山區長距離小斷面引水隧洞施工技術研究

1 引言

在長距離、復雜地形、地質條件下引水隧洞作為一種主要的輸水建筑物被廣泛使用[1-5]。 目前，關于長距離小斷面引水隧洞的研究多集中于預先支護設計預警、配筋計算[6-8]、支護方案優化等處置問題[9-11]，對于整體開挖的綜合方案，沒有統一的、概括性的研究定論。 以長距離、小斷面引水隧洞施工為研究對象，對于施工中普遍存在的操作空間狹窄、工作面小、單頭掘進工作效率低等問題，以及施工中可能出現的塌方、突泥涌水等工程災害預防進行有針對性的分析，可有效保證工程的施工及后期運營安全；同時，可以為小斷面長距離隧洞施工技術的發展提供一定借鑒，同條件、同類型水工隧洞的施工提供參考。

2 工程概況

畢大供水2 標段由王家壩隧洞及山家寨輸水管道組成。王家壩隧洞樁號為10+400~19+559，全長9.16 km。

2.1 工程地質

王家壩隧洞區主要為三疊系下統至二疊系地層， 線路走向與巖層近于直交。 地層巖性主要有砂巖、泥巖、泥晶灰巖、泥質灰巖、泥質白云巖、鈣質泥巖夾泥灰巖。

2.2 隧洞結構特點及難點

工程難點1：小斷面的工程開挖空間受到局限，不能采用大型機械或快速爆破等擾動過大的措施， 只能采用人工開鑿與小爆破多循環的施工方式，減緩了施工進度；難點2：長隧洞對渣體的運送增加了阻礙，只能在支洞口進行擴寬，減少大型機械與掌子面的運送距離；難點3：隧洞的坡向進深逐漸向下，面臨更高的涌水壓力，隨著工程進度的進展，隧洞的涌水風險也在逐漸增加，只能采用多級抽排的方式實現。

3 王家壩隧洞小斷面隧洞施工

3.1 施工方案

按照“新奧法”原理組織隧洞施工，并根據工程地質、水文地質和不同圍巖級別及周邊環境選擇相應的施工工法， 按全標段嚴格控制工期，采取平行流水作業法施工。

3.1.1 施工工序

首先采用風動鑿巖機鉆孔，全斷面法光面爆破開挖，楔形掏槽，非電毫秒雷管微差起爆。 爆破后，采用立爪式裝巖機裝渣，農用車無軌運輸，絞車牽引礦車有軌運輸方式出渣。 出渣結束后進行支護施作： 初期支護錨桿鉆孔采用風動鑿巖機鉆孔，人工安裝錨桿，砂漿泵注漿；鋼筋網在綜合加工廠預先加工，通過有軌礦車運至交叉口，再轉運至工作面，人工在支護平臺上安裝；噴射混凝土采用濕噴機；輕軌拱架采用有軌礦車運輸，安裝時利用簡易臺架人工安裝。

3.1.2 施工工藝

開挖及支護工藝流程如圖1 所示。

圖1 支洞開挖及支護施工工藝流程圖

為保證安全和開挖輪廓線平整、控制超欠挖，根據洞身圍巖情況和斷面尺寸，支洞與主洞開挖鉆爆設計如圖2 所示。

圖2 開挖鉆爆設計圖

3.1.3 支護措施

自支洞與主洞邊墻交點處往支洞洞口方向16 m 范圍內按B 型斷面開挖，采用I18 型鋼架配合錨噴支護，鋼架間距為0.50 m； 其中支洞最后一榀鋼拱架采用雙榀鋼拱架合并而成，便于主洞鋼拱架的架設。 考慮設備、材料存放以及提供裝渣空間，對支洞與主洞相交處邊墻進行擴挖處理。 擴挖段鋼拱架之間的φ25 mm 連接鋼筋改為I18 型鋼，每榀鋼架兩側各設6 根長度為4.5 m 的φ25 mm 鎖腳錨桿。 主洞段：在支洞與主洞交點處往上游方向15m， 往下游方向15 m 開挖按V 類圍巖B型斷面進行開挖，開挖直徑為4.2 m，并進行加強支護，其具體支護參數為：I18 型鋼鋼架間距0.50 m，φ8 mm 鋼筋網，φ25 mm 的系統錨桿，每根長度L=6 m，外露30 cm；每榀鋼架兩側各設6 根長度為6 m 的φ25 mm 鎖腳錨桿。

3.2 交叉口處開挖與支護

1）開挖：交叉口處的開挖與正常段開挖方式類似，采用全斷面、鉆爆法施工。 擴挖段開挖采用YT28 氣腿式鑿巖機人工作業，作業平臺采用型鋼自制鉆爆臺車。

2）支護：支洞與主洞交叉口處開挖完成后，支護隨后跟進施工。 出渣結束后，及時進行掛網和噴射混凝土支護，采用厚度為5 cm 的素噴混凝土封閉掌子面；然后及時進行安裝系統錨桿、掛網、立鋼拱架、安裝鎖腳錨桿、復噴。

4 隧洞長距離出渣及運輸

4.1 總體方案

本工程施工條件特殊，3 個施工支洞是各施工工序的必經之路，主洞開挖底寬僅為4.2 m，洞內不能使用大型機械；由于主洞斷面設計較小， 并考慮到主洞受施工支洞坡度較大的影響，車輛無法通行；出渣采用扒渣機裝渣，斜井內采用有軌運輸，主洞內采用無軌運輸，絞車提升的方式。

4.2 出渣及運輸

4#、5#支洞內部延伸鋼軌，采用有軌運輸出渣。洞內爆破通風完畢后，采用立爪式裝巖機裝渣，運輸機械采用牽引礦車，牽引設備為JTP2.0 m 提升絞車。 牽引礦車設置側翻裝置，經提升絞車牽引出洞外后，在卸渣位置傾倒入東風自卸汽車內，再運送至指定棄渣場。6#支洞采用運輸車進行出渣，并運至洞外臨時存渣場，再由運輸車集中將渣體運至指定渣場。 支洞出渣示意見圖3 所示。

圖3 支洞出渣示意圖

由于主洞斷面設計較小， 且考慮主洞受支洞坡度較大的影響， 主洞采用無軌出渣方式。 4#、5#支洞上下游主洞爆破完畢， 將運輸車開至掌子面用立爪式裝巖機裝渣并運輸至交叉口；受施工支洞坡度大影響，再采用裝載機將渣體裝在礦車內并由絞車牽引至洞外，然后用自卸汽車運輸至棄渣場。6#支洞上下游主洞及出口采用自卸車運輸至指定渣場。 支洞上下游主洞出渣示意見圖4 所示。

圖4 主洞出渣示意圖

為保證主洞與支洞交匯處的交通順暢，在洞內每隔200 m設置避車洞，避車洞尺寸凈長20 m，深5 m，高4 m；為保證安全避車洞位置選在圍巖較好處。 為保障礦渣及施工材料的正常運輸，主洞采用無軌運輸，支洞采用有軌；支洞底與主洞采用簡易龍門吊裝卸材料。

5 隧洞襯砌施工

盡管主洞與支洞均采用優化后的運渣方式， 但受隧洞結構尺寸限制，前期鉆爆及出渣耗時較長，同樣受到空間限制，需要采取合理的措施來解決后續二次襯砌施作所需材料的運輸問題，以保證施工的順利進行及隧洞結構的安全。

5.1 主洞混凝土施工

隧洞主洞為圓形斷面， 襯砌臺車采用12 m 長的針梁式全圓臺車，進行全斷面一次澆筑成型。 針對施作空間狹小的問題，在襯砌施作過程中，隧洞斜井運輸前期采用軌輪式罐車、后期采用U 形溜槽，主洞運輸采用混凝土罐車，效率得到明顯提升。 襯砌方向與開挖方向相反，即從貫通點退著向各支洞交叉口或出口方向進行。 臺車在洞內貫通點附近擴挖部位組裝。

5.2 U形溜槽施工工藝及質量控制

5.2.1 施工工藝

溜槽加工→溜槽運至施工現場→測量放線→溜槽安裝→溜槽焊接（支護）→安裝集料倉→溜槽沖洗。

5.2.2 溜槽加工及安裝質量控制

本標段4#及5#施工支洞所采用的溜槽材質為5 mm 厚度的鋼板，鋼板長度為2.5 m，寬度為1.26 m。 每塊鋼板底部呈“U” 形， 溜槽底部為200 mm 的半圓弧， 兩側翼沿加長至300 mm；溜槽尺寸為500 mm×400 mm，半徑R=200 mm。 加工好的溜槽在現場進行安裝。 王家壩隧洞4#、5#洞內溜槽均安裝在進洞方向左側（即梯步同側）。 為確保混凝土順利下放，施工支洞洞內溜槽安裝方向與支洞洞軸線平行， 所成角度與底板角度一致；考慮到汛期5#施工支洞洞內出現洪水倒灌，該支洞洞內溜槽安裝時整體提高20 cm，以確保汛期洞內混凝土正常澆筑。 溜槽安裝自下而上進行安裝，每節溜槽間的搭接長度為5~10 cm，搭接處要求平緩，無損壞。 搭接縫要求全斷面焊接，焊縫要求飽滿、無裂縫、表面平順，無咬邊，凹陷與氣孔等。

5.3 施工支洞封堵施工

在工程建設中，臨時施工支洞要進行封堵，封堵體將成為水工建筑物的重要組成部分，同圍巖、混凝土共同承擔內水壓力。 按照所處位置可將封堵體劃分為支洞封堵和主洞封堵兩種。 王家壩隧洞共有3 處封堵，每條施工支洞封堵段長10 m。隨機錨桿為φ25 mm，長4.5 m，間排距均為1.5 m，梅花形布置。 施工支洞封堵見圖5 所示。

圖5 支洞封堵示意（單位：cm）

封堵段采用C20 微膨脹混凝土進行封堵。 堵頭混凝土內（含回填灌漿）應摻入復合型膨脹劑（8%的UEA、2%的MgO）。混凝土澆筑采用薄層短間歇澆筑，并振搗密實，澆筑層厚不宜大于2.0 m，間歇時間為5~7 d。 堵頭混凝土施工完畢14 d，方可進行回填灌漿。 回填灌漿管路間排距為1.5 m×1.5 m。 進回漿管均采用1.5 寸PVC 管 （1 寸≈3.33 cm）， 其余采用1 寸PVC 管。 出漿管應伸入巖石10 cm，并按設計方位固定牢靠，采用三通管與進漿管連接， 灌漿前出漿孔口用牛皮紙綁扎封好。回填灌漿漿液水灰比控制在0.5∶1，吃漿量大的部位可灌注水泥砂漿，但摻砂量不宜大于水泥用量的200%，灌漿壓力控制在0.2 MPa，在此壓力下，灌漿孔停止吸漿時，延續灌注15 min 即可結束灌漿。 回填灌漿結束7 d 后進行檢查，檢查方法為向孔內注入水灰比2∶1 的漿液， 在規定壓力下，10 min 內注入量不超過10 L，即認為回填灌漿質量合格。

6 結語

結合畢大供水工程二標段王家壩隧洞工程對小斷面長距離引水隧洞進行了全周期的施工技術要點進行研究。 在施工中，使用基于“新奧法”原理進行的小藥量多循環爆破設計與人工結合自制簡易鉆孔臺車進行鉆孔全斷面爆破開挖，能夠有效地在空間局限的小斷面隧洞進行安全開挖。 綜合使用錨桿、鋼筋網、噴射混凝土以及鋼拱架進行柔性支護；針對大坡度斜井的襯砌混凝土施工，前期采用有軌運輸系統對主洞與支洞進行統籌安排，后期采用U 形溜槽，降低成本并提升效率。 針對施工支洞的封堵，封堵段長10 m，采用C20 微膨脹混凝土。 混凝土澆筑采用薄層短間歇澆筑，澆筑層厚不宜大于2.0 m，間歇時間為5~7 d。 堵頭混凝土施工完畢14 d，方可進行回填灌漿。