淺談深埋長(zhǎng)隧洞的勘測(cè)、設(shè)計(jì)和施工

李有華

摘要： 水利工程建設(shè)中的隧洞都存在施工難度大、地質(zhì)條件復(fù)雜、危險(xiǎn)性高和投資風(fēng)險(xiǎn)大的特點(diǎn)，隧洞長(zhǎng)度超過(guò)2km的深埋隧洞，上述特點(diǎn)更加明顯，這就要求深埋隧洞的測(cè)量、勘察、設(shè)計(jì)和施工都要有個(gè)高的技術(shù)要求，以確保工程順利建成。

Abstract： The tunnels in the construction of water conservancy projects has the characteristics of high construction difficulty， complex geological conditions， high risk and high investment risk. The above-mentioned characteristics are more obvious in tunnels with a tunnel length exceeding 2 km， which requires the measurement， survey， design and construction of deep tunnels must have a high technical requirements to ensure the successful completion of the project.

關(guān)鍵詞： 深埋長(zhǎng)隧洞；測(cè)量；導(dǎo)線；勘察；地下水；設(shè)計(jì)；施工；輔助坑道

Key words： long buried deep tunnel；measurement；wire；survey；groundwater；design；construction；auxiliary tunnel

中圖分類號(hào)：TV221 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）17-0139-02

0 引言

水利工程中的隧洞由于深埋地下，地質(zhì)條件復(fù)雜，施工難度大，因此做好工程開(kāi)工的前期工作顯得尤為重要。本文結(jié)合云南省蒙自市楊柳河引水工程的特點(diǎn)，根據(jù)深埋隧洞的特點(diǎn)，結(jié)合勘測(cè)、設(shè)計(jì)和施工進(jìn)行分析總結(jié)。

蒙自市楊柳河引水工程是在距鳴鷲鎮(zhèn)約1km處的河道里布置取水樞紐和泄洪閘，其中取水壩壩高5.1m，壩長(zhǎng)129m，泄洪閘由2×3.6m的平板鋼閘門控制泄洪。在泄洪閘的左側(cè)布置取水閘，取水閘后接引水明渠，引水明渠的左邊墻兼做擋水建筑物。明渠后接沉沙池和引水隧洞，引水隧洞在平面上呈折線布置，全長(zhǎng)9808m。隧洞出口布置在距小寨村0.7km處。隧洞出口和流入北溪河的支流交匯后進(jìn)入菲白水庫(kù)和莊寨水庫(kù)，經(jīng)菲白水庫(kù)和莊寨水庫(kù)調(diào)節(jié)后經(jīng)工農(nóng)大溝進(jìn)入五里沖水庫(kù)。

1 工程測(cè)量

工程區(qū)位于云南高原南緣山區(qū)。區(qū)間巖溶地貌以峰叢洼地及溶丘谷地為主，峰叢洼地均由碳酸鹽巖構(gòu)成，溶丘基座相連，洼地和漏斗嵌布其間，峰叢相對(duì)高度一般小于百米，峰形峭利，基巖裸露，局部地段由于受巖層產(chǎn)狀控制，巖峰呈單面山和豬背嶺，洼地多呈橢園形、長(zhǎng)條形及不規(guī)則狀等形態(tài)。溶丘谷地分布于隧洞區(qū)中、上段間，谷地中分布有漏斗、落水洞，并有第四系沖洪積物覆蓋，溶丘與谷地相對(duì)高差數(shù)十米至百余米，隧洞上覆地形起伏較大。為保證隧洞的順利貫通，隧洞的控制測(cè)量是關(guān)鍵，隧洞的控制測(cè)量分為平面控制測(cè)量和高程控制測(cè)量，又可分為洞外控制測(cè)量和洞內(nèi)控制測(cè)量。測(cè)量時(shí)的誤差會(huì)對(duì)隧洞的貫通產(chǎn)生橫向誤差、豎向誤差和縱向誤差。一般情況，豎向誤差主要由高程控制誤差引起，誤差來(lái)源規(guī)律簡(jiǎn)單；縱向誤差主要由測(cè)距誤差引起，但不直接影響隧洞的貫通；橫向誤差是隧洞貫通的主要誤差，對(duì)于勘察設(shè)計(jì)階段的平面控制測(cè)量，主要是控制橫向誤差。

由于該隧洞全長(zhǎng)為9.88km，屬于長(zhǎng)輸水隧洞，根據(jù)《水利水電工程施工測(cè)量規(guī)范》SL52-93要求，在進(jìn)行隧洞控制測(cè)量前要做貫通測(cè)量技術(shù)設(shè)計(jì)，顧及現(xiàn)階段洞外平面控制測(cè)量主要采用GPS網(wǎng)，高程控制測(cè)量主要采用三角高程測(cè)量及數(shù)字水準(zhǔn)測(cè)量，精度較高，故洞外橫向貫通中誤差值可取45mm，洞外豎向貫通中誤差值可取20mm。顧及后續(xù)施工的需要，在隧洞進(jìn)出口位置、支洞進(jìn)口位置，要布設(shè)至少一對(duì)通視的控制點(diǎn)。本次平面控制點(diǎn)由12個(gè)GPS點(diǎn)組成，網(wǎng)中共有32條基線參與平差計(jì)算，閉合環(huán)最大節(jié)點(diǎn)數(shù)為3點(diǎn)，閉合環(huán)總數(shù)32個(gè)，其中，同步環(huán)總數(shù)20個(gè)，異步環(huán)總數(shù)12個(gè)，三維自由網(wǎng)平差單位權(quán)中誤差26.8mm，最弱邊相對(duì)誤差1/220000，精度滿足技術(shù)設(shè)計(jì)要求。高程控制點(diǎn)共用平面控制點(diǎn)，另外用全站儀三角高程測(cè)量法測(cè)量各控制點(diǎn)的高程，并用GPS擬合高程進(jìn)行檢核，經(jīng)平差計(jì)算，高程閉合差為18mm，精度滿足技術(shù)設(shè)計(jì)要求。

2 地質(zhì)勘察

蒙自市楊柳河引水工程的引水隧洞洞身全長(zhǎng)9808.0m，由于隧洞為深埋長(zhǎng)隧洞，給工程地質(zhì)勘察工作帶來(lái)很大困難。首先是布置鉆孔孔數(shù)的問(wèn)題，如此長(zhǎng)的線路，如果按照一般布置，沿隧洞軸線100m布置一孔，將要布置上百個(gè)勘探鉆孔，勢(shì)必耗時(shí)耗物，影響工程建設(shè)；其次由于工程地質(zhì)區(qū)由白云巖、灰?guī)r、硅質(zhì)巖、泥質(zhì)灰?guī)r及砂巖、泥巖構(gòu)成，區(qū)間有微、弱、強(qiáng)風(fēng)化巖體，地下水活動(dòng)無(wú)～強(qiáng)（無(wú)地下水地段占39%），有層狀結(jié)構(gòu)、碎裂狀結(jié)構(gòu)、鑲嵌狀結(jié)構(gòu)和散體結(jié)構(gòu)體。由于整個(gè)工程區(qū)處于灰?guī)r地段，巖溶、漏斗等地質(zhì)構(gòu)造較為發(fā)育，發(fā)生圍巖變形、塌方、巖爆、高外水壓力、突水、突泥和涌水、高地溫、巖溶、膨脹巖、有害氣體、有害水質(zhì)、放射性危害等地質(zhì)問(wèn)題可能性較大，勢(shì)必給工程的施工帶來(lái)很多危險(xiǎn)；最后是由于隧洞圍巖的穩(wěn)定性有 19.0%為基本穩(wěn)定地段（Ⅱ），有34.82%為局部穩(wěn)定性差地段（Ⅲ），有36.17%為不穩(wěn)定地段（Ⅳ），有10.01%為極不穩(wěn)定地段（Ⅴ），而且各類巖層交錯(cuò)分布，如果對(duì)各類巖層劃定不清，勢(shì)必會(huì)給工程的施工和計(jì)量帶來(lái)很多困難和麻煩，直接影響工程的投資建設(shè)。

隧洞在2km以內(nèi)，均可根據(jù)隧洞進(jìn)出口、低洼地段、巖層明顯變化處等明顯地質(zhì)特點(diǎn)進(jìn)行布孔勘探，一般均可查明地下地質(zhì)情況。但對(duì)于超過(guò)2km長(zhǎng)隧洞，地質(zhì)構(gòu)造種類就變得較為繁雜，地質(zhì)勘查人員只能根據(jù)地表地質(zhì)勘查工作，在隧洞沿線溶蝕、漏斗、沖溝、斷層、地層分界線和隧洞轉(zhuǎn)彎處附近進(jìn)行布孔進(jìn)行勘探，這就需要有相當(dāng)豐富經(jīng)驗(yàn)的地質(zhì)勘查人員。當(dāng)然，由于大部分隧洞的進(jìn)出口位置均處于覆蓋層較薄、巖層風(fēng)化程度較高、進(jìn)出洞均容易坍塌的地段，因此，無(wú)亂長(zhǎng)短隧洞，一般情況下都應(yīng)布置鉆孔進(jìn)行勘探。如果一套地層較為完整，沒(méi)有大的地質(zhì)構(gòu)造出現(xiàn)，山巖厚度不超過(guò)200m的情況下，一般均在500m以內(nèi)布孔或者進(jìn)行物探，如果山巖較厚，布控或者進(jìn)行物探的距離可控制在2km以內(nèi)。

根據(jù)上述地質(zhì)勘探原則，蒙自市楊柳河引水工程在施工過(guò)程中出現(xiàn)的巖溶、塌方、涌水和突泥等對(duì)工程不利的地質(zhì)現(xiàn)象，其位置基本和設(shè)計(jì)相同。隧洞開(kāi)挖后，經(jīng)過(guò)地質(zhì)編錄統(tǒng)計(jì)，隧洞圍巖的穩(wěn)定性有 16.3%為基本穩(wěn)定地段（Ⅱ），原設(shè)計(jì)為19%；有31.55%為局部穩(wěn)定性差地段（Ⅲ），設(shè)計(jì)為34.82%；有37.43%為不穩(wěn)定地段（Ⅳ），設(shè)計(jì)為36.17%；有10.01%為極不穩(wěn)定地段（Ⅴ），設(shè)計(jì)為14.72%，基本和設(shè)計(jì)吻合。

3 隧洞斷面設(shè)計(jì)

3.1 隧洞斷面尺寸的確定

蒙自市楊柳河引水工程主要是引水隧洞的設(shè)計(jì)，引水隧洞采用鋼筋砼無(wú)壓圓供直墻式結(jié)構(gòu)，由于隧洞較長(zhǎng)，進(jìn)出口高差不大，按明渠均勻流計(jì)算確定輸水隧洞的斷面尺寸，計(jì)算公式為：Q=AC

計(jì)算成果如表1。

3.2 隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

無(wú)壓隧洞的斷面型式有圓拱直墻式、馬蹄形和蛋形等，本工程采用了圓拱直墻式斷面。在進(jìn)行無(wú)壓隧洞的襯砌計(jì)算之前，一般先剪擬定斷面型式、輪廓尺寸和襯砌厚度，襯砌厚度約為洞寬的1/8～1/12，且不得小于結(jié)構(gòu)要求的最小厚度，此外還可應(yīng)用工程類比法等來(lái)確定襯砌的初步厚度。本工程圓拱直墻式襯砌分頂拱、邊墻和底板三部分，為封閉式襯砌結(jié)構(gòu)，襯砌的計(jì)算方法很多，也比較繁雜，但不論哪一種計(jì)算方法，都作了與實(shí)際不完全符合的基本假定。加上山巖壓力、巖石彈性抗力和外水壓力等均較難準(zhǔn)確地確定，因此，計(jì)算方法應(yīng)從實(shí)際條件出發(fā)合理地選擇。在襯砌計(jì)算中，除考慮襯砌的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、荷載作用形式和圍巖條件外，還應(yīng)考慮施工方法。本工程結(jié)構(gòu)計(jì)計(jì)算采用《SDCAD4.0水利版計(jì)算軟件》進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，結(jié)合相近工程進(jìn)行類比確定襯砌厚度。

需要指出的是無(wú)壓隧洞設(shè)計(jì)荷載除了計(jì)入外水壓力外，還需要根據(jù)圍巖類別計(jì)入山巖壓力，對(duì)于Ⅰ類圍巖，可不計(jì)入山巖壓力；對(duì)于Ⅱ、Ⅲ類圍巖，只計(jì)入山巖壓力，不考慮側(cè)向水平山巖壓力；對(duì)于Ⅳ、Ⅴ圍巖，可按松動(dòng)介質(zhì)平衡理論計(jì)算山巖壓力。本工程所涉及的Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ四類圍巖均可按照規(guī)范的相應(yīng)公式進(jìn)行計(jì)算得出。

總而言之，工程的設(shè)計(jì)總體來(lái)說(shuō)較為簡(jiǎn)單，根據(jù)設(shè)計(jì)流量要求和進(jìn)出口所在的高程位置，可很簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)出過(guò)水?dāng)嗝娉叽缫螅鶕?jù)圍巖類別進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算也可得到設(shè)計(jì)斷面的襯砌厚度。本工程設(shè)計(jì)難點(diǎn)就是工程量和投資的控制，工程量的控制直接和地質(zhì)勘查的成果有關(guān)，也是影響投資變化的主要因素之一，這就要求地質(zhì)勘查工作做得細(xì)做的實(shí)，因此地質(zhì)工作的重要性由此可見(jiàn)。另外，施工的工藝和施工方法也是影響工程投資的又一個(gè)主要因數(shù)，因此，設(shè)計(jì)人員必須在設(shè)計(jì)過(guò)程中要考慮如何來(lái)施工，確保在最短的時(shí)間內(nèi)以最經(jīng)濟(jì)的投資完成工程建設(shè)任務(wù)，這才是要考慮的主要問(wèn)題。

4 工程施工

長(zhǎng)隧洞的施工和一般隧洞的施工存在很大差別，一般隧洞（2km以內(nèi)），其工作斷面在進(jìn)出口布置便可快速高效完成工程的開(kāi)挖。長(zhǎng)隧洞則不同，為便于工程的施工和建設(shè)，縮短工程建設(shè)工期，到達(dá)合理的經(jīng)濟(jì)效益，長(zhǎng)隧洞的施工應(yīng)在合理位置布設(shè)輔助坑道以增加工作斷面。輔助坑道應(yīng)布置在隧洞沿線較低洼處，但輔助坑道布設(shè)間距不應(yīng)超過(guò)2km，因此，蒙自市楊柳河引水工程結(jié)合工程的實(shí)際情況考慮3條輔助坑道作為工作斷面進(jìn)行開(kāi)挖。解決了工作斷面的問(wèn)題，就面臨隧洞的開(kāi)挖，長(zhǎng)隧洞由于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，特別是灰?guī)r地區(qū)，溶洞、斷層、軟弱夾層等薄弱地質(zhì)構(gòu)造，給施工帶來(lái)很多不便和危險(xiǎn)，為此，如何安全快速掘進(jìn)就成工程建設(shè)的關(guān)鍵點(diǎn)。蒙自市楊柳河引水工程隧洞的開(kāi)挖均按照Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類和Ⅴ類圍堰分類進(jìn)行開(kāi)挖，一般情況下，Ⅱ類圍巖一般不需要支護(hù)措施便可開(kāi)挖掘進(jìn)。三類圍巖理論上仍然不需要支護(hù)，只要素噴混凝土，對(duì)其封閉便可開(kāi)挖，但由于工程施工過(guò)程中，由于在開(kāi)挖過(guò)程中，爆破裝藥量過(guò)大或者布設(shè)爆破孔不合適，開(kāi)挖斷面周邊巖體的整體性就會(huì)遭到破壞，可能由Ⅲ類變成Ⅳ類或者Ⅴ類，這就要求在開(kāi)挖過(guò)程中要按Ⅳ類或者Ⅴ類進(jìn)行支護(hù)處理。在隧洞襯砌過(guò)程中，在很多地段Ⅲ類夾Ⅳ類（或Ⅳ類夾Ⅴ類）交替出現(xiàn)，而且互夾的頻距較短，如果按照圍巖分類別襯砌，勢(shì)必影響工程質(zhì)量。當(dāng)然，如果互夾的頻距較長(zhǎng)，是必須要按圍巖分類別襯砌。因此，在互夾的頻距過(guò)短的情況下，襯砌采用就高不就低的襯砌原則進(jìn)行。

當(dāng)然，隧洞的施工還要注意洞內(nèi)錯(cuò)車道的布設(shè)，隧洞通風(fēng)、通電等基本設(shè)施的安裝布置，對(duì)滲水應(yīng)在合適位置修筑集水井進(jìn)行抽排。在施工過(guò)程中，還應(yīng)安排巡視人員對(duì)可能發(fā)生的隧洞坍塌、涌水、突泥等地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)進(jìn)行常規(guī)巡查，一旦發(fā)現(xiàn)跡象應(yīng)及時(shí)處理，以免帶來(lái)人員傷亡。總而言之，隧洞的施工是危險(xiǎn)性很高的行業(yè)，施工單位因根據(jù)工程的具體情況提出合理的施工方案，精心組織，認(rèn)真實(shí)施，確保工程順利完成。

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