引洮供水二期工程小斷面軟巖隧洞施工技術措施

謝世良

（甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000）

1 工程概況

甘肅省引洮供水二期工程總干渠33#及34#兩座隧洞位于白銀市會寧縣黨峴鄉雪岔溝與十里窯之間，隧洞全長分別為1.57 km與15.51 km，合同工期36 個月，輸水流量設計7.4 m3/s、加大8.2 m3/s，洞身采用三心圓拱曲墻反拱底板類馬蹄型斷面，一次噴混凝土、系統錨桿、鋼拱架、頂拱鋼筋網及小導管管棚等聯合體系支護，二次液壓整體鋼模臺車模筑鋼筋混凝土襯砌的復合式支護襯砌結構，設計縱坡1/1250，開挖掘進最大斷面尺寸高與寬均為3.59 m、最大斷面面積10.31 m2，凈斷面尺寸2.65（寬）m×2.72（高）m，加大流量運行水深2.05 m、流速1.68 m/s。隧洞開挖掘進最大斷面跨度與面積為小斷面地下洞室規模下限，接近特小斷面規模，屬于典型的小斷面地下洞室規模水工引輸水隧洞工程，按照新奧法（NATM 法）與鉆爆法相結合理念設計與施工。33#隧洞為進出口兩個施工工作面，34#長隧洞全線增設5 座施工輔助支洞，包括進出口總計12 個工作面，兩座隧洞施工關鍵線路為34#隧洞進口段，單工作面控制最大洞長1.6 km。兩座隧洞一次支護及二次襯砌設計典型橫斷面如圖1、圖2 所示。

圖1 隧洞一次支護設計典型橫斷面

圖2 隧洞二次襯砌設計典型橫斷面

總干渠33#及34#兩座隧洞具有單工作面控制洞長較大、斷面小，開挖掘進及支護襯砌施工機械設備作業影響大，各道工序間相互干擾，施工功效低；圍巖軟弱，強度低，穩定問題突出，一次支護須緊跟開挖掘進施工掌子面，且質量標準要求高；洞身全斷面二次襯砌需“先底后拱”兩次成型且及早施工，施工組織協調要求高，以及不良地質處理等重難點工程技術特性。

2 工程地質

總干渠33#及34#兩座隧洞洞身圍巖主要為古近系砂巖夾砂礫巖，以及粉砂質泥巖夾泥質粉砂巖，泥質含量低，泥質弱膠結，成巖程度差，單軸抗壓強度普遍小于15.0 MPa，強度低，具弱透水性，屬極不穩定的Ⅴ類軟—極軟巖，遇水快速軟化崩解，巖石強度降低顯著，巖體完整性系數0.7～0.85，縱波波速2000.0 m/s～2300.0 m/s。巖體受構造影響輕微，節理裂隙不發育，總體呈中厚—巨厚層狀，局部為薄層狀，巖層層面為主要結構面，層面結合差，產狀平緩，交錯層理發育，巖相變化劇烈。圍巖地下水主要為孔隙—裂隙水類型，全線洞身均處于地下水位以下，地下水位高于洞頂20.0 m～50.0 m，主要以滴滲為主，局部線狀流水，對普通混凝土無腐蝕性。

隧洞工程地質突出問題是極軟巖穩定，圍巖總體工程地質條件差，具長期流變特性。隨隧洞開挖掘進，地下水集中向洞內滲流排泄，在動靜水壓力及爆破震動共同作用影響下，圍巖塑性松動圈巖石遇水快速軟化及崩解，巖體結構遭到破壞，局部可能產生流土破壞，進而發生局部涌砂，并可能產生大變形及塌方，掌子面多不能自穩。

3 開挖掘進施工主要技術措施

3.1 施工通風

總干渠33#及34#兩座隧洞施工通風方案考慮鉆爆法開挖掘進、爆破作業產生的有害氣體與粉塵為主要污染源、獨頭開挖掘進最遠送風距離1.6 km、洞內無軌運輸、通風排煙占用30.0 min 作業工序循環時間（正常送風不占用循環時間），以及可提供足夠風量與風壓風機、漏風與阻力小風管等諸多因素，確定采用獨立壓入通風方式，主洞及支洞洞口配置1 臺SDF（C）№11 型多極變速軸流式風機，主洞洞內采用直徑Ф500 mm 的PVC 增強維綸布風筒，平直懸掛于洞身一側，直至距開挖掘進施工掌子面不小于30.0 m 處。通風風量須滿足能夠為洞內作業人員供給足夠的新鮮空氣，保障作業人員身體健康，并沖淡排除有害氣體，降低粉塵濃度，改善勞動環境，以及保證洞內最低風速不低于0.25 m/s、溫度不大于28.0℃等技術要求，風機依據洞內需風量及通風距離選型。通風風量按以下三種工況計算：

（1）按洞內同時作業人數計算

式中：Q 為理論通風風量，m3/min；q 為每人每分鐘呼吸所需空氣量，取3.0 m3/min；M 為同時工作人數，取25 人；K 為風量備用系數，取1.15。

由此得：Q＝86.3 m3/min。

（2）按洞內爆破后，稀釋一氧化碳（CO）至許可最高濃度計算。

式中：A 為同時爆破的炸藥消耗量，取31.2 kg；K 為風量備用系數，取1.10；t 為通風時間，取30.0 min。

由此得：Q＝572.0 m3/min。

（3）按洞內允許最小風速計算

式中：S 為隧洞橫斷面面積，取最大開挖掘進斷面面積10.31 m2；V 為最小允許風速，取0.25 m/s。

由此得：Q＝154.7 m3/min

采用上述三種工況計算最大值作為施工理論通風風量，即洞內工作面所需理論風量應不小于572.0 m3/min。實際施工通風量需考慮風筒漏風因素后確定，百米長風筒漏風率正常情況下按控制在1.2%以內確定，獨頭開挖掘進最遠送風距離1.6 km，據此計算漏風系數：

式中：P 為風筒漏風系數；L 為獨頭開挖掘進最遠送風距離，取1600.0 m；P100為百米長風筒漏風率，取1.2%。

由此得：P＝1.02，則：

經計算分析，隧洞施工洞內單工作面實際所需通風量應按不小于583.0 m3/min 控制，并進行風機與風筒等設備選型。

3.2 施工供風

兩座隧洞按單工作面開挖掘進施工采用4 臺鑿巖機同時工作，主供風風管采用Ф125 mm 鋼管進行施工供風計算分析。空壓機生產能力應考慮由儲氣筒至風動機具沿途損失、各機具耗風量，以及風動機具同時工作系數與備用系數。空壓機生產能力計算式為：

式中：Q 為空壓機生產能力，m3/min；K 為風動機具同時工作系數，按投入4 臺鑿巖機同時工作考慮，取0.85；K備為風動機具備用系數，一般為75.0%～90.0%，取75.0%；km為工程區海拔高程對空壓機生產能力影響系數，取1.14；∑q 為全部風動機具所需風量，為∑q＝4×3.5＝14.0 m3/min；q漏為管路及附件漏耗損失，按風損30.0%取1.3。

由此得：Q＝32.6 m3/min，隧洞單工作面設置2 臺生產能力為20.0 m3/min 的電動空壓機，即可滿足開挖掘進施工需要。

3.3 主洞開挖掘進

針對總干渠33#及34#兩座隧洞單工作面施工控制洞長較大、斷面小、圍巖軟弱穩定性差、工程設計，以及合同工期安排等主要工程技術特性，制定開挖掘進施工技術措施。兩座隧洞采用全斷面光面爆破技術開挖掘進，以最大限度減輕對圍巖擾動，堅持邊開挖掘進邊實施一次支護，一次支護體系緊跟開挖掘進掌子面的原則施工，以保證開挖掘進施工及洞身穩定安全。

隧洞主洞開挖掘進施工總體采用YT－28 型手風鉆鉆孔，洞身全斷面布孔裝藥爆破破巖一次成型，履帶移動式扒渣機裝渣，洞內每間隔洞長300.0 m 設置1 處錯車回車道，4.0 t小型自卸車無軌運輸出碴及進料的技術方案。隧洞開挖掘進及一次支護施工工藝流程如圖3 所示；爆破作業工序單循環時間安排如表1 所列；洞身全斷面光面爆破布孔及裝藥設計參數如圖4 所示、如表2 所列。隧洞開挖掘進并一次支護施工單循環進尺2.0 m，每月按25 d、每天按三班24.0 h 工作制有效作業時間計算分析，單循環作業12.0 h，月均50 循環，月均進尺100.0 m。

圖3 隧洞開挖掘進及一次支護施工工藝流程

圖4 隧洞全斷面光面爆破布孔設計/cm

表1 隧洞開挖掘進爆破作業工序單循環時間安排

表2 隧洞全斷面光面爆破布孔及裝藥設計參數

隧洞開挖掘進全斷面光面爆破質量控制措施，主要包括做好超前地質預報，準確判定圍巖性狀，合理設計爆破參數；準確確定炮孔位置與洞身開挖掘進輪廓線；嚴格按爆破設計鉆孔、裝藥、接線和引爆。洞身斷面中部掏槽孔孔口與孔底間距誤差不大于50.0 mm；輔助孔孔口排距與行距誤差不得大于100.0 mm；周邊孔布置于開挖掘進斷面輪廓線上，允許沿輪廓線調整，其誤差不大于50.0 mm，孔底不超出輪廓線100.0 mm；內圈炮孔至周邊孔排距誤差不大于50.0 mm，深度超過2.5 m 時，內圈孔與周邊孔以相同斜率鉆孔；當掌子面凸凹較大時，按實際調整炮孔深度，力求除掏槽孔及底孔外的所有炮孔孔底在同一垂直面上；周邊孔采用不耦合方式裝藥。炮孔內泥漿及石粉等雜質須吹洗干凈，完成裝藥的炮孔均堵塞炮泥，周邊孔堵塞長度大于20.0 cm。

4 一次支護體系施工主要技術措施

總干渠33#及34#兩座隧洞一次支護體系原則是緊跟開挖掘進施工掌子面，確保與圍巖巖體能夠及早共同承載，保持洞身整體穩定及施工安全。按照隧洞工程設計，一次支護體系主要包括Φ20 mm、長2.0 m 水泥基藥卷系統錨桿、Φ6.5 mm 鋼筋網、噴射厚120.0 mm 混凝土、Ⅰ12 工字鋼型鋼鋼拱架及Φ42 mm 小導管管棚等。

4.1 系統錨桿

隧洞一次支護系統錨桿施工主要工藝流程為測量放線→布孔→鉆孔→清孔→送水泥基藥卷錨固劑→推進錨桿與攪拌錨固劑→達錨固強度→檢查驗收。采用YT－28 型風鉆成孔，鉆孔直徑按大于錨桿桿體直徑15.0 mm～20.0 mm 確定為Φ35.0 mm～40.0 mm，鉆孔深度按大于錨桿桿體入巖長度20.0 mm～30.0 mm 控制，孔位允許偏差±15.0 mm，孔深允許偏差±50.0 mm，高壓風清孔。水泥基藥卷需在20.0℃～22.0℃的溫水中浸泡軟化后，立即按節依次送入孔內全斷面滿孔均勻密實，孔內不能出現漏空，并盡快將錨桿桿體打入孔內并攪拌后待凝固結。

4.2 掛網噴射混凝土

隧洞一次支護噴射混凝土前隨巖面起伏鋪設鋼筋網，與錨桿頭可靠焊接，以確保噴射混凝土時鋼筋網不擺動，噴頭不得正對鋼筋。施工時若存在脫落噴層或大量回彈物被鋼筋網“架住”，須及時清除，不得包裹在噴層內。噴射混凝土須填滿鋼筋網與巖面之間的空隙，并粘結牢固。為確保噴射混凝土層均勻密實，凝結高強，并減少回彈，須分兩次噴射，初噴厚度40.0 mm～50.0 mm，二次噴射至設計厚度120.0 mm，且鋼筋網覆蓋厚度不得小于50.0 mm。噴射混凝土厚度、噴層強度，以及噴混凝土與巖面之間、兩次噴層之間的粘結強度，通過鉆取試芯及噴大板制作試件的方法進行試驗檢測。

4.3 鋼拱架

隧洞一次支護鋼拱架須與巖面緊貼架設，巖面凹陷處采用混凝土塊楔緊，前后相鄰鋼拱架采用連接筋連接形成整體，以確保鋼拱架能夠全斷面均衡承載。鋼拱架加工及架設施工允許誤差為沿洞身周邊輪廓誤差不大于30.0 mm，鋼拱架整體平面翹曲小于±20.0 mm。

5 二次襯砌施工主要技術措施

總干渠33#及34#兩座隧洞二次襯砌遵循“先底后拱、底拱超前、拱墻整體”的施工原則，一次支護體系施工完成后，為有效控制圍巖變形，并防止巖體軟化及泥化，洞身底拱二次襯砌應盡量緊跟開挖掘進并一次支護施工掌子面，采用鋼結構棧橋平臺解決洞內施工出碴及進料運輸問題，底拱二次襯砌須全幅一次性澆筑施工。洞身拱墻二次襯砌采用液壓整體穿行式鋼模臺車，一次性整體澆筑施工，嚴禁設置環縱向施工縫，以避免產生冷縫。混凝土在洞外采用拌和站集中拌和，攪拌運輸車運至洞內，嚴禁產生離析，泵送混凝土入倉澆筑，插入式振搗棒配合鋼模臺車自帶附著式振搗器搗固均勻。

5.1 底拱二次襯砌

隧洞底拱二次襯砌采用拱架支撐組合鋼模板配套施工，洞身兩側墻下部設置高30.0 cm 小邊墻，其頂部為洞身全斷面二次襯砌縱向施工縫，洞身兩側小邊墻與底拱全斷面整體澆筑，洞身二次襯砌施工時須做好鋼筋搭接及環向結構縫止水帶布設。洞身底拱二次襯砌定型鋼模尺寸為0.05 m×0.3 m×1.2 m，支撐拱架采用Ⅰ18 工字鋼按洞身底拱斷面尺寸及弧度，并考慮模板厚度加工制作，間距按模板尺寸確定為1.2 m。須保證支撐拱架具有足夠的剛度及強度，并加固端頭模板，做好防浮支撐，以防止泵送混凝土灌注施工時發生變形。洞身底拱二次襯砌跨長及永久分縫與拱墻保持一致，設計要求跨長為10.0 m，混凝土澆筑完成不少于20.0 h 后脫模，并開始灑水養護不小于7 d。

5.2 拱墻二次襯砌

隧洞拱墻二次襯砌采用液壓整體穿行式鋼模臺車澆筑混凝土的施工技術方案，鋼模臺車按洞身設計斷面型式及其尺寸加工制造，長10.0 m，整體結構由鋼面板、鋼桁架支撐系統、液壓系統及附著式振搗系統等組成，主要工作流程為移動定位→調整至斷面位置→液壓系統頂進→混凝土灌注→振搗→液壓系統回收→千斤頂降落→脫模→前移→下一跨長循環。洞身拱墻二次襯砌跨長及永久分縫與底拱保持一致，設計要求跨長為10.0 m，混凝土澆筑完成不少于20.0 h 后脫模，或當二次襯砌混凝土強度達2.5 MPa 時方可拆除模板，脫模后即行開始灑水養護不小于7 d。隧洞洞身拱墻二次襯砌施工工藝流程如圖5 所示，液壓整體式鋼模臺車結構如圖6所示。

圖5 隧洞二次襯砌施工工藝流程

隧洞二次襯砌施工質量控制措施主要包括加強基底清理；混凝土整體澆筑不間歇，加強搗固；嚴禁斷面欠挖，盡量減少超挖，超挖部分采用與二次襯砌同強度混凝土澆筑回填；加強起拱線、拱頂與環向結構縫等部位的混凝土振搗；采用配合比最佳級配集料混凝土，使其快硬早強；混凝土生產全程對拌和均勻性、適宜拌和時間、自動計量設備準確性等經常性檢查；混凝土運輸能力要適應凝結與澆注速度需要，以保持均勻性與規定坍落度，并充分發揮設備效率；保證混凝土振搗密實，以及注重混凝土保養等諸多方面。

圖6 隧洞二次襯砌液壓整體式鋼模臺車結構

5.3 二次襯砌施工指標及強度分析

經綜合分析，兩座隧洞二次襯砌施工作業工序單循環時間安排見表3 所列。隧洞二次襯砌按單工作面使用1 臺鋼模臺車澆筑混凝土的最不利工況，按每月25 d、每天按三班24.0 h 工作制有效作業時間，以及單循環作業30.0 h 計算分析，鋼模臺車跨長10.0 m，理論月均20 循環（20 跨），月均進尺為200.0 m。施工關鍵線路34#隧洞進口段洞長1.6 km，二次襯砌月均進尺200.0 m，則完成二次襯砌時間為8 個月，可滿足關鍵節點工期計劃要求。

表3 隧洞二次襯砌施工作業工序單循環時間安排

6 結語

引洮供水二期工程總干渠33#及34#隧洞屬于典型小斷面規模引輸水隧洞，按照新奧法（NATM法）與鉆爆法相結合理念設計與施工。針對隧洞圍巖工程地質、斷面及工期等主要工程技術特性，對施工通風與供風、開挖掘進、一次支護體系與監控量測，以及二次襯砌等技術與質量控制措施進行了全面分析。兩座隧洞工程現已全線開挖掘進施工貫通，大部洞段二次襯砌完工，工期可控。工程施工實踐表明，所采用的工程技術與質量保證措施實施良好，取得優異成效，可為類似引輸水隧洞工程設計與施工參考借鑒。