì)條件下的快速施工技術(shù)。

3.1 開挖工法的選擇

Ⅲ類圍巖采用全斷面開挖方法，每循環(huán)進(jìn)尺3 m，兩循環(huán)支護(hù)一次；Ⅳ類圍巖采用全斷面開挖方法，每循環(huán)進(jìn)尺2.4 m；Ⅴ類圍巖采用弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土開挖工法，分上下斷面施工，上斷面每循環(huán)進(jìn)尺0.8 m，下斷面左右交錯(cuò)開挖，每循環(huán)進(jìn)尺1.6 m。

3.2 減少軟弱圍巖塌方的措施

3.2.1 RPD-180CPR多功能快速鉆機(jī)的運(yùn)用

隧洞圍巖為云母片巖、云母夾石英片巖為主，這類巖體成為分離片狀結(jié)構(gòu)[7]。洞身段收水影響較大。為解決水對(duì)圍巖影響造成塌方并豐富超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段增加超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，項(xiàng)目引進(jìn)了礦研RPD-180CBR型多功能快速鉆機(jī)[8]，準(zhǔn)確判斷出前方圍巖的強(qiáng)度、有無(wú)涌水、空洞及斷層，為施工提供準(zhǔn)確的地質(zhì)資料。同時(shí)利用探孔提前釋放出一部分基巖層理裂隙水，使掌子面形成少水或無(wú)水狀態(tài)，大大降低掌子面塌方風(fēng)險(xiǎn)。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，采用該鉆機(jī)得出的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與開挖揭示符合程度達(dá)到90%以上。

3.2.2 增加超前小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)

原設(shè)計(jì)Ⅳ類圍巖中不設(shè)超前小導(dǎo)管，項(xiàng)目Ⅳ類圍巖施做超前小導(dǎo)管試驗(yàn)段取得良好效果，之后部分Ⅳ類圍巖段落增加超前支護(hù)，超前小導(dǎo)管2.4 m/環(huán)，長(zhǎng)4.0 m，拱部120°范圍設(shè)置，間距30 cm，不注漿。

3.2.3 減少軟弱圍巖塌方效果

通過(guò)超前鉆機(jī)使用和部分段落增加超前小導(dǎo)管的措施下，項(xiàng)目塌方次數(shù)和規(guī)模明顯減少，經(jīng)統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目在采取措施前948 m施工中出現(xiàn)大小塌方21次處理塌方72 d；采取措施后5545 m出現(xiàn)大小塌方14次，處理塌方36 d，大大節(jié)約了處理時(shí)間，效果明顯。

3.3 軟弱圍巖大變形段的處理措施

3.3.1 監(jiān)控量測(cè)預(yù)警

洞內(nèi)監(jiān)控量測(cè)工作由項(xiàng)目測(cè)量班負(fù)責(zé)，按Ⅲ類圍巖30m一組，Ⅳ類圍巖15 m一組，Ⅴ類圍巖10 m一組埋設(shè)監(jiān)控量測(cè)斷面點(diǎn)，每組3個(gè)點(diǎn)，拱頂1個(gè)、邊墻2個(gè)，按照規(guī)范要求進(jìn)行拱頂下沉和水平收斂量測(cè)。

3.3.2 處理措施

當(dāng)觀測(cè)到的拱頂下沉、水平收斂速率達(dá)到5 mm/d或累計(jì)達(dá)到80 mm時(shí)，立即停止掘進(jìn)，向監(jiān)理、設(shè)計(jì)和業(yè)主匯報(bào)，四方踏勘現(xiàn)場(chǎng)后確定處理措施。

（1）增加長(zhǎng)大鎖腳：大變形部位每榀鋼架兩側(cè)各增加兩根φ80，長(zhǎng)6 m鎖腳錨管，并進(jìn)行注漿加固。

（2）增加仰拱初期支護(hù)：本隧洞Ⅳ類圍巖未設(shè)置仰拱初支，項(xiàng)目一共出現(xiàn)6段Ⅳ類圍巖地段初支變形現(xiàn)象，組織增加仰拱初期支護(hù)后有效的抑制了拱腳回收，極大地提升了初期支護(hù)的穩(wěn)定性，預(yù)防了可能出現(xiàn)的初期支護(hù)侵限等問(wèn)題。

（3）增加徑向注漿：在上述兩個(gè)措施增加后，變形還不能有效抑制的情況下，根據(jù)拱頂下沉或水平收斂情況，增加拱部或全斷面徑向注漿。項(xiàng)目共進(jìn)行徑向注漿加固圍巖3次，效果明顯。

3.4 涌水處理

2017年5月19日施工至K76+131，在巖石開挖鉆孔作業(yè)時(shí)，一個(gè)鉆孔內(nèi)突然噴射出一股高壓水流，噴射距離約為13 m，泥黃色，夾雜大量泥沙，估算單孔涌水量2000 m3/d。項(xiàng)目利用RPD-180CBR多功能快速鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔泄水，在掌子面后方和掌子面共鉆孔9個(gè)，使裂隙水的排放速度由原先的2000 m3/d提升至11000 m3/d，泄水2天后，涌水量明顯衰減，掌子面恢復(fù)了施工。

4 污水處理

4.1 環(huán)水保形式

項(xiàng)目位于黑河水庫(kù)下游的黑河一級(jí)支流黃池溝內(nèi)，周邊為周至縣支柱產(chǎn)業(yè)的獼猴桃種植基地，環(huán)保形式嚴(yán)峻。根據(jù)《陜西省引漢濟(jì)渭工程環(huán)境影響報(bào)告書》報(bào)告要求，污水處理后排放水質(zhì)滿足地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 3838-2002）中地表Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 污水處理原則

隧洞施工所產(chǎn)生的污水不涉及重金屬等污染物。受地質(zhì)條件影響，隧洞圍巖遇水軟化，石粉懸于水中，致使懸浮物較多，因此處理原則是利用長(zhǎng)路徑輸移中的自然沉淀作用，使污染物沉積，達(dá)到凈水效果。

4.3 污水處理方法

臨時(shí)污水處理系統(tǒng)處理系統(tǒng)由2組初級(jí)沉淀池、2組絮凝反應(yīng)池及4組低速攪拌系統(tǒng)、4組隔油沉淀池、1臺(tái)臥螺脫泥設(shè)備、1套自行走泥漿抽排軌道系統(tǒng)組成，系統(tǒng)中排水全程采用自然排水重力流排。

污水處理流程為污水經(jīng)洞口2組初級(jí)沉淀池初步沉淀，然后利用管溝流入2組絮凝反應(yīng)池內(nèi)，在絮凝反應(yīng)池內(nèi)添加絮凝藥劑并間歇攪拌，絮凝反應(yīng)池內(nèi)的泥漿利用污泥泵抽至臥螺脫泥內(nèi)，經(jīng)過(guò)脫水后將泥漿與水分離，分離之后的水繼續(xù)進(jìn)入絮凝反應(yīng)池加藥處理，之后再分水至4組隔油沉淀池內(nèi)，隔油沉淀池內(nèi)沉淀物采用泥漿抽排系統(tǒng)抽至臥螺脫泥內(nèi)，處理方法同上。經(jīng)隔油沉淀池沉淀完成后的達(dá)標(biāo)水排入河道。脫水后的泥漿由出渣車運(yùn)至渣場(chǎng)填埋。

4.4 污水處理效果

臨時(shí)污水處理系統(tǒng)自2014年8月運(yùn)行以來(lái)，每季度委外水質(zhì)檢測(cè)一次，根據(jù)送檢結(jié)果顯示，歷次水質(zhì)檢測(cè)全部滿足地表Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)各種輔助施工措施的比選運(yùn)用，在取得良好的經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，確保了隧洞正常施工。通過(guò)采取不同措施應(yīng)對(duì)各種不良地質(zhì)情況，實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定施工，大大扭轉(zhuǎn)了前期工期不利的局面，Ⅳ類圍巖的施工進(jìn)度由原先的月均38 m提升至月均130 m，最快達(dá)到167 m/月。污水處理系統(tǒng)確保了施工期間污水的達(dá)標(biāo)排放，在滿足業(yè)主環(huán)水保要求下確保了項(xiàng)目外圍穩(wěn)定。

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