延安黃河引水工程小斷面長隧洞開挖施工技術(shù)

蒲軍輝

（中國水電建設集團十五工程局有限公司，陜西 西安 710065）

1 工程概況

延安黃河引水工程位于延安市東北部，是以黃河為取水水源的長距離引水管線工程。其中黃延線從延水關(guān)一級泵站提水，主要沿張家河、文安驛川、西溝、延河布置至延安市東川水廠，管線全長約87 km，包括2座調(diào)蓄水庫、6座加壓泵站、6條隧洞及67.9 km輸水管道。

黃延線6座隧洞全部為城門洞型，分別為楊家山隧洞、姚家山隧洞、新舍古隧洞、薛家溝隧洞、文安驛隧洞、蘆草梁隧洞。其中楊家山隧洞設3條施工支洞，其余隧洞不設施工支洞。隧洞單工作面最大開挖長度為新舍固隧洞進口工作面，單頭開挖長度約2 km。黃延線6座隧洞斷面尺寸及地質(zhì)情況見表1。

表1 隧洞斷面尺寸及地質(zhì)情況特性表

2 隧洞開挖施工方法

2.1 風、水、電及通風布置

隧洞施工供風風管為鋼管，布置在隧洞側(cè)墻中下部，和施工用水水管平行。電力線路布置在另一側(cè)，高度從拱腳向下布置距地面約1.9 m左右。風筒布置在洞頂稍偏一側(cè)，以便安裝激光定向儀。

2.2 洞內(nèi)滲水處理

（1）黃土洞段洞內(nèi)滲水處理

黃土洞段地下水位高于洞頂，施工時需采取降排水措施，確保施工安全。施工時采取在隧洞已開挖成型底部一側(cè)每隔50 m設置集水坑，采用1.1 kW潛水泵抽排滲水至洞外排水渠。同時采取自開挖基礎(chǔ)面向下擴挖30 cm深，擴挖到位后先鋪設10 cm厚碎石墊層、再澆筑20 cm厚C20鋼筋網(wǎng)片墊層混凝土，以滿足洞底排水和隧洞出渣道路要求。

洞內(nèi)排水采用排水盲溝、集水坑進行排水，集水坑尺寸為1.0 m×0.5 m×0.5 m（長×寬×深），每個集水坑內(nèi)設置1臺1.1 kW的潛水泵抽排滲水至洞外。

（2）巖石洞段滲水處理

在洞內(nèi)滲水點比較集中的洞底部位挖設集水井，洞內(nèi)滲水匯集到集水井內(nèi)后采用潛水泵抽排至洞外。在做集水井時，根據(jù)洞內(nèi)滲水情況，一側(cè)滲水時在該側(cè)挖集水井；當兩側(cè)或全斷面滲水時，在洞底板橫向挖一整體集水井。由于輸水隧洞斷面小，挖設集水井后影響交通。因此在集水井上鋪設槽鋼，上部覆蓋鋼板，將集水井做成暗井，保證洞內(nèi)交通安全和暢通。

同時在集中滲水段底部基礎(chǔ)面上鋪設20 cm碎石墊層，碎石墊層上部用洞渣找平壓實，并在隧洞底板兩邊側(cè)碎石中埋設φ110 PVC花管，保證所有滲水能在洞內(nèi)底部互通和兩側(cè)流動并能及時匯入集水井。

洞壁集中大量線狀滲水時，采取在洞壁鉆排水孔、安裝水管引至一側(cè)集水井內(nèi)。洞壁全斷面線狀滲水時，在隧洞頂部采用防滲雨布緊貼滲水巖面并固定，使?jié)B水有序流入到兩側(cè)集水井內(nèi)，并用潛水泵抽排至洞外。

2.3 洞內(nèi)底板保護技術(shù)

黃土隧洞洞底保護采取自開挖基礎(chǔ)面向下擴挖30 cm深，先鋪設10 cm厚碎石墊層，再澆筑20 cm厚C20鋼筋網(wǎng)片墊層砼，以滿足洞底排水和隧洞出渣道路要求。

巖石隧洞洞底保護采用沿洞底板平鋪碎石墊層，平鋪厚度30 cm，洞底因水浸超挖部分采用堅硬洞挖塊石料擺放至設計洞底高程，上部鋪填碎石后硬化，形成洞底板保護面。保證隧洞內(nèi)干地施工和設備通行道路暢通。在施工過程中，當碎石保護層被施工設備碾壓形成車轍時，及時采用人工平整。斷面較小的隧洞底板兩側(cè)碎石中埋設φ110 PVC花管，保證所有滲水能在洞底互通和兩側(cè)流動并能匯入集水井內(nèi)。

2.4 黃土隧洞開挖施工

黃土狀隧洞開挖采用人工配合0.3 m3反鏟進行開挖，人工修整開挖輪廓線成型，2 m3裝載機裝運土料至洞外，10 t自卸車運輸至附近棄渣場，每循環(huán)進尺0.8 m～1 m。每循環(huán)開挖后，為防止地下水逐漸滲出，造成頂部及掌子面坍塌，及時、快速的對開挖面全斷面噴射5 cm砼進行封閉。并及時快速的安設鋼筋格柵拱架（間距0.8 m）、鎖腳錨桿、格柵拱架連接鋼筋、掛網(wǎng)鋼筋和噴射20 cm砼，然后及時鋪設10 cm碎石排水層和澆筑20 cm厚度C15墊層砼，使初期支護、排水層和底板墊層砼封閉成環(huán)，確保安全后，進入下一循環(huán)。

遇到不良地質(zhì)條件，當掌子面頂部掉塊形成空腔時，及時噴射砼封閉掌子面及空腔面，防止掉塊擴大。然后采用Φ25超前錨桿在開挖掌子面頂拱范圍內(nèi)進行超前支護，錨桿間距20 cm，深入土層2 m，外露1 m，并與已成型格柵拱架焊接牢固。同時調(diào)整格柵拱架間距50 cm每榀，繼續(xù)向前短進尺、強支撐穿過該不良地質(zhì)段3 m～5 m，掛網(wǎng)、噴護封閉掌子面后，再對已坍塌洞頂空腔部位采用鉆孔插入φ50PVC管注漿回填密實。

2.5 巖石隧洞開挖施工

巖石隧洞開挖采用鉆爆法開挖方案，開挖遵循新奧法原理，堅持“先勘探、再治水、管超前、弱爆破、短進尺、少擾動、強支護、早封閉、勤觀測”的施工原則。圍巖采用全斷面開挖法，Ⅲ類圍巖每循環(huán)進尺2.5 m；IV類圍巖每循環(huán)進尺2.0 m，V類圍巖每循環(huán)進尺1.0 m。淺埋、斷層破碎帶等不良地質(zhì)洞段采用環(huán)形開挖預留核心土法，每循環(huán)進尺0.8 m。

（1）圍巖全斷面法開挖

Ⅲ、Ⅳ類圍巖地段采用中間掏槽、周邊光面爆破技術(shù)進行全斷面開挖。采用移動式鉆爆臺車YT-28手風鉆鉆孔，人工裝藥、連線，非電毫秒微差起爆網(wǎng)絡進行爆破。出渣采用2 m3輪式側(cè)翻裝載機裝渣，5 t翻斗車運輸至洞外棄渣場。

Ⅴ類圍巖地段開挖前，由于圍巖較破碎且存在地下水，先進行超前小導管預注漿+超前錨桿等工程措施封堵地下水和加固地層，然后再進行開挖。隧洞開挖采取少藥量、弱爆破、短進尺、多循環(huán)施工以減少對圍巖的撓動，開挖后及時進行初期支護、施作底部墊層混凝土盡早封閉成環(huán)。施工時嚴格控制施工用水，防止巖面被水浸泡。

（2）不良地質(zhì)段采用環(huán)形開挖預留核心土法

不良地質(zhì)段開挖前，先進行超前圍巖預注漿+超前管棚等工程措施封堵地下水和加固地層，然后再采用環(huán)形開挖預留核心土法進行施工。上部環(huán)形導坑采用人工風鎬開挖，必要時輔以弱爆破，下導及底板采用控制爆破開挖；進尺不超過0.8 m。各部開挖后及時封閉掌子面，噴錨+工字鋼拱架聯(lián)合支護。對于上部環(huán)形導坑空間較小部位，徑向錨桿支護采用中空自鉆式錨桿，錨桿加長采用高強度聯(lián)結(jié)套，使自鉆錨桿具有邊鉆進邊加長的特性，實現(xiàn)了長錨桿加固圍巖問題。拱腳、中下導墻角增設鎖腳錨桿，初期支護及時成環(huán)。核心土距拱頂開挖面1m，坡腳距拱腳開挖面1.5 m。

巖石隧洞開挖，每隔300 m～500 m在隧洞一側(cè)設置一個避車道，避車道結(jié)構(gòu)尺寸滿足隧洞出渣設備回轉(zhuǎn)要求。

3 隧洞施工采取的新技術(shù)

3.1 采取激光指向儀開挖定向

輸水隧洞施工過程中，由于斷面較小，測量放線時洞內(nèi)光線和煙塵對測量工作干擾較大，同時洞內(nèi)測量控制點因洞底滲水和泥巖基礎(chǔ)等原因容易被擾動或破壞。因此，施工中根據(jù)隧洞以直線為主的有利條件，采用激光指向儀在隧洞開挖時進行定向。

激光指向儀的體積小、重量輕、功耗低、安裝調(diào)試相對方便,且有效作用距離能達到500 m以上，能直觀地為施工提供隧洞的開挖方向及坡度等重要參數(shù)，同時激光指向儀還提高了隧洞測量工作的精確性和效率。

當隧洞開挖70 m～80 m時，就可安裝激光指向儀，在洞頂合適部位造孔安裝錨桿，將激光指向儀底板與錨桿連結(jié)在一起,把激光指向儀的水平和垂直微調(diào)調(diào)至中間位置，然后用全站儀測出激光指向儀的中心，再用全站儀測出掌子面上和激光指向儀相同位置的點，微調(diào)將激光指向儀的光點投到掌子面的全站儀測設的點上，就完成了定向。

激光指向在使用過程中并不是一成不變的,可能因人為晃動、爆破震動、洞頂壓力等因素影響,導致激光指向儀偏離原來設計方向,必須進行光束校核檢查。常用兩種方式來檢查，一是間隔幾個循環(huán)爆破后采用全站儀測設一次掌子面，并測放出投點的設計位置，與激光指向儀的投點是否相符；二是在剛檢驗過正確的激光指向儀的光線洞頂，距指向儀10 m和60 m的兩處造孔安裝錨桿，在錨桿下部掛細繩垂直球剛好通過指向光束，在通過部位做記號，經(jīng)常觀察光束是否經(jīng)過兩處的標記點，檢查是否發(fā)生變動，若變動及時調(diào)整激光指向儀。

激光指向儀的使用不僅減輕了測量工作量，提高了測量效率；而且指向儀和全站儀測量相互校核，確保了隧洞開挖方向和高程的準確性。

3.2 采取添加聚酯纖維（或聚丙烯纖維）噴射砼

本工程地處陜北地區(qū)，冬季氣溫較低，噴射砼回彈量較大，在調(diào)整速凝劑的摻量后仍沒有明顯改觀。經(jīng)過試驗、研究決定在噴射砼內(nèi)添加聚酯纖維網(wǎng)狀束，改善噴射砼特性來降低回彈量。通過在噴射砼中添加聚酯纖維材料后，噴射砼回彈量從14%降低到8%，提高了經(jīng)濟效益。

3.3 采取離心式通風機通風排煙

由于隧洞斷面較小、距離長，通風機需要在同等風量的情況下風壓要大，這樣才能保證盡快將洞內(nèi)煙塵排出。根據(jù)現(xiàn)場實踐，在部分隧洞洞口采用高壓離心式通風機、硬式波紋管通風后，隧洞開挖距離達到1000 m以上時洞內(nèi)通風排煙效果良好。采取高壓離心式通風機通風不僅功率較小、價格便宜，而且采取硬式波紋管通風直徑小、通風損耗小、在小斷面隧洞內(nèi)對機械設備通行干擾小。

4 結(jié)語

延安黃河引水工程6座小斷面長隧洞開挖施工，通過采取科學合理的施工方案和施工新技術(shù)的運用，不僅成功地解決了本工程小斷面長隧洞施工中地下水位高、穿越地層多、巖性復雜、斷層構(gòu)造發(fā)育等不良地質(zhì)條件以及施工風險高和隧洞斷面小、洞內(nèi)空間狹窄、施工難度大等技術(shù)難題，而且優(yōu)質(zhì)、高效、安全、快捷地完成了隧洞開挖施工任務，可為我國黃土高原地區(qū)小斷面長隧洞施工提供技術(shù)參考。