向家壩灌區(qū)南北總干渠首部長引水隧洞施工關(guān)鍵技術(shù)

景茂貴，劉益勇，車公義，樊啟祥

(1.中國三峽建設(shè)管理有限公司，四川成都610041；2.中國華能集團有限公司，北京100031)

0 引 言

近十年，我國水工隧洞得到了迅猛發(fā)展，其建設(shè)規(guī)模和難度不斷刷新紀(jì)錄。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2013年底，各類水工隧洞已建成的超過10 000 km、正在建設(shè)的超過1 000 km、已規(guī)劃的超過2 000 km[1]。規(guī)劃中的南水北調(diào)西線一期工程引水線路總長255.9 km，隧洞總長252.7 km(單體隧洞最長72 km)，工程面臨高寒缺氧、活斷層、高地應(yīng)力及高地溫、高壓涌水等突出問題，因此成為世界建設(shè)難度最大的引水隧洞[2，3]。為適應(yīng)施工難度不斷增加的長隧洞工程建設(shè)，有必要開展長隧洞施工技術(shù)研究。本文結(jié)合類似工程經(jīng)驗和相關(guān)文獻(xiàn)資料，對南北干渠長隧洞特殊地質(zhì)條件的處理和針梁臺車快速襯砌等進(jìn)行了分析研究，形成了一套相對固定和成熟的施工關(guān)鍵技術(shù)。

1 工程概況

向家壩水電站灌區(qū)工程位于川南干旱區(qū)，是一座以灌溉為主，兼顧城鄉(xiāng)生活、工業(yè)供水的大型水利工程，是《四川省農(nóng)業(yè)發(fā)展上臺階建設(shè)項目規(guī)劃》中的重要水利工程。根據(jù)規(guī)劃，向家壩灌區(qū)工程幅員面積10 155.6 km2，灌溉面積3 533.3 km2，惠及500萬人。灌區(qū)咽喉工程——南北干渠——分別位于向家壩水電站大壩左右岸(見圖1)，渠長約5.2、10.1 km，襯砌后分別為直徑6 m和8.2 m的圓形有壓洞，設(shè)計引用流量分別為38、98 m3/s。

圖1 南北干渠平面布置

根據(jù)現(xiàn)場地形條件，北干渠設(shè)2條施工支洞(即N1號和N2號施工支洞)和3個棄渣場，5個工作面平行施工，單工作面最長約3 km。南干渠設(shè)2條施工支洞(即S1號和S2號施工支洞)，4個工作面施工，單工作面最長約1.5 km。隧洞采用鉆爆法開挖、針梁臺車襯砌，總體“先挖后襯”的施工方案。

南北干渠垂直埋深多為200～500 m，圍巖以泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖為主，易遇水軟化和失水崩解，Ⅳ2和Ⅴ類圍巖約占95%。取水隧洞部分洞段穿越巖爆、崩塌堆積體寬大裂隙、煤層、大涌水等特殊不良地質(zhì)區(qū)域，施工期圍巖穩(wěn)定性突出、安全風(fēng)險高；近距離穿越水富新縣城、地下廠房帷幕等敏感建筑物，施工干擾大、精細(xì)化爆破控制要求高；取水隧洞為有壓隧洞，襯砌質(zhì)量要求高。

2 長隧洞施工關(guān)鍵技術(shù)

2.1 長隧洞開挖方法與地質(zhì)預(yù)報

長隧洞的開挖方法主要有鉆爆法和TBM法兩種。對于地層較均一、硬度適中的圍巖，采用TBM掘進(jìn)效果較好；對于存在大量高地應(yīng)力巖爆、大斷層、溶洞和塌方等不利地質(zhì)條件時，鉆爆法開挖適應(yīng)性更強。南北干渠特殊地質(zhì)條件多，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟分析后，最終采用常規(guī)鉆爆法開挖，并分別于2015年8月19日和2016年7月4日實現(xiàn)全線安全順利貫通。開挖期間，南北干渠洞內(nèi)未發(fā)生質(zhì)量安全事故，創(chuàng)造了復(fù)雜地質(zhì)條件下長隧洞安全施工的典范。

長隧洞開始掘進(jìn)之前，盡管采用了多層次平行的綜合勘探方法，但要消除地質(zhì)條件的不確定性是不可能的，“十隧九變”是施工常態(tài)。在實際施工時，必須進(jìn)行綜合性的超前預(yù)報，并將其納入正常的施工工序[4]。南北干渠開挖施工過程中，主要采用了地質(zhì)雷達(dá)和水平超前鉆孔，成功預(yù)報了北干渠樁號2+858大涌水和南干渠樁號4+139崩塌堆積體寬大裂隙，通過采取提前引排和超前加固措施，避免了人員和設(shè)備受損并安全通過上述洞段。

2.2 精細(xì)化爆破振動控制

南干渠沿線近距離經(jīng)過向家壩地下廠房灌漿帷幕、水富新縣城、水富市政交通隧洞等敏感建筑物，最近距離僅16.5 m(見圖2)。鑒于復(fù)雜的地質(zhì)條件和周邊環(huán)境，為避免對附近建筑物造成損傷，降低對周邊居民的干擾，按照精細(xì)爆破的指導(dǎo)思想[5]，先在南干渠S2號支洞內(nèi)進(jìn)行爆破試驗，根據(jù)成果優(yōu)化爆破設(shè)計，并持續(xù)開展安全監(jiān)測。

2.2.1爆破試驗

試驗方案是循環(huán)進(jìn)尺≤2 m；中心直孔掏槽；試驗期間爆破振動控制標(biāo)準(zhǔn)暫定為居民住宅和商鋪基礎(chǔ)處最大振動速度不超過2 cm/s，市政管線地表處不超過1.5 cm/s，爆破噪聲控制標(biāo)準(zhǔn)暫定為120 dB。主要設(shè)計參數(shù)見表1，起爆網(wǎng)路布置見圖3。

表1 S2號支洞第1次爆破試驗設(shè)計參數(shù)

表2 S2號施工支洞第1次爆破試驗振動數(shù)據(jù)

圖2 向家壩南干渠平面布置

圖3 S2號支洞第1次爆破試驗炮孔布置(單位：mm)

試驗時在距離S2號洞口150 m范圍內(nèi)的路面、建筑物基礎(chǔ)布置了6個振動測點，在正沖向最近的建筑物一樓(140 m)布置1個噪聲測點(見圖4)。爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)見表2，1號測點豎向振動波形見圖5所示。

圖4 S2號支洞爆破振動監(jiān)測布置

測點振速最大值出現(xiàn)在初始掏槽孔起爆時刻，這表明南干渠爆破開挖產(chǎn)生的質(zhì)點振動速度峰值取決于掏槽孔的布孔、聯(lián)網(wǎng)方式與單段藥量，與其他爆破參數(shù)關(guān)聯(lián)性不大。相關(guān)監(jiān)測點最大振動幅值：市政管線0.91 cm/s，城區(qū)道路0.62 cm/s，居民樓基礎(chǔ)處0.41 cm/s，均低于預(yù)先規(guī)定的安全閾值；同時無路面下沉開裂等震害現(xiàn)象。81棟一樓的噪聲測值為115 dB，未超過設(shè)計控制標(biāo)準(zhǔn)120 dB，但居住在6層以上的居民反映，爆破時家中能感覺到樓板和門窗發(fā)生輕微晃動，使老年人和嬰幼兒產(chǎn)生驚嚇、心慌等不良反應(yīng)。

圖5 1號測點第1次爆破試驗豎直向振動波形

炮孔類型孔深/m孔徑/mm數(shù)量/個孔距/cm排距/cm藥徑/mm單孔藥量/kg第1排掏槽孔1.4421460—320.9第2排掏槽孔2.1421085—321.5輔助孔2424060～8558～68321底板孔24287570321周邊孔242404050250.4

表4 S2施工支洞第2次爆破試驗振動數(shù)據(jù)

2.2.2爆破方案優(yōu)化

圖6 S2號支洞第2次爆破試驗炮孔布置(單位：mm)

在第1次爆破試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)和調(diào)查成果的基礎(chǔ)上，對爆破設(shè)計方案進(jìn)行了優(yōu)化：將掏槽方式由單排直孔改為雙排斜孔。改進(jìn)后的爆破設(shè)計參數(shù)見表3，起爆網(wǎng)路布置見圖6。第2次爆破試驗時在相同位置布置了6個振動測點和1個噪聲測點，振動監(jiān)測數(shù)據(jù)見表4，1號測點豎向振動波形見圖7。

監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，改進(jìn)后的爆破方案產(chǎn)生的振動比第1次試驗有明顯降低，S2工區(qū)路面(1號測點)的振動峰值速度降低幅度約20%，居民樓基礎(chǔ)(4號、5號測點)的振動峰值速度降低幅度為30%，居住在高樓層的居民反映家中樓板和門窗沒有出現(xiàn)晃動，表明雙排斜孔掏槽能夠起到較好的減振效果。

近距離過地下廠房帷幕、水富市政交通隧洞等敏感建筑物時，參照上述思路開展雙排或多排斜孔試驗、優(yōu)化爆破設(shè)計及振動監(jiān)測，確保了南干渠在復(fù)雜環(huán)境下微震爆破取得成功。

2.3 特殊地質(zhì)問題處理

2.3.1寬大裂隙處理

圖7 1號測點(S2工區(qū))第2次爆破試驗豎直向振動波形

測點號最大主應(yīng)力應(yīng)力值/MPa方位/(°)傾角/(°)中間主應(yīng)力應(yīng)力值/MPa方位/(°)傾角/(°)最小主應(yīng)力應(yīng)力值/MPa方位/(°)傾角/(°)實測應(yīng)力分量/MPaσxσyσzTxyTyzTzz最大水平主應(yīng)力/MPa最小水平主應(yīng)力/MPa最大水平主應(yīng)力方位側(cè)壓力系數(shù)λ=σh/σz左01-21.69259.292.63-18.82351.0133.25-11.61165.2956.62-16.88-21.45-13.801.060.973.1821.6816.6577.561.57左02-21.27185.4115.78-10.7278.8945.17-8.13289.4140.57-20.24-9.47-10.401.39-0.95-3.1720.429.297.241.96左03-9.43290.5170.14-3.83186.245.09-2.3694.4719.14-3.90-3.09-8.62-0.112.130.663.913.08352.400.45左04-9.56329.7354.51-4.32235.083.310.49142.7335.29-3.61-3.60-6.190.782.623.944.392.8244.820.71左05-13.544.475.18-6.62251.0777.15-4.6495.5411.73-13.42-4.78-6.590.720.340.6613.484.724.732.05左06-13.62237.0213.96-8.7925.6473.77-5.16144.998.12-7.75-10.82-9.003.751.24-0.2013.345.2356.131.48

表6 各工況支護(hù)和襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力峰值 MPa

南干渠開挖至樁號4+187時，掌子面頂部揭露出陡傾角寬大裂隙，最大寬度約0.8～1.5 m，洞頂以上空腔高度超過3 m，沿洞軸線方向延伸，總長約150 m。寬大裂隙空腔內(nèi)充填泥質(zhì)松散塊石，有孤石滑出。由于該洞段上覆巖體為崩塌堆積體，埋深僅30～50 m，為保證施工安全和地表穩(wěn)定，采取了如下措施：①加強封閉和支撐。噴混凝土封閉掌子面和空腔內(nèi)的充填物，拱頂180°范圍內(nèi)采用大管棚超前支護(hù)。②回填頂部空腔。拱頂上方用Φ22鋼筋焊接成鋼筋龍骨，模噴50 cm混凝土作為模板，回填1.5m厚一級配C25混凝土，埋管引排空腔內(nèi)積水，減小外水壓力。③布置永久監(jiān)測。防止洞室坍塌和地表沉陷。

監(jiān)測資料顯示，目前該洞段圍巖、襯砌結(jié)構(gòu)和對應(yīng)地表均安全穩(wěn)定。

2.3.2巖爆

巖爆是高地應(yīng)力條件下圍巖發(fā)生脆性破壞時應(yīng)變能突然釋放造成的一種動力失穩(wěn)現(xiàn)象。自1738年在英國錫礦坑道中首次報道以來，巖爆已成為高應(yīng)力地下工程中普遍關(guān)注的一種地質(zhì)災(zāi)害[6]。由于存在損毀施工設(shè)備和砸傷施工人員等，巖爆給工程建設(shè)帶來嚴(yán)重的影響和安全威脅[7，8]。為保證施工安全，目前治理巖爆的原則仍是“以防為主、防治結(jié)合”[9-11]。

在北干渠樁號1+369～1+412開挖過程中，每循環(huán)爆破后，掌子面巖體均有零星、間斷的噼啪聲和爆裂聲響，同時還出現(xiàn)巖塊剝落形成的片幫，偶有巖塊彈射現(xiàn)象，最大粒徑約70 cm，厚約15～20 cm。為了解和掌握發(fā)生的上述現(xiàn)象，現(xiàn)場開展了地應(yīng)力測試?，F(xiàn)場共布設(shè)了6個孔(左01～左06)，計算成果見表5。

(1)開挖階段措施。根據(jù)地應(yīng)力測試成果，該區(qū)域會發(fā)生高地應(yīng)力現(xiàn)象。采取短進(jìn)尺(按1.5 m控制)、增加超前應(yīng)力釋放孔、提高光爆效果、高壓水噴淋和封閉掌子面、噴納米鋼纖維混凝土、打水脹式錨桿、預(yù)留變形量(技術(shù)超挖2 cm)等系列措施，最終安全地通過了巖爆洞段。

(2)襯砌階段措施。根據(jù)現(xiàn)場實測的地應(yīng)力資料，按Ⅳ類均質(zhì)圍巖考慮，隧洞底部、頂部以及兩側(cè)圍巖取4倍開挖洞徑，其余上部覆蓋層巖石采用等效荷載施加，沿洞軸線方向取10 m建立隧洞分析模型(見圖8)，研究襯砌不同承載比例下支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力情況(見表6)。

圖8 三維有限元計算模型示意

從表6可以看出，當(dāng)圍巖地應(yīng)力釋放80%及以上時施工永久襯砌，混凝土與鋼筋應(yīng)力均在設(shè)計強度內(nèi)?？傮w上，圍巖應(yīng)力釋放越充分實施支護(hù)，其結(jié)構(gòu)受力越小，安全裕度越大。

處理措施：①巖爆洞段頂拱120°范圍內(nèi)布置應(yīng)力釋放孔(Ф76 mm@2 m×2 m，L=9 m)加速高地應(yīng)力的釋放過程。待高地應(yīng)力釋放基本完成(即變形收斂)再進(jìn)行襯砌施工(應(yīng)力釋放孔施工完成至襯砌時間間隔不少于3個月)。②調(diào)整結(jié)構(gòu)縫(按8～10 m設(shè)置結(jié)構(gòu)縫)。③加強結(jié)構(gòu)配筋，環(huán)向鋼筋由Ф25 mm調(diào)整為Ф28 mm。④布置永久監(jiān)測設(shè)備，加強運行期監(jiān)測。

2.3.3大涌水

北干渠在開挖至樁號2+858.00后，掌子面頂拱出現(xiàn)嚴(yán)重涌水，日均涌水量約3 000 m3。采取的措施有：①根據(jù)地質(zhì)資料推斷滲水通道。②水玻璃水泥漿封堵出水孔，水灰比0.8～1∶1，水玻璃稀釋濃度25～35 Be，雙液體積比(水泥漿體積/水玻璃體積)為1∶(0.5～0.7)。③對已支護(hù)段進(jìn)行灌漿(孔深6 m，孔徑Φ60 mm，間距1 m、排距2 m，壓力0.5 MPa)。④前述灌漿完成后，對未開挖洞段進(jìn)行灌漿，角度35°～45°，灌漿參數(shù)同前，見圖9所示。

圖9 灌漿施工示意(單位：mm)

圖10 針梁臺車結(jié)構(gòu)及頂部拼接示意

2.4 襯砌施工

南北干渠采用先挖后襯和針梁臺車全圓一次襯砌成型的方案。通過不斷的總結(jié)和改進(jìn)，單臺針梁臺車每月可澆筑12～14倉(144～168 m)，外觀質(zhì)量較好。主要控制措施有：

2.4.1臺車設(shè)計

①針梁長度。一般為2倍模板長度+富余長度，以南北干渠為例，針梁長度為28～30 m。②模板厚度。根據(jù)襯砌厚度和超挖情況，模板厚度一般為10～12 mm。③模板環(huán)向拼接。一般采取鉸接，為便于脫模，最后的拼接部位最好設(shè)置于頂部，如圖10所示。④模板倉口及附著式振搗器布置?？v向布置為窗口4排，每排7個共計28個；附著式振搗器6排，每排4個共計24個，如圖11所示。

圖11 窗口及振搗器布置

2.4.2入倉振搗

該工序?qū)炷翝仓|(zhì)量至關(guān)重要，經(jīng)過大量的研究和總結(jié)分析，得出經(jīng)驗：①底板。采用Φ50 mm振搗棒振搗，振搗時間一般為10～15 s。②腰線。下料厚度控制在30 cm左右，上升速度不大于1 m/h，兩側(cè)高差控制在0.5 m以內(nèi)。Φ50 mm振搗棒和附著式振搗器振搗時間均為8～10 s為宜?？觳迓危駬v時以混凝土不再下沉，不出現(xiàn)氣泡，并開始泛漿為止。③頂拱?；炷寥雮}后采用附著式振搗器進(jìn)行振搗，下料厚度控制在30 cm左右，振搗時左、右側(cè)附著式振搗器分開啟動，振搗時間控制在10～12 s，復(fù)振時間控制在3～5 s。

2.5 人員跟蹤定位系統(tǒng)

為提高洞內(nèi)應(yīng)急救援能力和加強現(xiàn)場管控，南北干渠洞內(nèi)安裝了基于無線射頻信號的人員跟蹤定位系統(tǒng)。隧洞內(nèi)信號全覆蓋，可實現(xiàn)對人員及設(shè)備的精確定位、洞內(nèi)時長統(tǒng)計、雙向呼救、超時報警等。通過安裝于手機端的APP，管理人員可隨時隨地掌握現(xiàn)場情況。尤其對管理人員未履職到崗、作業(yè)人員和澆筑罐車超過預(yù)定時間出洞(作業(yè)人員可能存在安全問題或現(xiàn)場澆筑不正常)等自動報警提示，大大提高了對現(xiàn)場的管控能力。

3 監(jiān)測成果分析

3.1 施工期臨時監(jiān)測

為充分發(fā)揮安全監(jiān)測在指導(dǎo)施工中的重要作用，南北干渠十分重視施工期安全監(jiān)測。按照100～200 m布置1條，特殊地質(zhì)條件加密布置的原則，南北干渠共布置93條圍巖收斂監(jiān)測斷面。在所有監(jiān)測斷面中，南取4+120.000和北取2+280斷面收斂變形最大，分別為22.53、34.24 mm，其余斷面變化量較小或均已收斂。經(jīng)計算，上述兩斷面的隧洞周邊位移變形相對值F分別為0.44和0.46，均小于規(guī)范允許的1.6，南北干渠隧洞總體安全穩(wěn)定。

變形監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，南北干渠圍巖的變形收斂時間主要集中在開挖后的前4～6個月內(nèi)，該段時間內(nèi)的變形量一般占監(jiān)測總變形量的80%左右；絕大部分?jǐn)嗝嬖?～10個月內(nèi)基本收斂；如存在軟弱夾層等則收斂時間更長，面對此種情況需加強監(jiān)測并盡快完成永久襯砌施工。

3.2 運行期永久監(jiān)測

由于北干渠襯砌尚未澆筑至監(jiān)測斷面設(shè)計樁號，暫未安裝。本部分主要介紹南干渠永久監(jiān)測情況。根據(jù)南干渠沿線圍巖地質(zhì)條件和內(nèi)水壓力分布情況，全線共設(shè)計有4個永久監(jiān)測斷面，每個斷面安裝有4支襯砌鋼筋計、3支滲壓計、3支測縫計、1支應(yīng)變計和1支無應(yīng)力計。儀器具體布設(shè)如圖12所示。

圖12 南干渠永久監(jiān)測典型斷面布置(單位：mm)

監(jiān)測結(jié)果為：①鋼筋應(yīng)力計。在襯砌鋼筋上安裝有鋼筋計。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，南干渠襯砌鋼筋應(yīng)力一般在3個月達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)且應(yīng)力相對較小，均不超過10 MPa。②滲壓計。在各監(jiān)測斷面襯砌外側(cè)布置了滲壓計，監(jiān)測圍巖的滲壓及分布。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，各斷面滲壓水頭值均較小，最大為0.77 m。③測縫計。在襯砌混凝土與巖石結(jié)合面處安裝有測縫計，用于測量混凝土的開合度情況。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，各斷面開合度監(jiān)測值均較小，最大值為0.03 mm。④應(yīng)變及無應(yīng)力計。在襯砌混凝土中埋設(shè)有應(yīng)變和無應(yīng)力計，用于監(jiān)測混凝土變形情況，當(dāng)混凝土初凝后，測取初始值。從監(jiān)測數(shù)據(jù)看，測值較小。

從以上監(jiān)測數(shù)據(jù)看，各類測值變化不大，說明南干渠開挖期支護(hù)效果和襯砌質(zhì)量均較好。

4 結(jié) 論

本文以向家壩南北干渠為例，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)研究，對長隧洞工程的開挖與地質(zhì)預(yù)報，精細(xì)化爆破振動控制、特殊地質(zhì)條件處理措施及針梁臺車快速襯砌等施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析研究，總結(jié)如下：

(1)長隧洞由于穿越地層多，存在斷層、溶洞、大涌水、巖爆、高地溫和有毒有害氣體等多種不利地質(zhì)條件。施工過程中需注重超前預(yù)報和安全監(jiān)測，并把其作為施工中的一個必須環(huán)節(jié)，做到有的放矢，方能確保施工安全。另外，對各種特殊地質(zhì)條件需要有處理措施及手段，并做好應(yīng)急預(yù)案編制。

(2)長隧洞經(jīng)過不同類型敏感建筑物時，應(yīng)提前做好調(diào)查分類和標(biāo)識測量，按不同建筑物的保護(hù)類別做好爆破振動控制，并進(jìn)行過程監(jiān)測和反饋分析。雙排或多排斜孔掏槽可有效降低爆破振動速度，盡可能采用。

(3)針梁臺車襯砌具有速度快、外觀質(zhì)量好等優(yōu)點，但需注意模板搭接、窗口設(shè)置、臺車抗浮和振搗時間等細(xì)節(jié)設(shè)計與過程控制。

(4)為保證長隧洞施工期安全，同時及時掌握運行期圍巖變形、滲流滲壓、混凝土襯砌和鋼筋等受力變化情況，一般需布設(shè)施工期臨時監(jiān)測和運行期永久監(jiān)測。臨時監(jiān)測主要根據(jù)地質(zhì)情況布設(shè)，永久監(jiān)測一般布置于施工支洞或檢修通道等附近。

(5)一切工序標(biāo)準(zhǔn)化、一切標(biāo)準(zhǔn)信息化已是工程發(fā)展的大趨勢。建議在工程的初始階段，通過各種試驗和總結(jié)分析，盡快制定適應(yīng)本工程的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工藝或管理流程并加強宣貫，在工程開工就嚴(yán)格執(zhí)行；引入智能信息化系統(tǒng)，確保對各工程數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控和全過程追蹤。