穿黃隧洞工程開挖安全保證措施分析

朱海亞，廖成林，高鵬偉，趙慧仙，周黎輝

（中國水利水電第五工程局有限公司，四川成都 610066）

1 工程概況

南水北調(diào)東線穿黃隧洞工程屬國家重點(diǎn)工程，位于山東省東阿縣位山村和東平縣解山村之間。隧洞上方筑有黃河大堤，洞頂距黃河水面約70 m，在樁號6+750部位發(fā)育有F5斷層，直通黃河底部，該部位巖層厚度為38.53 m，僅為開挖洞徑4倍左右。從地質(zhì)資料看，該洞穿越巖層構(gòu)造發(fā)育，共有斷層13條，產(chǎn)狀多為北東走向，陡傾角，寬度在0.5～3.0 m之間，均通向黃河底部。圍巖以Ⅳ類圍巖為主，圍巖破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育，探洞開挖過程中曾出現(xiàn)過大量滲水、涌水，最大涌水量達(dá)到200 m3/h。

由于隱伏地質(zhì)構(gòu)造使圍巖中地下水空間分布具有極不均一性，開挖隧洞涌水的可預(yù)見性差。開挖施工安全構(gòu)成本段工程實(shí)施主要問題。隧洞按100 m3/s進(jìn)行設(shè)計(jì)，為有壓圓形隧洞，洞徑8.9～9.5m，洞長585.38 m。隧洞包括南岸豎井、過河平洞、北岸斜井及進(jìn)、出口埋管，其中豎井段實(shí)長82.25 m、平洞段實(shí)長307.17 m、斜井段實(shí)長166.03 m。

2 以科學(xué)的管理理念促進(jìn)安全生產(chǎn)工作

2.1 以制度規(guī)范管理

現(xiàn)行的國家安全生產(chǎn)法律法規(guī)及企業(yè)的各項(xiàng)安全生產(chǎn)管理制度凝結(jié)了前人的經(jīng)驗(yàn)和智慧，對促進(jìn)企業(yè)的安全管理工作起到了重要作用。隨著企業(yè)生產(chǎn)力的不斷發(fā)展、進(jìn)步，如何更好地科技管理顯得尤為重要。

中國水利水電第五工程局有限公司穿黃隧洞工程項(xiàng)目經(jīng)理部承擔(dān)南水北調(diào)（東線）穿黃隧洞工程施工伊始，首先制定了一套適用于項(xiàng)目施工管理實(shí)用的各項(xiàng)規(guī)章制度、規(guī)范，如《安全管理制度規(guī)范匯編》。《安全管理制度規(guī)范匯編》中，明確了安全生產(chǎn)方針與目標(biāo)、安全保證體系、安全責(zé)任、各項(xiàng)規(guī)章制度等。在施工過程中強(qiáng)調(diào)“一崗雙責(zé)制”，落實(shí)至作業(yè)班組，加強(qiáng)安全生產(chǎn)管理。結(jié)合項(xiàng)目部制定的《安全文明生產(chǎn)獎(jiǎng)懲制度》，在安全管理過程中實(shí)行“以功論賞、以責(zé)論處”的原則。對安全生產(chǎn)中做出顯著成績和特殊貢獻(xiàn)及積極采取各項(xiàng)安全活動宣傳的集體和個(gè)人，給予重獎(jiǎng)。對工作中因嚴(yán)重失職，違章指揮，違章作業(yè)等造成事故的給予重罰并追究崗位責(zé)任。

2.2 實(shí)行安全管理閉合運(yùn)行機(jī)制

在南水北調(diào)（東線）穿黃隧洞開工后，對項(xiàng)目施工領(lǐng)域危險(xiǎn)源進(jìn)行辨識與評價(jià)，辨識出重大危險(xiǎn)源4個(gè)，并針對重大危險(xiǎn)源制定了專項(xiàng)應(yīng)急救援預(yù)案。施工過程開展危險(xiǎn)源動態(tài)跟蹤，及時(shí)更新危險(xiǎn)源并進(jìn)行評價(jià)，以便制定預(yù)案及措施，消除安全隱患。每周一定期對生活辦公區(qū)、施工現(xiàn)場進(jìn)行安全隱患綜合大檢查，對檢查出的安全隱患當(dāng)場下發(fā)整改通知書，責(zé)令相關(guān)人員限期進(jìn)行整改，并回收整改反饋情況表。在管理上形成了規(guī)章制度查落實(shí)、發(fā)現(xiàn)隱患必整改、發(fā)生“三違”必問責(zé)的安全管理閉合運(yùn)行機(jī)制。

3 以科學(xué)的技術(shù)措施保證隧洞開挖安全生產(chǎn)

3.1 合理選用爆破參數(shù)及開挖方式，有效減小爆破震動，避免造成隧洞開挖巖石變形和破壞

隧洞爆破開挖是工程施工的重大安全隱患，開挖施工方法由巖體質(zhì)量、洞室斷面的大小等因素決定，不同圍巖類別采取不同的爆破方式及選取不同的爆破參數(shù)。結(jié)合本工程現(xiàn)場實(shí)際情況及施工特點(diǎn)，通過爆破試驗(yàn)選定爆破參數(shù)（爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析見表1），利用原探洞作為臨空面采取上、下錯(cuò)臺階法分2次開挖成型（開挖方式如圖1所示），增大開挖臨空面，減少爆破裝藥量，從而達(dá)到通過爆破參數(shù)減小爆破震動的目的，減小對隧洞圍巖造成變形及破壞，確保開挖施工安全。

表1 穿黃隧洞爆破試驗(yàn)分析

3.2 利用原帷幕檢查孔鉆孔灌漿施工技術(shù)，有效避免出現(xiàn)涌水及塌方安全隱患

黃河在穿黃隧洞工程為地上“懸河”，黃河水、孔隙水和巖溶裂隙水“三水連通”，河水補(bǔ)給水量充沛，涌水的可預(yù)見性差，構(gòu)成本段工程實(shí)施主要問題。同時(shí)，穿黃隧洞屬水下淺埋層施工，爆破開挖施工危險(xiǎn)性相當(dāng)大。因此，采取原帷幕檢查孔鉆孔灌漿50 m、爆破開挖40 m的施工方式，不僅對穿黃隧洞涌水、滲水起到阻水作用，還起到固結(jié)巖石的作用，確保開挖過程中的施工安全。原帷幕檢查孔鉆孔灌漿布置方式如圖2所示。

原帷幕檢查孔鉆孔灌漿采取分段（分段長度5～ 6 m，最大長度不超過10 m）孔內(nèi)循環(huán)的方式進(jìn)行施工，灌漿施工工藝流程如圖3所示。利用GMS-III型灌漿數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)自動對灌漿過程中的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行采集、處理和輸出，并對灌漿過程中的壓力、流量、密度、位移等各種參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而保證了灌漿工程質(zhì)量，為后續(xù)的隧洞開挖過程消除了安全隱患，確保了開挖施工的順利開展。

3.3 采取臨時(shí)支護(hù)措施，確保開挖成型后隧洞的穩(wěn)定

如何確保開挖成型后隧洞的穩(wěn)定是隧洞開挖施工過程中的關(guān)鍵。巖石類別決定巖石自身承載能力的強(qiáng)弱與巖石承載時(shí)間的長短，同時(shí)決定了隧洞開挖施工臨時(shí)支護(hù)方式。根據(jù)南水北調(diào)東線第一期穿黃隧洞工程實(shí)際情況，圍巖類別為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類，分甲-1型、甲-2型、乙型、丙型、丁型5種臨時(shí)支護(hù)方式。穿黃隧洞工程開挖及支護(hù)參數(shù)見表2。經(jīng)研究決定，采取“短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)”的施工方法，確保開挖施工安全。

表2 穿黃隧洞工程開挖及支護(hù)參數(shù)

4 采取先進(jìn)的監(jiān)測手段，動態(tài)跟蹤圍巖變化，確保穿黃隧洞開挖安全

地下洞石方開挖確保施工安全是一個(gè)難點(diǎn)。隨著新奧法施工技術(shù)的應(yīng)用，在隧洞開挖過程中安全監(jiān)測工作成為一項(xiàng)主要的內(nèi)容。結(jié)合穿黃隧洞施工情況，共埋設(shè)6套多點(diǎn)位移計(jì)、6套錨桿應(yīng)力計(jì)及開展收斂變形觀測，如圖4-6所示。通過觀測數(shù)據(jù)分析和成果整理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患并采取相應(yīng)措施，確保隧洞開挖施工安全。

4.1 多點(diǎn)位移計(jì)

穿黃隧洞工程目前共埋設(shè)多點(diǎn)位移計(jì)6套設(shè)備，埋深16.0 m，分別布置在隧洞上半拱180°范圍。當(dāng)結(jié)構(gòu)物發(fā)生變形時(shí)將會引起位移計(jì)的位移，通過前、后萬向連軸節(jié)傳遞給二級機(jī)械負(fù)放大機(jī)構(gòu)，經(jīng)負(fù)放大后的位移傳遞給振弦，轉(zhuǎn)變成振弦應(yīng)力的變化，從而改變振弦的振動頻率。電磁線圈激振振弦并測量其振動頻率，頻率信號經(jīng)電纜傳輸?shù)阶x數(shù)儀上，測出被測結(jié)構(gòu)物的位移量。為確保開挖安全，埋設(shè)完成初期每天觀測一次，后期每周觀測一次。典型斷面多點(diǎn)位移計(jì)變化過程曲線如圖7所示。

4.2 錨桿應(yīng)力計(jì)

穿黃隧洞工程目前共埋設(shè)錨桿應(yīng)力計(jì)6支，埋深3 m，分別布置在隧洞上半拱180°范圍。錨桿應(yīng)力計(jì)測值準(zhǔn)確，性能穩(wěn)定，安裝時(shí)將錨桿應(yīng)力計(jì)、鋼筋和錨頭連成一體，埋設(shè)在洞壁的鉆孔中，利用電阻比和電阻2個(gè)測值及儀器特性參數(shù)算出錨桿所承受的應(yīng)力。典型斷面錨桿應(yīng)力變化過程曲線如圖8所示。

4.3 收斂變形觀測

通過對圍巖周邊的收斂量及其速度進(jìn)行觀察，掌握圍巖內(nèi)部隨時(shí)間變形的規(guī)律，從而判斷圍巖的穩(wěn)定性，利用量測結(jié)果逐步修正爆破進(jìn)尺，以適應(yīng)圍巖條件并完善支護(hù)措施。目前，穿黃隧洞工程已布設(shè)7個(gè)斷面共35個(gè)收斂測點(diǎn)。典型斷面收斂變形觀測數(shù)據(jù)變化見表3。

表3 典型斷面收斂變形觀測數(shù)據(jù)變化 mm

此外，結(jié)合穿黃隧洞工程實(shí)際施工特點(diǎn)，采用礦用提升絞車牽引平臺車進(jìn)行有軌出渣，運(yùn)送設(shè)備、材料等，存在較大安全隱患。為此，穿黃隧洞項(xiàng)目部配置了視頻監(jiān)控系統(tǒng)及MTC鋼絲繩電腦探傷儀，及時(shí)跟蹤出渣系統(tǒng)運(yùn)行情況及鋼絲繩的磨損、斷絲等情況，為本工程安全生產(chǎn)提供強(qiáng)有力的保證。

5 結(jié)語

穿黃隧洞工程項(xiàng)目部在開挖施工過程中充分采取科學(xué)的管理理念、科學(xué)的技術(shù)措施及先進(jìn)的監(jiān)測手段消除安全隱患，確保開挖安全。通過近2年的實(shí)踐應(yīng)用取得良好的效果，并形成一套完整的水下工程開挖施工安全保證措施，可為以后類似水下工程如何進(jìn)行安全開挖施工提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。